УСТАНОВКА ДЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ДЕТАЛЕЙ НА ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям образцов материалов и деталей машин на усталость и ресурс работы.
Методы испытаний образцов материалов наиболее полно изложены в фундаментальной монографии Л.М. Школьника [1]. Применение того или иного метода определяется целью исследования. Для усталостных испытаний обеспечивают различные виды нагружения образца, затем изучают его свойства, например положение и размеры микротрещин. Количество циклов нагружения образца определяет его полный ресурс работы.
Известна установка для усталостных испытаний образцов материалов [4]. Установка позволяет проводить испытания на усталость двух образцов. Образцы материала закрепляются на пассивных захватах принадлежащим концам двух реек, а активные захваты соединены с инерционными грузами. Эти две рейки сопряжены с двухзвенником, за счет которого пассивные захваты получают встречное движение. Осевое перемещение реек обеспечивается от привода через механизм возвратно-поступательного движения, дополнительную рейку и два сопрягаемых зубчатых колеса.
Функционально элементы кинематики от привода до активного захвата образуют устройство нагружения.
К основным недостаткам этого устройства следует отнести:
- отсутствие информации о текущем состоянии образцов материалов. Состояние образцов можно определить только остановив процесс и изучив образцы;
- конструкция устройства нагружения сложна. Изменения режима испытаний требует подбора отдельных элементов (грузов, пружины);
- наличие зазоров в кинематических парах и их износ создают неопределенность режима при длительных испытаниях.
Установка для испытания образцов материалов на усталость [3] обеспечивает одновременно деформации растяжения-сжатия и кручения образца. Образец материала закрепляется в пассивном захвате на основании установки и в активном захвате, установленном на двухплечем рычаге. Одна кинематическая цепь от привода через кривошипно-шатунный механизм и ползун с пружиной создает осевую нагрузку на образец, две другие кинематические цепи, в которых имеются дополнительные гибкие тяги перекинутые через блоки, обеспечивают пару сил на концах рычага с активным захватом, создавая деформацию кручения образца.
Этой установке свойственны те же недостатки, что и предыдущей: отсутствие информации о текущем состоянии образцов материалов; сложность конструкции; влияние на режим испытания зазоров и износа в кинематических цепях устройства нагружения.
Установка для испытания группы образцов на усталость [2] содержит устройство нагружения из нескольких кинематических цепей, каждая из которых оканчивается активным захватом образца. Нагружение образцов обеспечивается приводом через вал с рамами, которые через рычаги, взаимодействующие с подпружиненными поршнями, толкателями и роликами, создают осевую нагрузку образца. Другая кинематическая цепь через поворотный рычаг активного захвата реализует кручение образца и третья кинематическая цепь - изгиб.
Установка содержит множество кинематических пар, конструктивно сложна. Как следствие низкая надежность и влияние зазоров и износа кинематических пар устройства нагружения на режим испытаний.
Установка для испытания материалов на усталость [5] предназначена для испытания кольцевых образцов в условиях взаимодействия с поверхностно-активным веществом. Устройство нагружения этой установки содержит приводы двух дисков, связанных гибким элементом, который взаимодействует с поверхностью кольцевого образца, установленного на основании, приводя его во вращение. Диски установлены на платформе, которая имеет свой привод с эксцентриком. Качающаяся платформа обеспечивает взаимодействие гибкого элемента с поверхностно-активным веществом, налитым в сосуд под дисками.
Здесь устройство нагружения также достаточно сложно, содержит три привода. Информация о результатах испытания может быть получена только после анализа образца. Рассматриваемая установка имеет узкий диапазон по типоразмерам образцов - только кольцевые образцы.
Прототипом является установка для испытания материалов на прочность [6]. Устройство нагружения в этой установке выполнено в виде качающегося двухплечевого рычага, на каждом плече которого с помощью фиксаторов установлены дугообразные направляющие. На этих направляющих с помощью роликов на рейках подвешены грузы. На некотором расстоянии от центра вращения рычага установлен активный захват образца, а пассивный захват закреплен на основании. Испытания проводят обеспечивая на одном плече рычага с помощью груза силу сжатия, при этом за счет перемещения ролика с грузом по направляющей второго плеча в режиме свободных колебаний создают переменную составляющую силы на образец. Поменяв функции плеч, проводят испытание при постоянной и переменной составляющих растягивающей силы.
Этому устройству свойственны те же недостатки, что и аналогам - отсутствие текущей информации о состоянии испытываемого образца материала; элементы устройства нагружения подвержены износу; при длительных испытаниях на каждом цикле задания переменной составляющей силы необходимо перемещать груз с рейкой и роликом в исходное положение.
Таким образом, известные установки для усталостных испытаний могут быть сведены к общей структурной схеме, состоящей из последовательно соединенных функциональных блоков: испытуемая деталь с захватами - устройство нагружения - источник энергии (преимущественно источник тока). Известные устройства имеют сложную конструкцию устройства нагружения. Кинематические цепи этих устройств имеют зазоры в кинематических парах, как следствие в процессе эксплуатации с учетом износа режим нагружения не остается постоянным. Наличие зазоров приведет к разбросу результатов испытаний на разных экземплярах установок. Все известные установки не дают информации о ресурсе работы деталей.
На практике актуальна задача не только обеспечить необходимый режим нагружения, но и выявить остаточный ресурс детали. В качестве примера возьмем детали агрегатов авиационной техники. В этом случае использованный ресурс работы определяют по полетному времени. Фактически детали работают больше, т.к. агрегаты самолета работают значительное время в процессе подготовки к взлету на этапе прогрева и проверки систем. Возможность выявления остаточного ресурса работы ответственных деталей при регламентных процедурах позволит избежать ошибок в оценке надежности работы агрегатов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является выявление остаточного ресурса работы деталей.
Теоретической основой предлагаемой установки для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс является зависимость текущей деформации детали при заданной нагрузке в функции количества циклов нагружения. Для упрочняемых материалов характер этой зависимости известен [1, стр.62]. На начальном участке происходит упрочнение материала, следовательно деформация уменьшается. Далее в процессе нагружения появляются дефекты в материале детали (происходит разупрочнение) и при той же нагрузке деформация начинает увеличиваться вплоть до разрушения детали.
На фиг.1 изображена конструктивная схема устройства нагружения (источник тока и счетчик ресурса, условно не показаны); на фиг.2 дан разрез по плоскости А-А (фиг.1); на фиг.3 приведена электрическая принципиальная схема электронного ключа; на фиг.4 изображена функциональная схема счетчика ресурса; на фиг.5 показаны эпюры напряжений на выходах отдельных функциональных устройств счетчика ресурса; на фиг.6 показан принцип работы преобразователя амплитуда-длительность счетчика ресурса.
В минимальной комплектации установка для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс содержит основание 1, на котором закреплена испытуемая деталь 2. Крепление детали в установке осуществляется с помощью пассивного захвата также, как крепление этой детали в реальном устройстве. На фиг.1 в качестве примера изображена лопатка турбины. В месте приложения внешней силы (точнее равнодействующей внешних сил) на испытуемой детали закреплен активный захват 3. В качестве элемента крепления активного захвата на схеме фиг.1 показан винт 4. На активном захвате винтом 5 закреплен стержень 6 из магнитомягкого материала. С кольцевым зазором по отношению к магнитопроводному стержню 6 на основании установки закреплена соленоидная катушка привода 7. Магнитопроводный стержень и соленоидная катушка привода расположены на одной осевой линии, совпадающей с направлением деформации испытуемой детали в точке закрепления активного захвата. К соленоидной катушке подключены источник тока и счетчик ресурса детали. Эти два последних элемента на фиг.1 не показаны из соображений наглядности конструктивной схемы.
Работа установки для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс в описанной выше минимальной комплектации заключается в следующем. Переменная составляющая тока источника обеспечивает циклическое нагружение детали. Счетчик ресурса выявляет остаточный ресурс детали. Источник тока может иметь постоянную составляющую тока, в этом случае циклическое нагружение будет происходить относительно некоторой постоянной составляющей деформации детали.
В приведенном на фиг.1 примере испытуемая деталь испытывает либо чистый изгиб, либо, в случае смещенного от линии симметрии детали закрепления активного захвата, - изгиб с кручением. Испытанию на этой установке могут подвергаться любые детали, для которых внешние силы, действующие в реальном устройстве, могут быть сведены к равнодействующей силе. Переход на испытуемую деталь другой формы изменит лишь конструкцию пассивного и активного захватов.
u
0
0
Во многих реальных устройствах детали подвергаются циклической нагрузке на собственной частоте. В рассматриваемом примере лопатка турбины испытывает деформацию под действием потока газа, который турбулентен, следовательно из широкого спектра частот возмущения она будет «вырезать» собственную частоту. Для обеспечения испытаний на этом режиме возможна расширенная комплектация предлагаемой установки для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс. Установка снабжена второй соленоидной катушкой - катушкой освобождения 8. Эта вторая катушка установлена на основании установки и ориентирована по отношению к магнитопроводному стержню 6 аналогично катушке 7 привода, но относительно другого конца магнитопроводного стержня 6, при этом она соединена с источником тока и через электронный ключ - с катушкой привода 7. Электронная принципиальная схема одного из вариантов электронного ключа приведена на фиг.3З. Электронный ключ построен на транзисторе VT по схеме с общим коллектором. В схему входят два переменных (или постоянных, подбираемых при настройке) резистора R1 и R4, два постоянных резистора - базовый R2 и эмиттерный R3. Для развязки токов транзистора VT по постоянной составляющей имеются конденсаторы Cl, C2. Катушки привода 7 (W) и освобождения 8(W), в соответствии с приведенной схемой, по постоянной составляющей тока подключены через резисторы R4 и R1 к источнику Е, а по переменной составляющей - соответственно, через конденсаторы C2 и Cl к эмиттеру и базе транзистора VT. Выходной сигнал e электронного ключа поступает, как и в варианте минимальной комплектации, на вход счетчика ресурса.
0
0
Работает установка для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс при этой комплектации следующим образом. Резисторами R1 и R4 задают начальные токи в катушках освобождения 8 и привода 7. При этом начальный ток в катушке освобождения W требуется очень малым, поскольку мощность потребления сигнала e мала, а начальный ток в катушке привода Wu выбирается по величине постоянной составляющей прикладываемой к активному захвату силы. Если постоянной составляющей силы не требуется, то сопротивление резистора R4 устанавливают большим, тогда постоянным током по отношению к току импульса можно пренебречь.
0
u
0
0
u
u
0
0
u
0
u
u
u
u
u
o
u
0
0
При включении питания источника Е фронт напряжения обеспечит импульсы тока в катушках. В силу неравенства токов в катушках W и W взаимодействие магнитных полей катушек 7, 8 с магнитопроводным стержнем 6 через активный захват 3 создаст импульс силы, которая подтолкнет испытуемую деталь. После окончания фронта питания деталь окажется свободной и начнет совершать колебания на собственной частоте. При колебаниях в катушках 7, 8 будут индуцироваться электродвижущие силы (ЭДС), соответственно e=f(t) в катушке освобождения W и е=f(t) катушке привода W. Эти ЭДС будут иметь синусоидальную форму. ЭДС e в катушке освобождения W положительной полуволной (для изображенного транзистора проводимости n-p-n) откроет транзистор VT, который обеспечит импульс тока через катушку привода W. Взаимодействие поля катушки привода 7 с магнитопроводным стержнем 6 создает подталкивающую силу, которая обеспечит увеличение амплитуды колебаний. Далее система перейдет в стационарный режим колебаний, в котором подводимая энергия сравняется с рассеиваемой. Фазировка импульсов e и е осуществляется соблюдением подключения концов катушек. На этапе прохождения импульса тока в катушке привода W в ее цепи действуют два источника: Е и e. ЭДС e создаст небольшой провал вершины импульса, но в целом импульс тока будет близок к прямоугольному. Поскольку переход база - эмиттера транзистора является диодом, то импульс привода в катушке W будет только за время положительной полуволны ЭДС в катушке освобождения W. При смене транзистора на p-n-p проводимость все останется аналогичным, но следует изменить полярность подключения источника питания Е, при этом импульс тока в катушке W будет проходить за время отрицательной полуволны ЭДС e. Транзистор работает в режиме ключа, поэтому энергия импульса не зависит от величины деформации детали. Напротив, наводимая ЭДС пропорциональна амплитуде колебаний. Таким образом, ЭДС e будет отражать текущее значение цикловой деформации детали. Этот факт положен в основу работы счетчика ресурса.
Счетчик ресурса содержит следующие типовые элементы:
- однополупериодный выпрямитель 9;
- формирователь прямоугольник импульсов 10;
u
0 max
- преобразователь амплитуда-длительность - t=f(e)11;
- генератор опорной частоты 12;
- счетный триггер 13;
- конъюнктор сброса счетчиков 14;
- два конъюнктора счетчиков 15, 16;
- конъюнктор сброса выходных триггеров 17;
- два счетчика импульсов 18, 19;
0 max
- компаратор с п уровневым импульсным выходом - n=f(е)-20;
- схема сравнения 21;
- 2n выходных конъюнктора 22, 24;
- 2n выходных триггера 23, 25 (RS-триггеры);
- индикатор 26.
0
пар
0max
Поясним устройство некоторых функциональных элементов счетчика ресурса. Принцип работы преобразователя амплитуда-длительность 11 показан на фиг.6 Асимптотой зарядной цепи преобразователя является амплитудный уровень ЭДС e. Ограничивая экспоненту заряда на некотором достаточно низком уровне U получим однозначную связь между амплитудой импульсов освобождения e и длительностью выходных импульсов. Заметим, что начальный (достаточно малый) участок экспонент заряда можно аппроксимировать отрезком прямой, поэтому преобразование окажется линейным.
0
u
omax
omax
Компаратор 20 выполняет задачу дискретизации функции цикловой деформации детали δ=f(N), где δ - текущая деформация детали (в примере фиг.1 это прогиб); N - количество циклов нагружения. Поскольку амплитуда электрических импульсов в катушках W и W пропорциональна амплитуде деформации δ, то в электрическом смысле преобразуется функция e=f(N). Отсюда следует, что схематически компаратор представляет собой набор двухсторонних селекторов уровня. Уровни селекции задаются делителем напряжения компаратора, который питается напряжением, превышающим максимальное знание функции e=f(N).
Устройство сравнения схемотехнически выполняют весьма разнообразно. В частном случае его автономный элемент памяти может быть заменен на связи с формирователем амплитуда-длительность 11, выходом формирователя прямоугольных импульсов 10 и инверсным выходом счетного триггера 13. Поскольку все функциональные элементы счетчика ресурса выполняют известные (штатные) операции здесь их электрические принципиальные схемы не приводятся и отмеченный частный случай не рассматривается.
Индикатор 26 счетчика ресурса выполнен в виде набора индикаторных лампочек (светодиодов), которые своим пространственным положением отражают остаточный ресурс работы детали. Известная функция цикловой деформации детали δ=f(N) для упрочняемых материалов имеет минимум, соответственно для больших значений N эта функция возрастающая. Психологически целесообразнее ввести понятие функции качества К=f(N) в виде функции уменьшения деформации δ. В этом случае выходной участок функции К=f(N) окажется падающим (вплоть до точки разрушения), что и будет восприниматься пользователем как снижение качества, т.е. ресурса. На фиг.4 индикаторные лампочки изображены по стилизованной форме функции качества (ресурса) и для наглядности положение этих лампочек изображено согласованно с уровнем дискретизации.
0
0
0
k
0
Работает счетчик ресурса следующим образом. Синусоидальный сигнал e ЭДС катушки 7(W) поступает на вход однополупериодного выпрямителя 9 - см. фиг.4 - на его выходе будут однополярные импульсы, показанные на верхней эпюре фиг.5. Для наглядности на эпюру этих импульсов e положены уровни U компаратора. Для определенности будем полагать, что текущее состояние детали соответствует участку разупрочнения, на котором амплитуда деформации δ растет, соответственно и растет амплитуда сигнала e.
0
1
10
11
1
2
3
0max
0
4
3
20
5
6
Пусть в момент времени t=t фронтом включения питания триггеры 13, 23 и 25 установлены в нулевое состояние. При t=t появляется импульс на выходе выпрямителя 9. Одновременно запускаются формирователь прямоугольных импульсов 10 и преобразователь амплитуда-длительность 11 - см. эпюры U=f(t) и U=f(t). В этот же момент времени передним фронтом преобразователя 10 переворачивается счетный триггер 13. Прямой выход триггера 13 дает логическую единицу на вход конъюнктора 16 счетчика 19, обеспечивая прохождение импульсов опорного генератора на вход счетчика 19 в течении времени действия импульса преобразователя 11, т.е. в интервале от t до t. В это время конъюнктор 15 закрыт инверсным сигналом триггера 13. В момент времени t=t амплитуда е импульса e превышает некоторый i-й уровень компаратора 20 и на его i-м выходе в течении t=t-t появляется импульс - см. эпюру U=f(t). В момент времени t=t первый из рассматриваемых выходных импульсов выпрямителя 9 заканчивается импульс формирователя 10. При t=t появляется очередной импульс выпрямителя 9, формируется импульс формирователя 10, который своим передним фронтом переворачивает счетный триггер 13.
6
7
8
9
Счетный триггер 13 прямым выходом закрывает конъюнктор 16 и открывает конъюнктор 15. Поэтому в течении времени t…t очередного i+1 импульса формирователя 11 происходит заполнение счетчика 15. Схема сравнения 21 обеспечивает логическую единицу на своем выходе «+», если количество импульсов в счетчике 19 превышает количество импульсов в счетчике 18, соответственно - логическую единицу на выходе «-» для обратной ситуации. Для рассматриваемого участка функции качества логическая единица будет на выходе «+». Эта логическая единица поступает на входы n выходных конъюнкторов 2, на вторых входах которых в это время присутствует логическая единица инверсного выхода счетного триггера 13. В интервале времени от t=t До t=t на входах всех 2n выходных конъюнкторов 22, 24 появится импульс i+1 шины компаратора 20. Но конъюнкторы 22 закрыты выходом «-» схемы сравнения, поэтому будут открыты только конъюнкторы 24, следовательно сработает только i+1 выходной триггер 25 и будет высвечиваться лампочка  нисходящей ветви функции качества индикатора 26. При обратном соотношении количества импульсов на счетчиках 18, 19, соответственно, выход «-» схемы сравнения 21 обеспечит срабатывание i+1 триггера 23 восходящего участка функции качества и высвечивания лампочки .
11
10
20
10
10
20
8
18
15
25
H
B
Начиная с момента времени t=t цикл измерения будет повторяться. Сброс счетчиков 18, 19 осуществляется через конъюнктор 14 задним фронтом импульса формирователя 10, когда на инверсном входе счетного триггера 13 присутствует логическая единица (t=t…t=t)- Сброс выходных триггеров осуществляется также задним фронтом формирователя 10, когда на входе конъюнктора 17 присутствует логическая единица с прямого выхода счетного триггера 13. Таким образом, такт измерения равен периоду работы счетного триггера 13. Результат сравнения на выходе схемы 21 присутствует в интервале времени (t-t…t-t). Соответствующие выходные триггеры (23 или 25) будут устанавливаться в единичное состояние и обеспечивать включение лампочек (Л или Л) в моменты t, t. Сброс выходных триггеров, соответственно выключение индикатора, будет происходить в моменты времени t, t. Пользователь будет наблюдать одну мерцающую лампочку индикатора 26. В рассматриваемом случае это будет лампочка . Частота мерцания равна частоте переключения счетного триггера 13, т.е. в два раза ниже частоты цикла нагружения детали.
Усталостные испытания деталей на остаточный ресурс проводят следующим образом. Каждый экземпляр установки имеет свои паспортные параметры:
7
8
- активные R, R сопротивления катушек привода 7 и освобождения 8;
7
8
- индуктивности L, L катушек 7, 8;
k
- напряжение питания U делителя компаратора 20;
u
7
u
7
- зависимости F=f(I) силы F взаимодействия поля катушки привода 7 от величины тока I в катушке;
0max
8
8
- зависимости ЭДС е=f(I,f) от величины тока I в катушке освобождения 8 и частоты f колебаний;
Последовательность действий пользователя при производстве измерений ресурса деталей включает следующие операции:
1. Настройка установки на заданный режим нагружения:
- определяются с видом деформации (растяжение-сжатие, изгиб, сложное напряженное состояние) и по нему назначают требуемые силы нагружения. По этим данным из партии деталей, подлежащих измерению, берут деталь, по ней подготавливают пассивный и активный захваты, устанавливают деталь на основании 1 установки и корректируют положение катушек 7, 8 относительно магнитопроводного стержня 6.
c
- при произвольных уровнях тока в катушках дают небольшое возмущение активному захвату (например, легким ударом) и по ЭДС в любой из катушек определяют собственную частоту f системы;
uц
7ц
u
7
7ц
c
c
- по заданному для испытаний значению силы F в цикле определяют импульсный ток I в катушке привода 7, пользуясь зависимостью F=f(I). По величине этого тока вычисляют и устанавливают уровень Е источника электропитания, пользуясь законом Ома Е=I×Z, где  ω=πf (заметим, что первая гармоника импульсного режима имеет частоту в два раза меньше собственной f);
7П
u
7
7П
7П
7
7П
7П
- если по условиям нагружения детали требуется постоянная составляющая силы F, то по функции F=f (I) определяют необходимый ток I и его величину устанавливают резистором R4, пользуясь законом Ома: I=Е/(R+R4). В случае, когда постоянной составляющей F не требуется, выдерживают соотношение R4>>R7, при котором током I можно пренебречь (можно исключить резистор R4).
8П
0max
8
c
8П
0max
- предварительно резистором R1 устанавливают некоторое значение постоянного тока I в катушке освобождения 8 пользуясь зависимостью e=f(I+f) частоте f=f. Величина тока I должна быть согласована с параметрами электронного ключа (транзистора VT). Порядок величины e - единицы вольт.
omax
0max
- на установленных режимах проводят усталостные испытания детали до ее разрушения, измеряя амплитуду ЭДС e в катушке освобождения 8. Фиксируют значение e при разрушении детали -
8П
- пропорционально резисторам R1 корректируют величину тока I в катушке освобождения 8 так, чтобы скорректированный ток обеспечивал .
0max
Фактически это масштабирование тарировочной функции e=f(N).
2. Проведение испытаний на определение остаточного ресурса работы деталей.
Для определения остаточного ресурса деталей их устанавливают в пассивный и активный захваты и включают установку. Через несколько циклов автоматического нагружения (минимально через два цикла) результат измерения будет отражен на индикаторе 26 установки.
1. Школьник Л.М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973. - 216 с.
2. Установка для испытания группы образцов на усталость: пат. на изобретение 2017122 Рос.Федерация: МПК G01N 3/32/ заявитель и патентообладатель Власов В.П. - №5049670/28; заявл. 26.05.1992;опубл. 30.07.1994.
3. Установка для испытания образцов материалов на усталость: пат.на изобретение 2029281 Рос.Федерация: МПК G01N 3/32/ заявитель и патентообладатель Власов В.П. - №5040478/28; заявл. 29.04.1992; опубл. 20.02.1995.
4. Установка для усталостных испытаний образцов материалов: пат. на изобретение 2051359 Рос.Федерации: МПК G01N 3/32/ заявитель и патентообладатель Лодус Е.В. - №5003492/28; заявл. 26.09.1991; опубл. 27.12.1995.
5. Установка для испытания материалов на усталость: пат. на изобретение 2373512 Рос.Федерация: МПК G01N 3/32/ Лодус Е.В., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В.Плеханова (технический университет)» (RU) - №2008138480/28; заявл. 26.09.2008; опубл. 20.11.2009.
6. Установка для испытания материалов на прочность: пат. на изобретение 2374620 Рос.Федерация: МПК G01N 3/32/ Лодус Е.В., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)» (RU) - №2008130238/28; заявл. 21.07.2008; опубл. 27.11.2009. - Прототип.