СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ НА ВИБРОСТЕНДЕ
TEST METHOD OF STRUCTURAL COMPONENTS ON VIBRATION BED

Изобретение относится к способам испытания элементов конструкции на вибростенде и может быть использовано при усталостных испытаниях или при сравнительной диагностике элементов конструкции.
Известно, что лопатки турбин и вентиляторов одной серии, штатно закрепленные на столе вибростенда, на выбранной форме колебаний, считаются нагруженными одинаково, если у них одинаковы амплитуды перемещений выбранной точки лопатки, или одинаковы амплитуды виброскорости, или одинаковы амплитуды виброускорения стола вибростенда (Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. / М: Металлургия, 1978 г. - 304).
Известен способ испытаний материалов на усталость, в соответствии с которым при фиксированном значении одного из параметров цикла циклически нагружают до разрушения ряд однотипных образцов различными для каждого из них напряжениями, характеризующими второй параметр цикла, фиксируют при каждом значении этого испытательного напряжения количество циклов до разрушения, после чего строят так называемую кривую усталости (кривую Велера), представляющую собой, при фиксированном значении одного из параметров цикла, зависимость долговечности материала, определяемой числом циклов до разрушения, от величины испытательного напряжения (И.А.Одинг. Циклическая прочность металлов. Издательство АН СССР, М., 1962 г.).
Кривые усталости, полученные указанным образом для циклов с различными коэффициентами асимметрии, являются одними из самых точных и достоверных источников информации об усталостных характеристиках материалов, однако, большая длительность и дороговизна усталостных испытаний, которые проводятся до разрушения, являются существенными недостатками указанного способа.
Известен способ испытаний на усталость (тепловой), в соответствии с которым симметричными циклами при различных уровнях нагрузки нагружают до разрушения эталонные образцы, определяют калибровочную зависимость количества циклов до разрушения от величины нагрузки, после чего циклически нагружают, изменяя последовательными ступенями параметры цикла, по меньшей мере, один испытуемый образец, при этом на каждой ступени нагружения испытуемого образца регистрируют инфракрасное излучение с его поверхности, по интенсивности излучения измеряют приращение температуры в месте локального разогрева образца и определяют зависимость приращений температуры от величины нагрузки и коэффициента асимметрии цикла, после чего по калибровочной зависимости для каждого приращения температуры находят соответствующее число циклов до разрушения (пат. РФ №2252409, опубл. 20.05.2005 г., Бюл. №14. - 3 с.).
Этот способ обеспечивает хорошую воспроизводимость, достоверность результатов, является неразрушающим, бесконтактным, обеспечивает дистанционный съем информации, обладает простотой и технологичностью.
Недостатком известного технического решения является неодинаковое нагружение лопаток на вибростенде при одной и той же нагрузке на столе вибростенда, приводящее к дополнительному разбросу по пределу усталости и по долговечности даже для внешне одинаковых лопаток. Этот дополнительный разброс зависит не от свойств материала лопатки, а и от технологии ее изготовления (допусков на геометрические размеры, форму и т.д.), от особенностей нагружения лопатки при проведении испытаний.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в повышении корректности, а следовательно, и в повышении достоверности результатов вибрационных испытаний элементов конструкций и приводит к уменьшению разброса результатов их усталостных испытаний путем учета комплекса параметров, определяющих динамическую жесткость каждого испытуемого элемента.
1
i
1
i
1
i
Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе испытаний элементов конструкций на вибростенде, включающем закрепление внешне одинаковых элементов конструкции на столе вибростенда, нагружении их на выбранной форме колебаний, например, с максимальными амплитудами перемещения выбранной точки элемента, которые определяются комплексом параметров, характеризующих динамическую жесткость каждого элемента. При этом определяют наибольшую амплитуду колебания каждого i-ого испытываемого элемента по формуле: , а при усталостных испытаниях для увеличения нагрузки на каждый последующий элемент конструкции в β раз по сравнению с первым элементом, взятым за эталон, наибольшую амплитуду колебаний каждого элемента конструкции определяют по формуле: , где А и А - наибольшие амплитуды колебаний 1-го и i-ого элемента, m и m - их массы, ω и ω-частоты собственных колебаний этих конструктивных элементов на выбранной форме колебаний.
По сравнению с известным, заявляемое техническое решение обладает следующими существенными признаками:
- для создания одинаковой нагрузки на все элементы конструкции на выбранной форме колебаний, наибольшую амплитуду колебаний каждого испытываемого элемента с учетом его динамической жесткости определяют по формуле: ;
- при усталостных испытаниях для увеличения нагрузки на каждый последующий элемент конструкции в β раз по сравнению с первым элементом, взятым за эталон, наибольшую амплитуду колебаний каждого элемента конструкции определяют по формуле: .
По всем отличительным признакам проведен патентный поиск. Аналогичных технических решений со сходными признаками не найдено. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна» и «уровень техники».
Неодинаковое нагружение лопаток на вибростенде при их усталостных испытаниях и при сравнительной диагностике, при одной и той же нагрузке на столе вибростенда, приводит к дополнительному разбросу по пределу усталости и по долговечности даже для внешне одинаковых лопаток. Этот дополнительный разброс зависит не от свойств материала лопатки, а от особенностей ее нагружения при проведении испытаний. Дополнительный разброс суммируется с разбросом по пределу усталости или по долговечности, характерным для материала лопатки и для технологии ее изготовления.
Поэтому для уменьшения дополнительного разброса при усталостных испытаниях и при сравнительной диагностике усталостных характеристик отдельных лопаток турбин и вентиляторов, например, тепловым способом, независимо от условий закрепления лопаток в вибростенде и допусков на конструктивные размеры, лопатки должны нагружаться одинаково.
Для обеспечения одинаковых условий нагружения лопаток, величину нагрузки, прикладываемой к данной лопатке, характеризуют комплексом параметров, которые зависят от геометрических размеров, веса данной лопатки и условий ее закрепления в зажиме стенда. В этот комплекс входят: масса лопатки, наибольшая амплитуда колебаний выбранной точки ее свободного конца и динамическая жесткость лопатки для этой точки на выбранной форме колебаний.
1
1
i
i
1
i
1
i
Пусть к 1-ой и к i-ой лопаткам приложена, на выбранной форме колебаний, одинаковая динамическая нагрузка Р, тогда для 1-ой лопатки Р=cA, а для i-ой лопатки Р=cA, где c и с - коэффициенты динамической жесткости 1-ой и i-ой лопаток для формы колебаний, на которой производится диагностика, А и А - наибольшие амплитуды колебаний в точке свободного конца этих лопаток на используемой форме колебаний.
iпр
i
i
пp
1пр
1
1
пр
1
i
1
i
пр
пр
2
2
Если i-ую лопатку, закрепленную в стенде и представляющую собой колебательную систему с распределенными параметрами, мысленно заменить на приведенную систему с одной степенью свободы, когда вся масса лопатки приведена к точке свободного конца лопатки, в которой наибольшая амплитуда колебаний, то коэффициент динамической жесткости такой приведенной системы: с=mω k. Аналогично, для 1-ой лопатки: с=mω k. Здесь ω и ω, m и m - собственные частоты колебаний лопатки, на используемой форме колебаний, и массы 1-ой и i-ой лопаток, k - коэффициент приведения распределенной массы лопатки к системе с 1-ой степенью свободы. Эту наибольшую амплитуду легко измерить, например, с помощью катетометра. Если приведение производится, например, по кинетической энергии, то k - коэффициент приведения зависит, в основном, от формы колебаний, которая у всех лопаток данной серии практически одинакова.
Так как отношения динамических жесткостей 1-ой и i-ой лопаток для реальной и для приведенной систем одинаковы:
1
i
1пр
iпр
1
1
i
i
2
2
c/c=c/c=mω /(mω ),
то получим, что i-ая лопатка будет нагружена одинаково с 1-ой лопаткой, если ее амплитуда
Таким образом, для того, чтобы при усталостных испытаниях серии внешне одинаковых лопаток (или при ранжировании лопаток данной серии по пределу усталости и по долговечности), лопатки, закрепленные в вибростенде, на выбранной форме колебаний были нагружены одинаково, необходимо, чтобы динамическая нагрузка, действующая на каждую лопатку на выбранной форме колебаний, характеризовалась максимальной амплитудой колебаний точки свободного конца лопатки с учетом динамической жесткости лопатки, зависящей от собственной частоты колебаний и массы лопатки.
1
i
Если при проведении усталостных испытаний 1-я лопатка испытывалась с амплитудой A, то i-ая лопатка должна испытываться при амплитуде A, определяемой по формуле (1). При этом i-ая лопатка будет нагружена одинаково с 1-ой лопаткой. Если при проведении усталостных испытаний необходимо поднять нагрузку i-ой лопатки в β раз по сравнению с 1-ой лопаткой, то i-ую лопатку необходимо испытать при амплитуде
При этом наибольшая амплитуда колебаний точки свободного конца одной из лопаток серии, например, 1-ой лопатки, берется за эталонную амплитуду.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом:
Диагностику проводили на вибростенде по пределу усталости 18-и лопаток турбин одной серии тепловым методом, не повреждающим лопатки. В результате этой диагностики выбирали две самые хорошие и две самые плохие лопатки. Для диагностики лопаток по пределу усталости использовали тепловой способ ранжирования деталей по долговечности (пат. РФ №2252409, опубл. 20.05.2005 г., Бюл. №14. - 3 c.), так как для наклонного участка кривой Велера, результаты ранжирования по долговечности и по пределу усталости совпадают.
Ранжирование этих лопаток на вибростенде по пределу усталости тепловым методом проводили на 1-ой форме колебаний: по схеме 1 - при постоянной для всех лопаток наибольшей амплитуде колебаний, и по схеме 2 - при приведенной по формуле (1) для каждой лопатки наибольшей амплитуде колебаний.
Затем эти 4 лопатки были испытаны на усталость по штатной методике без учета динамической жесткости, т.е. при постоянной наибольшей амплитуде колебаний в точке свободного конца этих лопаток. Полученные по штатной методике пределы усталости этих лопаток совпадают с результатами ранжирования тепловым способом по схеме 2, если значения пределов усталости, полученные по штатной методике, скорректировать с учетом наибольших амплитуд каждой лопатки, подсчитанных в соответствии с формулой (1), т.е. если учитывать динамическую жесткость каждой лопатки.
Следует отметить, что, учитывая формулу (1), можно одинаково нагружать в вибростенде не только лопатки, но и другие детали, испытываемые на усталость, а используя формулу (2), проводить усталостные испытания этих деталей при разной нагрузке, что необходимо, например, для корректного построения кривой Велера.
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет повысить корректность, а следовательно, и достоверность результатов вибрационных испытаний элементов конструкций и уменьшить разброс результатов их усталостных испытаний.