Ускоренные усталостные испытания изделий

7. Коростеле Л В., Балакин П.Д., Лагутин С.А. Условия касания характеристик двух производящих поверхностей //Теория и геометрия пространственных зацеплений: Тез. докл. Третьего Всесоюз. симпозиума. - Курган, 1979. - С 16-17.

8. Балакин П.Д., Лагутин С.А. Производящая поверхность при двухпараметрическом огибании // Механика машин.-1964.-Вып. 61.-С. 16-19.

9. Балакин П.Д. Наделение зубчатого привода свойством адаптации // Зубчатые передачи: Современность и прогресс: Тез. докл. Одесса, 1990.-С. 10-11.

10. Балакин П.Д. Выбор средства адаптации зубчатых передач // Теория реальных передач зацеплением: Тез. докл. Умехедунар. симпозиума. - Курган, 1993. - С. 35-36.

11. Балакин П.Д. Механические передачи с адаптивными свойствами: Науч. издание. - Омск: Изд-во ОмГГУ, 1996.-144 с.

В. Д. БЕЛЫЙ Н.И. ЛАВРОВИЧ

Омский государственный технический университет

УДК 620.178.3

Одним из основных требований, предъявляемых к изделиям, является сохранение их работоспособности в течение заданного промежутка времени. Выход изделий из строя связан с поломками, 80% из которых в той или иной степени носят усталостный характер [1]. Поэтому интерес представляет разработка методов ускоренного определения предела выносливости материала образцов и деталей. Испытания на усталость, это очень длительный вид проверки.

Известно большое количество методов ускоренных испытаний, которые можно разделить на два большие класса.

К первому классу относятся методы, основанные на использовании эмпирических зависимостей, связывающих амплитуду напряжений в образце или детали с долговечностью. Испытания на усталость проводятся при высоких уровнях напряжений, находятся константы кривой усталости, и по ним рассчитывается предел выносливости материала.

Ко второму классу относятся методы ускоренного определения предела выносливости, основанные на учете неупругости металлов. Такие методы могут быть разделены на три группы [2].

Первая группа методов(Фелтнера, Морроу, Стоуола и некоторые другие) предполагает возможность построения кривой усталости, определение предела выносливости на любой базе без проведения циклических испытаний, при использовании характеристик свойств материала, найденных по результатам статических испытаний.

Вторая фуппа методов (Ивановой, Муратова, Трощенко и некоторые другие) основана на использовании начального участка кривой усталости, построенного по экспериментальным данным, с последующим пересчетом значений для определенного числа циклов до разрушения в этой области на предел выносливости материала.

Третья группа методов предполагает определение предела выносливости материала путем исследования зависимости величины необратимо рассеянной энергии (или

12. Балакин П.Д , Рязанцева И.Л. Зубчатые передачи с адаптивными свойствами: Науч. издание. - Омск: ОмГТУ, 1996. - 166 с. -Деп. в ВИНИТИ 30.01.96. № 335-В96.

13. Балакин П.Д. Наделение свойством адаптации как принцип конструирования механических систем //Теория реальных передач зацеплением: Тез. докл. VI междунар. симпозиума. - Курган, 1997. -Ч. 2. - С. 35-36.

14. Балакин П.Д. Выбор средства адаптации зубчатых передач. // Проблемы анализа и синтеза механизмов и машин: Межвуз. сб науч. трудов / Отв. ред. А.И. Смелягин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. - С. 54-58.

БАЛАКИН Павел Дмитриевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теории механизмов и машин Омского государственного технического университета.

другой характеристики, связанной с неупругостью материла) от напряжений. Они позволяют определять предел выносливости материала, не доводя образцы до разрушения, то есть могут быть использованы как способы нераз-рушающего контроля качества изготовления деталей. При условии, что напряжения в образцах и деталях при ускоренных испытаниях на усталость не будут превышать предела выносливости материала [3-6].

Для металлов и сплавов при симметричных циклах нагружения значения амплитуд напряжений, при которых наблюдается прогрессирующее возрастание рассеяния энергии, в общем оказываются близкими к пределу выносливости, если такой существует для рассматриваемого материала. Для асимметричного циклического нагружения это положение не находит достаточного подтверждения прежде всего потому, что повреждаемость материала в этом случае обусловлена не только циклическим, но и знакопостоянным деформированием. В этом случае наблюдается два неупругих процесса: рассеяние энергии и накопление неупругой деформации из-за ползучести [3].

Предложен способ ускоренного определения предела выносливости материала [7], основанный на использовании амплитудно-частотных и энергетических характеристик специальных автоколебательных установок при ступенчатом увеличении нагрузки на испытуемый образец. Жесткость колебательной системы таких установок должна определяться жесткостью испытуемого образца, а подвод энергии осуществляться в тот момент, когда кинетическая энергия системы достигает своего максимума. Это позволяет проводить испытания на частоте, близкой к собственной частоте колебаний образца с инерционным грузом.

На рис. 1 показана схема устройства для испытания материалов на циклический изгиб в режиме автоколебаний. Устройство содержит магнитоэлектрический привод для создания циклической изгибающей силы, включающей два сердечника 1, выполненных из магнитопроводящего материала, и две катушки 2. Испытуемый образец 3 с

УСКОРЕННЫЕ УСТАЛОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ_

В СТАТЬЕ РАССМАТРИВАЮТСЯ МЕТОДЫ УСКОРЕННЫХ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ, ПРЕДСТАВЛЕНЫ УСТРОЙСТВО И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ, ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ИЗЛОЖЕННЫЙ В СТАТЬЕ МАТЕРИАЛ ПОЗВОЛЯЕТ УМЕНЬШИТЬ ТРУДОЕМКОСТЬ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ.

тенэодатчиками 5 и инерционными грузиками 6 жестко закреплен в заделке 4. Питание к катушкам 2 подается от усилителя мощности 7 поочередно. Усилитель управляется триггером 8, входы которого соединены с фотодиодами фотодатчика 9, установленного на индивидуальном основании в плоскости перемещения испытуемого образца 3 так, что образец находится между двумя световыми потоками фотодатчика. Электрический сигнал с тензодатчи-ка поступает на тензоусилитель 10 и далее на измеритель частоты 11 и осциллограф 12.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства для испытания

материалов на циклический изгиб в режиме

автоколебаний.

Устройство обеспечивает высокую частоту колебаний; варьирование подводимой в колебательную систему энергии от 0 до требуемой величины; асимметричность нагру-жения; возможность проведения испытаний материалов практически на любой гармонике частот за счет комбинации инерционных грузиков и распределения их по длине образца. Датчиками сигналов в цепи обратной связи автоколебательной установки могут быть бесконтактные датчики: емкостные, индукционные, магнитные и т.д. В процессе испытаний изменяется модуль упругости в материале, появляются субмикроскопические нарушения сплошности, развиваются трещины. Это вызывает изменение частоты и амплитуды колебаний испытуемого образца. При изменении частоты сигнала, поступающего в цепь обратной связи автоколебательной установки, происходит сдвиг его фазы на некоторый угол, и система выходит из режима автоколебаний. Ответственность за изменение угла запаздывания запаззазапаздывания сигнала в цепи обратной связи лежит в основном на датчиках и фазовращающем устройстве, и меньшей степени на усилителе мощности. Следовательно, для поддержания режима автоколебаний системы с частотой, близкой к собственной частоте колебаний образца с инерционным грузом, при усталостных испытаниях в цепь обратной связи необходимо вводить блок для поддержания требуемого угла запаздывания, а эта довольно сложная задача.

На рис. 1 приведена схема обратной связи, которая позволяет обходиться без дополнительного блока поддержки требуемого угла запаздывания в процессе усталостных испытаний. В нее входят датчик, включающий два фотодиода, соединенных с входами триггера, и усилитель. Необходимый угол запаздывания сигнала устанавливается перемещением фотодиодов либо горизонтально, либо вертикально в плоскости перемещения испытуемого об-

разца. Конструктивно второй вариант выполняется легче. Фотодиоды располагаются симметрично относительно упругой линии образца. Необходимый угол запаздывания сигнала устанавливается перемещением фотодиодов датчика, тем самым обеспечивается подвод энергии в колебательную систему в момент, когда кинетическая энергия испытуемого образца с инерционным грузом максимальная.

Минимальное количество элементов, изменяющих фазовый угол сигнала при изменении частоты колебаний, позволяет проводить испытания образцов без регулирования сдвига фаз в процессе испытания.

Часто при проведении испытаний на циклический изгиб требуется точное измерение амплитуды колебаний образца. Обычно для точного измерения амплитуды используются осциллографы, которые не дают высокой точности из-за погрешностей тензоусилителей. На рис. 2 представлена схема измерения амплитуды колебаний испытуемого образца с помощью лазера 13 и зеркала О, наклеенного на инерционный груз 6.

Рис. 2. Принципиальная схема измерения амплитуды колебаний.

Световой луч лазера, попадая на зеркало, отражается на экран ВС. Из подобия треугольников АОгВ и АО,С получаем следующую зависимость определения амплитуды колебаний Ха

Ха=АО(АВ-АС)/(АВ+АС).

Чем больше расстояние от упругой линии испытуемого образца до экрана, тем точнее измерение амплитуды колебаний. Расстояние, равное двум метрам, обеспечивает погрешность измерения амплитуды колебаний менее 1 % при измерении отраженного луча лазера на экране с помощью обычной измерительной линейки.

При ускоренном определении предела выносливости материала по методу, изложенному в [7], пользуются отношением коэффициентов относительного рассеяния энергии при различных амплитудах нагружения к коэффициенту относительного рассеяния энергии, найденному при минимальной амплитуде колебаний Ф,

Д/ = Г =

.гиг.

__I II

/ 'Л',

где \ -ступень нагружения;

и -сила тока и напряжение на катушках; Т -длительность электрического импульса; Ха -максимальная амплитуда колебаний образца; ш -собственная частота колебаний. Для испытаний использовались образцы, изготовленные из стали 40х, рабочая длина 1_=170 мм, шириной а=30 мм, толщиной в=5мм. Термообработка образцов: закалка в масле, высокий отпуск, НВ235...280. Ускоренным способом испытывались 6 образцов, затем 25 аналогичных образцов испытывали классическим образом и строили кривую усталости. Пределы выносливости, найденные ускоренным способом, располагались в диапазоне от 326 до 358 МПа, на рис.3 этот диапазон обозначен А.

ни

Па'

•50

00

150

300

И Я

А Б

Я»-/

ЗА

¡.о

в.о

Рис. 3 Кривая усталости стали ДОХ.

Большой разброс величин пределов выносливости, найденных ускоренным способом, в некоторой степени определялся и нестабильностью колебательного процесса, большим отклонением максимальной амплитуды колебаний от средней линии. С этим можно бороться, укрепляя дополнительный инерционный груз на свободный конец образца. Добавив груз в 60 г, стабильность колебательного процесса повышается, но частота колебаний уменьшается со 130 гц до 90 гц, а это приводит к увеличению длительности испытаний.

Для разрешения этого противоречия предлагается модернизировать методику испытаний следующим образом.

В предлагаемом способе определения предела выносливости материала, образец циклически нагружают при ступенчатом увеличении уровня нагрузки, начиная от уровня меньше предела выносливости. Нагружение на каждой ступени осуществляют в режиме автоколебаний на резонансной частоте, определяют на каждой ступени относительную величину рассеяния энергии. В качестве характеристики рассеяния энергии используют отношение относительной энергии соответствующей ступени к относительной энергии первой ступени. Зависимость характеристики рассеяния энергии от уровня нагрузки определяют на первых двух ступенях нагружения (рис.4), затем нагрузку увеличивают непрерывно до скачкообразного увеличения отклонения максимальной амплитуды от средней линии (увеличение нестабильности) и скачкообразного уменьшения частоты колебаний испытуемого образца. Далее на этом уровне нагружения выдерживают требуемое число циклов до стабилизации колеба-

тельного процесса и по амплитуде колебаний судят о величине предела выносливости материала при условии, что величина относительного рассеяния энергии отвечает следующему отношению:

А3>1+(аз-а,К V1)/ (а2-а1>.

где д2, д,-отношение величин относительного рассеяния энергии, найденных на 2-й и 3-й ступени нагружения, к величине, найденной на первой ступени нагружения;

а, аг а, -амплитуды колебаний испытуемого образца на 1-й, 2-й и 3-й ступени нагружения соответственно, измеренные после стабилизации колебательного процесса.

Рис. 4.1. Диаграмма нагружения образца.

Рис. 4.2. Схема определения предела выносливости.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, где на рис. 4.1 показано изменение средней амплитуды нагружения испытуемого в режиме автоколебаний образца во времени, а на рис.4.2-график зависимости отношения величины относительного рассеяния энергии на каждой ступени =у/ч>, нагружения к её величине на первой ступени от амплитуды колебаний образца.

По результатам, полученным в процессе регистрации параметров колебательного процесса на первых двух ступенях нагружения, расположенных ниже предела выносливости, строят график зависимости от амплитуды колебаний образца, то есть строят прямую линию. Затем нагрузку увеличивают непрерывно, за счет повышения напряжения в цепи обратной связи автоколебательной системы. Увеличение амплитуды колебаний испытуемого образца происходит при нестабильном процессе работы колебательной системы до тех пор, пока отклонение амплитуды колебаний от средней линии не начнет скачкообразно увеличиваться, а частота резонансных колебаний уменьшаться скачком на доли процента, это говорит о резком увеличении рассеивания энергии в колебательной системе. Далее подвод энергии в колебательную систему оставляют на этом уровне, выдерживают заданное число циклов нагружения до стабилизации колебательного процесса, фиксируют параметры колебательного процесса (II,, .1,, Т5, а , со,), определяют д,, наносят полученную точку на график, точка должна расположиться выше прямой линии. Это говорит о том, что величина относительного рассеивания энергии в материале резко увеличивается. По расположению этой точки относительно прямой линии и параметрам

колебательного процесса, соответствующим ей, судят о величине предела выносливости материала (рис. 4.2). Если по каким-то причинам точка совпала с прямой линией, процесс повторяют.

По предложенной методике ускоренным способом испытывались шесть образцов из экспериментальной партии, результаты представлены на рис.Э, диапазон Б. Ширина диапазона рассеивания пределов выносливости от 325 до 356 МПа.

Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная методика ускоренных испытаний образцов при нестабильном колебательном процессе, не уступает по точности способу, изложенному в работе [7], а по продолжительности в несколько раз меньше за счет уменьшения количества ступеней нагружения.

Литература

1. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов.-М.: Металлургия, 1976.-455 с.

2. Трощенко В Т. Усталость и неупругость металлов -Киев: Наук.думка,1971.-470с.

3. Кузьменко В.А. Усталостные испытания на высоких частотах нагружения.-Киев:Наук. думка, 1979.-336 с.

4. Васинюк И.М., Самгин В.А. Об ускоренном определении предела выносливости материала // Проблемы прочности.-1972.-№6.-С. 120-123.

5. Самарин В.К. Возможности контроля повреждаемости материалов по изменению частоты собственных колебаний образцов// Проблемы.-1978.-№6.-С.61-64.

6. Лаврович Н.И. Возможности контроля изменения физических и механических свойств материала, испытываемого на усталость в режиме автоколебаний, по изменению параметров колебательного процесса.-М.,1987.-12с.-Деп. В ВИНИТИ 01.09.86, №6366.

. 7. Лаврович Н.И. к вопросу о контроле усталостной повреждаемости материала.-М.,1988.-15с.- Деп. В ВИНИТИ 16.06.88, №4758.

БЕЛЫЙ Василий Дмитриевич - д.т.н., профессор кафедры «Сопротивление материалов» ОмГТУ. ЛАВРОВИЧ Николай Иосифович - к.т.н., доцент, докторант ОмГТУ.

ю А БУРЬЯН НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ

В. Н. СОРОКИН

ПОСТРОЕНИЯ МОЩНЫХ

Омский государственный

технический университет ТРАНСПОРТИРУЕМЫХ УДК 624 042 7 550 834 ВИБРАЦИОННЫХ

СЕЙСМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

ДАН КРАТКИЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ МОЩНЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ. ПРЕДЛОЖЕН НОВЫЙ СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗРАБОТАНА МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕЙСМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ДАННОГО КЛАССА. АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ) КОЛЕБАНИЙ МАСС ИСТОЧНИКА, ПОСТРОЕННЫЕ НА ОСНОВАНИИ АНАЛИЗА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, ДОКАЗЫВАЮТ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛОЖЕННОГО СПОСОБА ПОСТРОЕНИЯ.

Решение вопросов ВПЗ (вибрационного просвечивания Земли) требует создания вибрационных сейсмических источников, оказывающих значительные воздействия на грунт в диапазоне 1-10 Гц. Использование таких источников для региональной сейсморазведки и увеличения отдачи нефтяных залежей предъявляет, кроме того, требование к их транспортабельности.

Построение мощных сейсмических источников связано с рядом технических трудностей. Главной из них является создание объекта, на который бы опирался или от которого отталкивался бы исполнительный орган генератора силы, воздействующий на виброплиту. В настоящее время реализовано два способа нагружения грунтового основания, обеспечивающих безотрывную работу виброплиты.

Первый способ представляет собой конструкцию, в которой возбудитель вибраций установлен на виброплиту, выполняющую не только функцию излучателя энергии, но и функцию инерционной массы. При этом вес виброплиты должен быть не меньше амплитуды силы р развиваемой возбудителем вибраций.

//////////

Рис.1. Схема построения вибрационного сейсмического источника первым способом.

1 • возбудитель вибраций дебалансного типа,

2 - виброплита

Удельные давления на фунт зависят в этом случае от веса виброплиты С и амплитуды силы Р и определяются как:

ц = (0 +Л/5 где:

д - удельные давления на фунт; б - вес виброплиты;

Р - амплитуда силы возбудителя вибраций; Б - площадь виброплиты.