Исследование остаточных напряжений в деталях сложной формы гtд методом рентгеновской тензометрии

строения системы ТОР в соответствии с техническим состоянием элементов машин.

Предложенный в статье метод оценки влияния надежности отдельных элементов на общую надежность машины— это первый шаг в разработке стратегии управления работоспособностью лесных машин по техническому состоянию.

В качестве основных исходных данных для расчета вероятностей состояний систем харвес-тера приняты средняя наработка на отказ и среднее время восстановления элементов.

Гидравлическая система представляет собой наименее надежную структурную составляющую харвестера, поэтому ей следует уделять особое внимание при планировании мероприятий ТОР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Игнатов, В.И. Научные основы формирования стратегии технического обслуживания и ремонта лесных машин | Текст] / В.И. Игнатов,— М.: МГУЛ, 2000,- 336 с.

2. Малкин, B.C. Техническая эксплуатация автомобилей: Теоретические и практические аспекты [Текст]: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / B.C. Малкин,— М.: ИЦ «Академия», 2007,- 288 с.

3. ГОСТ Р 22.2.04-94. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Техногенные аварии и катастрофы. Метрологическое обеспечения контроля состояния сложных технических систем. Основные положения и правила [Текст].— М.: Изд-во стандартов, 1994,— 27 с.

4. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике: Основные понятия. Термины и определения [Текст]. — М.: Изд-во стандартов, 1990,— 35 с.

УДК 539.261:539.2 73

В.В. Трофимов, Н.А. Яблокова

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ГТД МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ

Для оценки и обеспечения надежной работоспособности газотурбинных двигателей (ГТД) большое значение имеет анализ напряжений и деформаций в наиболее нагруженных и ответственных деталях — на лопатках и дисках ГТД. Исследования остаточных напряжений (ОН) проводятся на поверхностях деталей сложной формы с радиусами перехода, где в основном сосредоточены концентраторы напряжения (замки, полки, кромки лопаток, межпазовые выступы дисков ит. д.).

Остаточные напряжения в значительной степени определяют качество ГТД и его ресурс. Характер и величина остаточных напряжений на поверхности и распределение их по объему детали определяются технологическими режимами соответствующей обработки и входят в число показателей при выборе этих режимов и при контроле их в условиях производства и ремонта.

Приоритетным методом нашего исследования напряженного состояния материалов выбран метод рентгеновской тензометрии. Объекты исследования — диск из сплава ВТЗ-1 компрессора высокого давления (КВД), разрушенного в процессе эксплуатации, а также образцы новых и ремонтных дисков компрессора низкого давления (КНД).

Технологический процесс исследования ОН на деталях сложной формы упрощается и становится более производительным при использовании специализированных рентгеновских анализаторов напряжений с применением алгоритмов автоматизированных измерений ОН и специальной оснастки для установки и позиционирования детали.

Цель работы — исследование напряженного состояния в дисках компрессора из сплава ВТЗ-1 на разных этапах их изготовления, ремонта

и эксплуатации и определение критериев оценки ресурса дисков в эксплуатации.

Нами разработаны новые методики определения компонентов тензора напряжений методом Хаука—Долле и эллиптическим методом. Оба метода основаны на принципах базового рентгеновского метода sin2' [1—5, 7, 8].

Определения и основные уравнения

Метод рентгеновской тензометрии основывается на законе Вульфа—Брэгга:

2dúnQ = rík,

где d — межплоскостное расстояние кристаллической решетки; 9 — угол дифракции; X — длина волны монохроматического рентгеновского излучения; п — порядок дифракции.

Деформация кристаллической решетки еи определяется соотношением

е'ф

К,Ф-4>)

da

= -A0AWct8l

Связь между деформацией и напряжением в любом направлении ф

определяется соотношением (метод sin ') -K"ü33)sin2' +

^2{hkl} í \ . 2 ^l{hkl)

+ ^1{Ш}7>(а) + '

-^^T9sin(2');

Тг(с) = сп + С22+С33.

Здесь ' — угол между нормалями к поверхности образца и к отражающей плоскости (М/);

*^2{м/}/2 и — рентгеновские постоянные

упругости для отражающей плоскости (Ак/).

В случае плоского напряженного состояния (а33 =0 и тф = 0) формула упрощается:

Е * а Л6 Gm =-Ctg0-

(1 + У) Дет '

Методика исследования остаточных напряжений на дисках

Исследование остаточных напряжений на дисках компрессора проводилось дифрактомет-ром Х8Т11Е88 3000 0311. При выборе оптимальных условий исследования размеры диска не являются ограничивающим фактором. Пробле-

ма в том, что в зоне исследования межпазового диска происходит перекрывание рентгеновского луча частями (другими поверхностями) детали. При выборе «П-режима» (П-гониометр) измерений остаточных напряжений действует ограничение по вращению у, так как уже при у = 35° дуга гониометра упирается на исследуемый паз диска, а при выборе у-режима измерений (' -гониометр) сказывается влияние краевого эффекта от радиуса кривизны выступа.

В режиме «П» угловое смещение и угол у — разу

дующим образом:

у = а±(180-29)/2,

где а — экспериментальное угловое смещение.

В дифрактометре Х8Т11Е88 3000 03Я маку

вания материала диска максимальное экспери-

а

(29 = 140°).

При исследовании остаточных напряжений

у

у

евой эффект» из-за перекрывания пучка, отраженного частями детали, полностью устраняется при использовании коллиматора прямоугольного сечения размером 1x5 мм. Измерения остаточных напряжений на образцах диска наиболее

точны и производительны при использовании у

Измерение остаточных напряжений проводилось на образцах-фрагментах дисков в направлении, перпендикулярном межпазовому выступу. В этом направлении величина остаточных напряжений определяет ресурсные характеристики диска компрессора в эксплуатации. В образце 3 исследовано распределение остаточных напряжений по глубине вдоль и перпендикулярно направлению паза диска в зоне радиуса.

Для выбора оптимальной длины волны излучения проведен расчет эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей в сплав ВТЗ-1 [5]. Наиболее производительным оказалось использование рентгеновской трубки с титановым анодом.

Материал диска — титановый сплав ВТЗ-1; исследуемая фаза — а-фаза; излучение — Тл Ка;

29,

140°;£2{Ш, /2 = 11,5-10 МПа~

Образцы для исследования

Исследование ОН проводилось на межпазовом выступе новых и ремонтных дисков. Межпазовый выступ диска обработан методом протягивания. Поверхность выступа в зоне радиуса диска после протягивания подвергнута дробеструйной обработке (упрочнение).

Образцы для исследования ОН вырезаны из межпазового выступа новых и ремонтных дисков КНД (рис.1). На образцах, изготовленных из нового диска, остаточные напряжения определяли на поверхности паза после следующих операций: протягивание паза, упрочнение паза и испытание на усталостную прочность. На образцах из ремонтного диска остаточные напряжения измеряли на поверхности паза и по глубине поверхностного слоя 100 мкм после протягивания и упрочнения паза.

Измерение остаточных напряжений на образце 1 проводили в шести точках (три точки на левом радиусе паза и три точки на правом радиусе паза), на образцах 2 и 3 — в одной точке в середине правого радиуса паза.

Результаты исследования

На образце 3 распределение ОН по глубине проводили при последовательном удалении слоев методом электрополирования прибором Моу1ро1-3.

Остаточные напряжения на образцах 1н, 1р и 2 определяли вдоль паза диска с использованием ^-режима измерений ОН, а в направлении, перпендикулярном пазу диска, — с использованием ф-режима.

Установлено (рис. 2), что величина сжимающих остаточных напряжений после протяжки паза диска меньше , чем при последующем упрочнении поверхности паза. После упрочнения уве-

личивается глубина залегания максимальных остаточных напряжений сжатия до 50 мкм.

Анализ результатов измерений, представленных в таблице , показывает:

на новых и ремонтных дисках наблюдается значительный разброс ОН вдоль паза как в исходном состоянии, так и после протягивания, но незначительно изменяется напряженно-деформированное состояние диска по сравнению с исходным состоянием;

упрочнение поверхности паза дисков дробеструйной обработкой создает равномерное распределение остаточных напряжений сжатия вдоль левого и правого пазов на поверхности новых и ремонтных дисков, приводит к уменьшению концентраторов напряжений в радиусе паза;

установлено, что распределение остаточных напряжений сжатия в диапазоне от —250 до —450 МПа на межпазовом выступе диска после протягивания диска и проведения последующей дробеструйной обработки (упрочнение) поверхности паза обеспечивает требуемый ресурс диска КНД из сплава ВТЗ-1 после усталостных испытаний.

На поверхностном слое межпазового выступа на глубине 100 мкм после упрочнения наблюдается незначительный градиент сжимающих остаточных напряжений, что характеризует стабильность дробеструйной обработки поверхности на ремонтных дисках. На образце 2 после усталостных испытаний до образования трещины вдоль паза определены напряжения растяжения, а в образце , испытанном в пределах установленного ресурса, измерены напряжения сжатия по величине в два раза меньше исходного значения.

На образцах дисков после усталостных испытаний величина ОН сжатия уменьшается.

Полученные результаты исследований напряженного состояния в межпазовом выступе

Рис. 1. Схема измерения остаточных напряжений на образцах: 1н- и 1р-фрагментах нового и ремонтного дисков

1 14

Маркировка образцов

Левый радиус паза

Выход диска

Маркировка образцов

Левый радиус паза

Вход диска

Рис. 2. Распределение ОН по глубине на межпазовом выступе ремонтного диска после протягивания и упрочнения паза диска

(—»--протягивание вдоль паза; -—.— упрочнение вдоль паза;

--протягивание перпендикулярно пазу; ---упрочнение перпендикулярно пазу)

диска новых и ремонтных дисков КНД могут быть использованы для оценки (прогнозирования) ресурса дисков в эксплуатации.

Исследование напряженно-деформированного состояния диска компрессора после разрушения

Рассматриваемый в данной работе диск первой ступени ротора КВД изготовлен из титанового сплава ВТЗ-1. Очаги разрушения диска находились в зоне ступицы (рис. 3). Продолжительность развития трещины до глубины 1 мм составляет 2100 полетных циклов. Разрушение диска по полотну произошло за 14—15 полетных циклов (малоцикловая усталость), причем за время последних 8 полетов — в условиях повышенной вибрации. Разрушение диска произошло под действием повышенного уровня напряжений, о чем свидетельствует малая доля (менее

4 %) излома по ступице, занятая усталостными бороздками.

Методики исследования: 1) определение тензора напряжений; 2) определение главных напряжений. Режим съемки: рентгеновское излучение Тл Ка, кристаллографическая плоскость (110), угол Вульфа—Брэгга 29(110) = 140°, угол наклона у = 0+45 ф = 0+24°. Диаметр коллиматора — 2 мм.

Чтобы определить тензор напряжений, необходимо обеспечить достаточное количество направлений измерения ф и '. В дифрактометре Х8Т11Е88 3000 все эти функции вращения возможны с применением модифицированного ^-гониометра, в котором использованы новейшие технологии. Два фотодетектора, играющие роль датчиков положения, в сочетании с осуществляемым с помощью микрокомпьютера контролем за степенями свободы при многоразовых

Остаточные напряжения на межпазовых выступах новых и ремонтных дисков КНД

Название детали (помер образца) Напряжения

и состояние обработки поверхности МПа

Диск новый (образец 1н):

паз до протягивания (исходное состояние) от-110 до-400

паз после протягивания от-150 до-350

паз после протягивания и упрочнения от-280 до -390

Диск ремонтный (образец 1р):

паз после протягивания от-130 до -380

паз после протягивания и упрочнения от-320 до-450

Диск для испытания на усталостную прочность

паз после протягивания и упрочнения (образец 2):

до испытания -275

после испытания (установленный ресурс) -145

после испытания (дополнительные испытания до образо- 116

вания трещины)

1 1 5

Вне зоныразрушення

Рис. 3. Точки и направления измерения напряжений в диске

поворотах обеспечивают эффективное выявление рентгеновского излучения в большом диапазоне телесных углов. Внедрение этой функции позволило значительно сократить продолжительность сбора данных [9].

Измерения остаточных напряжений на диске выполнялось в следующих зонах: ступица, переходная зона «ступица — полотно»; полотно; обод. Направления измерения остаточных напряжений выбраны в окружном и радиальном направлениях диска.

Результаты исследования диска

Исследование остаточных напряжений на диске проводилось в зоне начала образования очага разрушения и вне зоны разрушения.

Результаты измерений остаточных напряжений представлены на рис. 4.

В зоне очага разрушения диска (место измерения — переходная зона «ступица — полотно» и обод) в окружном направлении определены остаточные напряжения растяжения, а в радиальном направлении во всех точках измерения — остаточные напряжения сжатия. Направления измерения

-300 -350

зона разрушения — окр. направление  зона разрушения - рад. направление

Рис. 4. Распределение ост в зоне очага разрушения диска

остаточных напряжений на диске выбраны в окружном направлении перпендикулярно плоскости разрушения диска и совпадают с направлением действующих максимальных нагрузок во время эксплуатации диска. Напряжения растяжения измерены в зонах диска, где сосредоточены максимальные концентраторы напряжений.

Для установления точного напряженно-деформированного состояния диска в зоне очага разрушения диска определены компоненты тензора напряжений на полотне диска эллиптическим методом: а,, = —232 МПа, о22 = = -13 МПа, а12 = -9 МПа, а13 = -29 МПа,

а

аа

IíldA 1111.11

= -232 МПа, ф(атах) = 88°.

На поверхности диска, расположенной вблизи зоны начала разрушения диска, линейность функции c/(sin2') не обеспечивается (рис. 5), поэтому расчет ОН проводили эллиптическим методом [8].

При исследовании лопаток КВД в зоне перехода от пера к замку лопатки, где находятся концентраторы напряжений, распределение экспериментальных точек для функции d{ sin2') в большинстве случаев подчиняется эллиптической зависимости, и для них характерно расщепление по '. Соответственно, более объективный анализ НДС на этих деталях получается при применении «эллиптического» метода или метода Хаука—Долле.

Результаты исследования:

1. Установлено, что распределение остаточных напряжений сжатия в диапазоне от —250 до —450 МПа на межпазовом выступе диска КНД из сплава ВТЗ-1 после протягивания диска и

б)

Точки измерении

вне зоны разрушения — рад. направление

чных напряжен ий на диске и вне зоны разрушения диска

пб

ö)

£/, HM 0.1*61

O.Hfi

Ö.14S9

0.ИИ

Q.H57 -

0,1 0J 0,3 о,л sin^v

Рис. 5. Изменение межплоскостного расстояния с1 от зт2ф на диске в зоне очага разрушения (место измерения — полотно диска): а — ф = 0; б— ф = 45°; в — ф = 90°

проведения дробеструйной обработки (упрочнение) поверхности паза обеспечивает требуемый ресурс диска.

2. Представлены новые результаты по исследованию напряженно-деформированного состояния неразрушающим методом рентгеновской тензометрии на дисках компрессора из сплава ВТЗ-1 с использованием современных методик

расчета остаточных напряжений и компонентов тензора напряжений.

3. Разработка методике использованием автоматизированного рентгеновского дифрактометра Х5ТЯЕ55 3000 03 Я по:', полила внедрить новые технологии исследования и контроля остаточных напряжений в дисках компрессора (новых и ремонтных ) в производстве ГТД на ОАО «НПО»Сатурн».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методы исследования состояния материала деталей ГТРД и его изменений при эксплуатации. Технологическая рекомендация ТР4-526 [Текст] / ВИАМ,- Мл Изд-во ВИАМ, 1962,- С. 6-13.

2. Kraus, I. Rentgenova tenzometie [Текст] / ВИАМ // 1. Kraus, V.V. Trofimov.— Praha: Academia, 1988.— 248 stran

3. Трофимов, B.B. В мире неразрушающего контроля [Текст] / В.В. Трофимов, А.Я. Башкарев, Иво Краус,— В мире неразрушающего контроля,— 2005. N°"l.- С. 28-32.

4. Васильев, Д.М. Современное состояние рентгеновского способа измерения макронапряжений (обзор) [Текст] / Д.М. Васильев, В.В. Трофимов // Заводская лаборатория,— 1984. Т. 50. N° 7,— С. 20-29.

5. ХРА 09-285. Методы испытаний для анализа

остаточных напряжений дифракцией рентгеновских лучей [Текст] / AFNOR (французская ассоциация по стандартизации).— 1999.

6. Fitzpatrick, М.Е. [Текст| / М.Е. Fitzpatrick, А.Т. Fry, P. Holdway |and all]. Measurement Good Practice Guide. 2005. № 52. P. 1-68.

7. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods Viktor Hauk |Текст].— Elsevier 1997, 283 p.

8. Handbook of Measurement of Residual Stresses |Текст] / Society for Experimental Mechanics inc. Jian Lu.- The Fairmont Press Inc.- 1996,- C. 89-90.

9. Lonsdale, D. The development of transportable X-ray diffractometer for measurement of stress [Текст] / D. Lonsdale, P.Doig // Proc. of the Second International Conf. on Residual Stresses.— Nancy, France.— 23—25 Nov. 1988.

УДК 539.261:539.531

H.A. Яблокова

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ГТД РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫМ И МЕХАНИЧЕСКИМ МЕТОДАМИ

При обработке глубинным шлифованием ностном слое. Они влияют на динамическую

(ГШ) на прочность деталей газотурбинных двигателей большое влияние оказывают остаточные напряжения (ОН), образующиеся в поверх-

и коррозионную прочность, стабильность размеров и формы деталей, а также на точность обработки.

1 1 7