Оценка ресурса несущей системы по результатам натурных динамических испытаний

УДК 621.81:539.4;621.01:539.4

С.Ю. Лушников, В.Е. Боровских

ОЦЕНКА РЕСУРСА НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАТУРНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

Рассмотрена проблема оценки ресурса элементов несущей системы машины на основании динамических испытаний.

S.Yu. Lushnikov, V.E. Borovskikh

CARRYING SYSTEMS RESOURCE ESTIMATION ON DYNAMIC TESTS RESULTS

The authors study carrying systems resource estimation in this paper.

They focus on the problem through dynamic tests’ results. It is presented in the article as well.

Обеспечение требуемой долговечности несущих систем машин, как на стадии технического проектирования, так и на стадии доводки опытного образца машины, является актуальной задачей, успешное решение которой в значительной мере приводит к сокращению сроков разработки и освоения в производстве новых транспортных машин, к повышению их конкурентоспособности и сокращению эксплуатационных затрат в будущем.

Как отечественный, так и мировой опыт оценки ресурса элементов несущих систем машин основан на расчетах, выполненных по записям переменных напряжений в условиях, приближенных к эксплуатационным [1]. При этом в качестве критерия точности оценок принимается реальный эксплуатационный ресурс несущей системы [2].

Однако многочисленные попытки оценки ресурса по результатам записей амплитудных напряжений в элементах конструкций, подверженных разрушениям, показали, что на данный момент результаты оценки еще далеки от реального ресурса в эксплуатации.

Известно, что напряжения, возникающие в элементах конструкции, носят случайный характер, поэтому обработка случайного процесса изменения амплитудных напряжений до недавнего времени представляла определенные трудности. В последнее время случайный процесс нагружения рекомендуют схематизировать одним из известных методов [3]. Наибольшие предпочтения исследователями отдается методам, которые позволяют получать оценки ресурса, близкие к эксплуатационным - метод «дождя» и метод полных циклов [4]. Считается, что данные методы схематизации достаточно полно описывают процесс накопления усталостных повреждений и имеют право на «жизнь». В то же время, оценка ресурса конструкций по записям амплитудных напряжений в эксплуатации чаще всего выполняется только по нормальным напряжениям. В большинстве случаев это связано с тем обстоятельством, что уровень касательных напряжений по сравнению с нормальными относительно мал. Однако экспериментальными исследованиями, выполненными авторами по определению напряженно-деформированного состояния несущей системы тяжелого полуприцепа, было установлено, что в некоторых сечениях несущей системы величина касательных напряжений в статике составляет до 30% от напряжений нормальных.

Как известно, физика процесса усталостного разрушения связана с максимальной величиной эквивалентного амплитудного напряжения и только косвенно с максимальной величиной переменного нормального напряжения.

Учитывая эти моменты: в нагружении - наличие нормальных и касательных напряжений в конструкции; в процессе усталостного разрушения - максимальные эквивалентные напряжения, в работе сделана попытка оценки роли касательных напряжений в процессе накопления усталостного повреждения.

С этой целью выполнен эксперимент по записям как нормальных, так и касательных амплитудных напряжений, причем в ходе эксперимента записывались значения относительных деформаций, которые с учетом тарировочного коэффициента позволяли получить значения действующих напряжений в конструкции.

Для измерения действующих значений напряжений в исследуемой конструкции применялся электротензометрический метод исследования напряженного состояния [5]. Зная зависимость между деформацией детали, сопротивлением датчика и напряжением, возникающим в детали, можно получить непосредственно величины деформаций и напряжений. В случае необходимости измерения напряжений во взаимноперпендикулярных направлениях применяли розетку, состоящую из двух датчиков, расположенных под углом 90° один к другому (рис. 1). Датчик, наклеенный вдоль оси Х, измеряет относительную упругую деформацию гх, второй датчик, наклеенный вдоль оси У, измеряет деформацию гу. В случае, когда при исследовании плоского напряженного состояния в элементах конструкции или детали машины, необходимо определить величину касательных напряжений, то розетки из двух взаимно-перпендикулярных датчиков не дают нам возможности определить касательные напряжения. Для получения полной характеристики напряженного состояния в точке детали необходимо применять розетку датчиков, состоящую из трех проволочных датчиков омического сопротивления (рис. 2).

Рис. 1. Розетка из двух датчиков Рис. 2. Розетка из трех датчиков

Записи значений относительной деформации для исследуемой конструкции выполнены для двух розеток (рис. 3, 4), наклеенных на несущем куполе специального низкопольного автомобиля для перевозки инвалидов в колясках.

Для записи переменных амплитудных напряжений разработана измерительная система на базе платформы с процессором «ІПеІ - Репйит 1» для регистрации сигналов от 8 тензодатчиков в частотном диапазоне от 0 до 10 Гц. Данный тензометрический комплекс состоит из следующих компонентов (рис. 5):

• Плата АЦП «ЛА-70М4» предназначена для сбора данных и рассчитана на использование с ІВМ совместимыми компьютерами. Она содержит три функциональных устройства: аналого-цифровой канал (АЦК) с 12-разрядным аналого-цифровым

преобразователем (АЦП) (время преобразования 70 мкс), 16-разрядный цифровой порт (ЦП) и схему обработки прерываний. Плата АЦП «ЛА-70М4» обеспечивает ввод и вывод 16 цифровых и ввод в компьютер 16 аналоговых сигналов, преобразованных в цифровую

форму. Коммутатор платы позволяет обеспечить поочередное подключение 8 входных линий от тензоусилителя к входу АЦП;

• Плата сопряжения (адаптер) согласует выходные сигналы тензоусилителя «Топаз-3» с платой АЦП «ЛА-70М4»;

• Тензоусилитель десятиканальный ТОПАЗ-З предназначен для усиления выходного сигнала тензометрических, терморезисторных, фотодиодных и других параметрических датчиков, собранных как по мостовой, так и по полумостовой схемам, а также термопар;

• Тензодатчик представляет собой полоску тонкой бумаги, на которую наклеивается так называемая решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 00,02-0,05 мм, сверху покрытой слоем лака. В основе работы тензодатчика лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводника при его деформации.

Рис. 3. Несущий купол Рис. 4. Схема наклейки датчиков

Рис. 5. Блок-схема тензометрического комплекса

С помощью данного тензометрического комплекса фиксировались амплитудные значения относительных деформаций, возникающие в несущей системе исследуемого объекта в ходе проведения динамических испытаний.

Рис. 6. Фрагмент записанного случайного процесса изменения величин амплитудных напряжений

Переменные значения относительной деформации тензодатчиков, записанные на жесткий диск персонального компьютера посредством платы сбора данных АЦП «ЛА-70М4», представляют собой записи случайных процессов (рис. 6).

В дальнейшем по записям величин деформаций в тензодатчиках розетки рассчитывались переменные касательные напряжения [6]

т =

Е ( 8х+ 8у

845 - у

2

где т - касательное напряжение; Е - модуль упругости первого рода; д - коэффициент Пуассона; 845 - относительная упругая деформация под углом 45°; 8Х - относительная упругая деформация вдоль оси Х; 8у - относительная упругая деформация вдоль оси У.

Процессы изменения величин амплитудных напряжений сХ, су и т приведены на

рис. 7.

Нормальные напряжения по X Нормальные напряжения™ V Касательные напряжения

Рис. 7. Амплитудные напряжения ох, оу и т

Полученные случайные процессы по нормальным и касательным напряжениям схематизировались методом полных циклов и по результатам обработки рассчитывались ресурсы конструкции только по нормальным напряжениям, и ресурсы по нормальным и касательным напряжениям.

Усталостная долговечность по нормальным амплитудным напряжениям рассчитана по зависимости [4]

X V,-

где Ха - усталостная долговечность; т - наклон левой ветви кривой усталости; а-1д -предел выносливости при симметричном цикле; - абсцисса точки перелома кривой

усталости; аа/ - амплитудное напряжение, соответствующее /-му блоку нагружения; -

число циклов в блоке нагружения.

Формула для расчета усталостной долговечности с учетом касательных амплитудных напряжений аналогична приведенной выше для Ха.

Медианная долговечность конструкции, учитывающая нормальные и касательные напряжения, имеет вид [4]

Х =

{^к+уГк)

По результатам оценки ресурса можно сделать следующие выводы:

• Уровень амплитудных касательных напряжений, полученных в результате эксперимента, находится в пределах одного порядка с нормальными напряжениями.

• Оценки величин ресурсов, выполненные по нормальным и касательным напряжениям, в 2-4 раза меньше оценок, полученных только по нормальным напряжениям.

С целью решения вопроса о методе оценки ресурса конструкции с учетом нормальных и касательных напряжений планируется в дальнейшем проведение полномасштабного эксперимента при различных соотношениях амплитудных нормальных и касательных напряжений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриченко С. С. Расчет средней долговечности рам троллейбусов по результатам тензометрирования / С.С. Дмитриченко, В.Е. Боровских // Вестник машиностроения. 1975. № 9. С. 78-83.

2. Дмитриченко С.С. Параметры распределения эксплуатационного ресурса рам троллейбусов / С.С. Дмитриченко, В.Е. Боровских, А.Н. Солянов // Автомобильная промышленность. 1973. № 7. С. 23-29.

3. ГОСТ 25.101-83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистические представления результатов. М.: Изд-во стандартов, 1983. 29 с.

4. Когаев В.П. Прочность и износостойкость деталей машин: учеб. пособие для машиностр. спец. вузов / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. М.: Высшая школа, 1991. 319 с.

5. Электрические измерения неэлектрических величин / А.М. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина и др. Изд. 5-е, перераб. и доп. Л.: Энергия, 1975. 576 с.

6. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов / В.И. Феодосьев. М.: Наука, 1974. 560 с.

Лушников Станислав Юрьевич -

аспирант кафедры «Теория механизмов и детали машин»

Саратовского государственного технического университета

Боровских Валентин Ефимович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Теория механизмов и детали машин» Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 17.07.07, принята к опубликованию 15.01.08