65343

Удосконалення динамічної діагностики структурно-неоднорідних деталей ДТЗ

Автореферат

Логистика и транспорт

Інтересом до розробки достовірної методики динамічних розрахунків деталей нової техніки об’єднаних в загальний клас структурно– неоднорідних об’єктів в міцністних розрахунках яких необхідно враховувати як природу...

Украинкский

2014-07-28

940.5 KB

0 чел.

PAGE  20

Національний транспортний універсИтет

Писанець Олександр Олександрович

УДК 629.113.004.558

УДОСКОНАЛЕННЯ ДИНАМІЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ

СТРУКТУРНО - НЕОДНОРІДНИХ ДЕТАЛЕЙ ДТЗ

Спеціальність 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Технічна експлуатація автомобілів» Автомобільно-дорожнього інституту Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Вовк Леонід Петрович,

Aвтомобільно-дорожній інститут Донецького

національного технічного університету

завідувач кафедри «Вища математика».

Офіційні опоненти:   доктор технічних наук, професор

Посвятенко Едуард Карпович,

Національний транспортний університет,

професор кафедри «Виробництво,

ремонт та матеріалознавство»;

кандидат технічних наук, доцент

Магопець Сергій Олександрович,

Кіровоградський національний технічний університет,

доцент кафедри «Експлуатація та ремонт машин»

Захист відбудеться «24» грудня 2010 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий «18» листопада 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради                С.В. Ковбасенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтересом до розробки достовірної методики динамічних розрахунків деталей нової техніки, об’єднаних в загальний клас структурно–неоднорідних об’єктів, в міцністних розрахунках яких необхідно враховувати як природу неоднорідності, так і специфіку їх контактного або вібраційного навантаження, визначається актуальність теми дисертації. Проблематика роботи набуває важливої практичної цінності у зв’язку із застосуванням з істотно неоднорідних матеріалів в різних галузях промисловості і будівництва конструкційних елементів. У багатьох випадках це відповідальні та дорогі деталі несучих конструкцій, що піддаються високочастотним вібраціям, до яких пред’являються підвищені вимоги надійності і економічності.

У машинобудуванні практично повсюдно відпрацьована практика зміцнення зовнішньої поверхні деталі різними методами (цементація, нітроцементація, гальванізація, гарт). У зв’язку з цим область зовнішньої поверхні деталі за механічними властивостями відрізняється від серцевини. Природно, при деформації таких технологічно неоднорідних по структурі деталей виникають локальні динамічні ефекти, які приводять до концентрації напруги в проблемних зонах перетину деталі і які технічними засобами діагностувати складно. До теперішнього часу ці проблеми не отримали завершеного рішення. При створенні математичної теорії розрахунків вказані особливості породжують великі труднощі, які залишаються значною мірою не подоланими, а наявні окремі рішення не задовольняють повною мірою інженерну практику.

Надійність роботи дорожніх транспортних засобів (ДТЗ) є однією з головних експлуатаційних властивостей. Багато в чому вона залежить від працездатності деталей двигуна, оцінка технічного стану яких потребує використання ефективних діагностичних засобів.

Особливо необхідні засоби і методика контролю при виникненні раптових відмов ДТЗ, які завадять ДТЗ виконувати свої транспортні функції при самих несприятливих умовах. Дуже небезпечними при цьому є процеси руйнування деталей, що можуть бути обумовлені появою на первинних стадіях незначного порушення суцільності матеріалу – тріщини.

Характерними роботами при поточному ремонті двигуна є заміна поршневих пальців. За допомогою контрольного інструмента, приладів і пристосувань визначають технічний стан виробу й порівнюють його з технічними умовами. Ознакою непридатності деталі до її подальшого використання є тріщини, задирки, вм’ятини, сліди корозії, пристале викришування й т.п.

У багатьох випадках необхідно відрізняти ранні від розвинених або заключних стадій руйнування, тобто ступінь розвитку тріщин у даному стані, наприклад, кінетику розвитку тріщин.

Важливим є прогнозування моменту переходу виробу в стан руйнування. Недопущення такого стану, що обумовлює раптову відмову, багато в чому залежить від чутливості методу фіксування перших тріщин.

Методи технічної експлуатації ДТЗ постійно змінюються, визначаються нові методи, які найбільше задовольняють призначення машин.

Широкий розвиток одержали засоби технічної діагностики деталей, що підлягають тертю.

Акустичну діагностику, тобто виконання діагностування з використанням параметрів коливального процесу пружнього середовища, використовують під час віброакустичного діагностування двигуна та інших агрегатів автомобіля. Задачею віброакустичного діагностування є виділення інформативного сигналу та розшифрування параметрів коливального спектру.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати наведених в роботі досліджень отримані при виконанні в Автомобільно-дорожньому інституті Донецького національного технічного університету держбюджетній науково-дослідній роботі Г 70-91 «Особливості хвильових полів в шматковонеоднорідних пружних областях прямокутної форми» (1991-1996 рр. № держ. реєстрації 01910055204), в якій автор був виконавцем. З січня 2004 р. автор - відповідальний виконавець нової держбюджетної теми Н 70-2004 «Розвиток теорії дослідження концентрації напруги в шматково-однорідних пружних тілах».

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є обґрунтування й розробка методики діагностування динамічного напружено-деформованого стану деталей транспортних засобів, що знаходяться у вібраційному полі, з урахуванням неоднорідності їх внутрішньої структури.

Для досягнення поставленої мети вирішувались завдання:

1. Аналіз методів рішення контактних завдань у тривимірній постановці з урахуванням складної геометричної конфігурації взаємодіючих тіл, попередніх натягів і зазорів між тілами, сил тертя в зонах взаємодії, зміни механічних характеристик металу приповерхніх контактуючих шарів технологічно неоднорідних деталей.

2. Вибір та обґрунтування методу дослідження напружено-деформованого стану порожніх циліндричних деталей ДТЗ в загальному випадку їх зовнішнього навантаження.

3. Розробка методики узагальнення методу суперпозиції для побудови рішення просторового динамічного завдання вібраційного деформування порожнистих циліндричних тіл з урахуванням технологічної неоднорідності матеріалу їх приповерхніх шарів, оцінити роль граничних умов у формуванні спектра власних частот і форм коливань.

4. Розробка методики діагностування динамічного напружено - деформованого стану поршневих пальців, що знаходяться у вібраційному полі, з урахуванням неоднорідності їх внутрішньої структури

5. Проведення експериментальних дослідженнь поршневих пальців, виготовлених з різних марок сталей з урахуванням неоднорідності внутрішньої структури їх матеріалу, обумовленою технологічною обробкою зовнішньої поверхні, з використанням методу ударного вдавлення індентора.

6. Розробка рекомендацій з практичного використання методики діагностики якості поршневих пальців двигунів внутрішнього згоряння.

Об’єкт дослідження: неоднорідні деталі, складність внутрішньої структури перетинів яких обумовлена технологічною неоднорідністю приповерхневих шарів деталі, що виникає через зміцнення її бічної поверхні з використанням висококонцентрованих джерел енергії.

Предметом дослідження були динамічні міцнісні характеристики технологічно неоднорідних деталей циліндричної форми при вібраційних, ударних і контактних навантаженнях їх бічної поверхні. Дисертаційна робота спрямована на підвищення надійності їх функціонування за рахунок розробки точніших методів розрахунку таких деталей і використання отриманих результатів при їх проектуванні.

Методи дослідження, прийняті в роботі, складають комплекс чисельно-аналітичних методів динамічної теорії пружності, чисельного моделювання контактного навантаження і розрахунку напружено-деформованого стану, статистичні методи обробки чисельних і експериментальних даних, експериментальні методи механіки твердого тіла, що деформуеться.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. На єдиній науково-методологічній основі, що базується на загальних принципах динамічної теорії пружності, створено ефективні чисельно-аналітичні методи аналізу динамічної міцності неоднорідних деталей машинобудування складної внутрішньої структури при їх контактному і вібраційному навантаженні. Це дало можливість вирішити комплекс складних проблем, повязаних з тонкими динамічними ефектами, що виникають в проблемних зонах перетину деталей.

2. За допомогою узагальнення методу суперпозиції створена математична розрахункова схема вирішення просторової динамічної задачі для порожнистих циліндричних деталей при їх динамічному контактному вібронавантаженні. Схема адекватно відповідає конструктивним і технічним особливостям складних об'єктів техніки, що піддаються динамічному контактному навантаженню.

3. Запропонована і конструктивно опрацьована чисельно-експериментальна методика визначення комплексу механічних характеристик неоднорідних деталей, заснована на методі ударного втискування індентора з подальшою кінцево-елементною обробкою отриманих даних. За допомогою цієї методики визначені поля динамічної контактної напруги в поршневих пальцях двигунів внутрішнього згоряння і визначені зони локальної концентрації напруги на їх зовнішній бічній поверхні. Це дало можливість істотно уточнити існуючі наближені схеми розрахунку і врахувати реальну технологічну неоднорідність механічних властивостей матеріалу поршневих пальців.

4. Наведені результати компютерного моделювання контролю якості приповерхневих шарів поршневих пальців, засновані на аналізі сигналів, отриманих за допомогою гармонійної і нестаціонарної нормованої дії на бічну поверхню деталі.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена дослідженнями збіжності чисельних рішень залежно від ступеня дискретизації просторових і плоских областей досліджуваних деталей і параметрів збіжності вживаних асимптотичних методів, а також хорошим кількісним і якісним збігом даних, отриманих при незалежному використанні різних аналітичних, прямих чисельних методів і натурного експерименту.

Практичне значення роботи полягає в розробленому і експериментально перевіреному методі виявлення тріщин при перевірці технічного стану поршневого пальця, а також створення прикладних математичних моделей динамічної вібраційної і контактної деформації пружних неоднорідних деталей ДТЗ складної внутрішньої структури, які дозволяють підвищити ефективність проектно-конструкторських робіт при створенні нових деталей і модернізації відомих. Результати експериментальних досліджень комплексу механічних характеристик неоднорідних деталей, наведені в роботі, представляють практичний інтерес при створенні нових і модернізації відомих пристроїв і механізмів, оскільки дають можливість уточнити уявлення про характер контакту їх складових частин. Зокрема, зявляється можливість створювати економічні і науково обґрунтовані інформаційно-експертні системи експрес-контролю і проводити статистичний контроль якості продукції з урахуванням апріорної інформації про розподіл її механічних властивостей.

Окремі теоретичні і прикладні результати дисертаційної роботи у вигляді методик і технічних засобів для їх здійснення використані і впроваджені в практику проектування на підприємствах України: АОЗТ «Горлівський авторемонтний завод», ООО «Ханженковський завод двигунів».

Особистий внесок здобувача: Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно та опубліковані у 9 наукових працях.

Робота [2] написана самостійно. У роботах виконаних у співавторстві здобувачу належать: [1] - мікроструктурний аналіз матеріалу поршневого пальця, гармонійний аналіз динамічного відгуку; [3] - визначення комплексу механічних характеристик матеріалу поршневого пальця залежно від глибини; [4] - аналіз чисельного моделювання власних частот коливань для поршневого пальця із тріщиною й без неї; [5] - вимірювання реакції в контрольних точках на різних відстанях від області контакту на поверхні поршневого пальця; [6] - аналіз кінематичних характеристик поршневого пальця; [7] - аналіз ознак тріщини при акустичній діагностиці неоднорідних деталей; [8] - визначення частот, які чутливи до тріщин у поршневого пальця; [9] - вирішення краєвої задачі з використанням принципу супер позиції.

Апробація роботи. Основні результати роботи обговорювалися на науково-технічних семінарах Ростовського державного університету, Донського державного технічного університету (1997 ÷ 2004 рр.), Ростовського державного будівельного університету, Донецького національного технічного університету, Харківського авіаційного інституту, Донецького національного університету, Міжнародній науково-практичній конференції «Будівництво-2003» Ростов-на-Дону, IV-му Всеросійському симпозіумі з прикладної і промислової математики, Москва, 2003 р.

Публікації. За результатами досліджень, проведених в дисертаційній роботі, опубліковано 9 наукових робіт, з них – 1 монографія і 6 – статей, опубліковані в наукових збірниках і журналах, 2 – тез доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (138 найменувань) і п’ятьох додатків. Повний обсяг роботи складає 163 сторінки, в тому чіслі: 56 ілюстрацій і 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані цілі і завдання дослідження, показана наукова новизна і практична значимість отриманих результатів дослідження, інформація про апробацію і публікацію основних положень дисертації.

У першому розділі дисертаційної роботи дається аналіз стану проблеми розвитку теорії і вдосконалення методів аналізу міцнісних характеристик деталей зі складними фізико-механічними властивостями. Виконаний аналіз результатів, отриманих вітчизняними і зарубіжними ученими, серед яких треба визначити Д.М. Беленького, В.П. Алёхина, С.И. Булычева, D. Tabor, R.T. Shield, R. Hill, F.J. Lockett, S. Hardy, H. ONeill, S.R. Williams, В.М. Александрова, Н.Х. Арутюняна, В.А. Бабешко, А.В. Белоконя, А.Н. Бескопыльного, А. О. Ватульяна, И.И. Воровича, А.А. Галина, Р.В. Гольдштейна, В.Т. Гринченко, И.Г. Кадомцева, Н.А. Кильчевского, Е.В. Коваленко, В.З. Партона, Г.Я. Попова, В.М. Сеймова, М.Г. Селезнева, Б.В. Соболя, W. Goldsmith, H. Lamb, R. Mindlin, J.A. Zukas, Р. Хиллом, Л.Б. Царюком, D.B. Bogy, J.H. Cheng, C.H. Lee, L.J. Segerlind, K. Tanaka, E. Wilson, O.C. Zienkiewicz. Значне місце приділено розгляду існуючих теоретичних і експериментальних методів розрахунку, що дозволяють врахувати різні чинники, які впливають на напружено-деформований стан досліджуваних об’єктів.

Проведений аналіз літературних джерел показав, що потребують подальшого вивчення проблеми врахування тертя і проковзування в контактуючій зоні, достовірного опису процесів нелінійної деформації матеріалів.

Міцність приповерхневого шару матеріалу у багатьох випадках має вирішальний вплив на міцність і довговічність не тільки окремих вузлів і деталей, але і машини в цілому. Тому часто постає необхідність проводити експериментальну перевірку впливу на міцність того або іншого поєднання основний метал – покриття. Прикладом такої технологічно неоднорідної деталі може служити поршневий палець при роботі двигунів внутрішнього згоряння. Складні процеси контактування поршневого пальця з головкою шатуна і бобишками поршня з урахуванням технологічної неоднорідності матеріалу поршневого пальця і їх вплив на поле контактної напруги грають першорядну роль в міцнісному розрахунку поршневих пальців.

У другому розділі роботи розроблено чисельно-експериментальний підхід до оцінки напружено-деформованого стану деталей з технологічною неоднорідністю на прикладі поршневих пальців двигунів внутрішнього згоряння при динамічному навантаженні. Даний підхід враховує нелінійну залежність комплексу механічних характеристик матеріалу поршневих пальців від глибинної координати. Вказана залежність визначається за допомогою методу ударного втискування індентора з подальшою статистичною обробкою результатів експерименту. Отримані дані підтверджуються наведеними результатами мікроструктурного аналізу.

Для визначення комплексу механічних характеристик поршневих пальців був проведений експеримент. Вимірювання проводили ударним втискуванням конічного індентора з кутом 90о в заздалегідь відшліфовану поверхню поршневих пальців з торця на різній глибині.

На рис. 1 показано деталі приладу для ударного втискування індентору: 1 - корпус; 2 - вузол датчика; 3 - бойок; 4 - демпфуюча гумка; 5 - пружина; 6 - тримач індентора; 7 - котушка індуктивності; 8 - магніти; 9 - рукоятка спускового механізму. Ударна установка складається з корпусу 1, вузла датчика і деталей спускового механізму. Усередині корпуса розташовується бойок 3 з демпфуючою гумкою 4, який під дією пружини 5 ударяє по тримачу індентора 6. Для зводу і спрацьовування спускового механізму служить рукоятка 9. Переміщення індентора щодо нерухомого корпусу фіксується індукційним датчиком, що складається з котушки індуктивності 7 і постійних магнітів 8.

Для регулювання енергії удару передбачено попереднє підтискання пружини, переміщення блоку спускового механізму з пружиною і бойком уздовж осі приладу, що дозволяє змінювати відстань розгону бойка.

При необхідності для дослідження удару з підвищеними швидкостями встановлювали пружину більшої жорсткості. Джерелом сигналу використовували індукційний датчик (швидкості). Для отримання кривої переміщення S(t) сигнал інтегрували, а для кривої прискорення W(t) - диференціювали.

Характерні криві, одержані за допомогою індукційного датчика, наведено на рис. 2.

- міра твердості НВ 107;     - міра твердості НВ 405.

Рис. 2. Залежності переміщення, швидкості і прискорення індентора

(індукційний датчик)

Результати випробувань подані на рис. 3 і 4. Як видно з графіків поверхня поршневих пальців має найвищі значення твердості HV, меж текучості σТ і міцності σВ і найнижче значення пластичності (відносне подовження після розриву) δ5 . Надалі у міру зростання глибини міцнісні характеристики падають, а показники пластичності зростають. Така зміна характеристик спостерігається до середини стінки пальця, тобто до глибини 2 мм.

Висока контактна напруга, що виникає в зоні контакту поршневих пальців з головкою шатуна, приводить не тільки до зносу, але й до появи мікротріщин. Для вивчення цих ефектів, а також для перевірки результатів, поданих на рис. 3 і 4, були проведені металографічні дослідження на мікроскопі «Неофот – 21». Шліфи обробляли 4 % розчином HNО3 в спирті. Твердість вимірювали на приладі Роквелла за шкалою С. Як досліджуваний був вибраний палець, виготовлений зі сталі 20Х, який піддавали термічної обробці (гарт + високе відпускання) з подальшим гартом струмами високої частоти.

Рис. 3. Залежності  твердості HV                          Рис. 4. Залежності меж

і відносного подовження після                              текучості σТ і міцності σВ від

розриву δ5 від глибини                                           глибини цементованого шару

цементованого шару

Фотографія поперечного шліфа наведена на рис. 5. Із цієї фотографії видно, що в поперечному перерізі пальця виділяються три зони. Умовно позначимо їх: А - відповідає шару товщиною приблизно 2 мм, загартованому струмами високої частоти; В - перехідна зона товщиною приблизно 1 мм; С - відповідає основному матеріалу до загартування струмами високої частоти.

Схема зміни твердості за глибиною подана на рис. 6. Видно, що із збільшенням глибини твердість матеріалу падає і стабілізується на рівні основного матеріалу.

Цей графік корелює з даними механічних характеристик (рис. 3, 4).

На поверхні пальця, що піддавалася тертю, були виявлені дефекти двох типів:

1). Тріщини (рис. 7). Глибина тріщин може досягати до 30% від глибини загартованого шару.

При вигляді зверху виявлені тріщини мають приблизно еліптичну форму. Аналіз знімків тріщин, отриманих при мікроструктурних дослідженнях, показав, що на поперечному зрізі кут нахилу більшості тріщин до контуру зовнішньої поверхні варіюється в межах зразкового 350-500.

2). Вириви (рис. 8). Розвиток тріщини приводить до того, що ослаблена частина металу відламується і утворюється каверна. Таке поверхневе руйнування характерне для

високоміцних матеріалів, що випробовують високу контактну напругу, наприклад, підшипники, зубчаті колеса і т.д.

Третій розділ роботи присвячений вивченню динамічних завдань для порожнистих циліндричних деталей кінцевої довжини. Вимога обліку просторових хвильових рухів у цих завданнях викликала необхідність узагальнення методу суперпозиції для побудови рішення просторової динамічної задачі вібродеформування порожнистих циліндрів. На базі побудованого рішення проведено розгляд практично важливого контактного завдання і виведено інтегральне рівняння, що визначає контактний тиск.

Нехай поршневий палець (порожнистий кінцевий циліндр) займає в циліндричній системі координат  область : .

Припускаємо, що матеріал циліндра характеризується пружними параметрами (щільність) (коефіцієнти Ляме). Нехай уздовж межі області на бічній і внутрішній поверхні циліндра і на його торцях задані такі граничні умови в напрузі ( – кругова частота вібронавантаження,  – час):

  (1)

Вирішення сформульованого крайового завдання будуємо з використанням принципу суперпозиції, використовуючи той факт, що  і  дана область є перетином нескінченного порожнистого циліндричного шару. Нескінченного шару з плоскопаралельними межами .

Вектор зсуву  в області  шукаємо у вигляді суми векторів

.

Вони визначають загальні рішення допоміжних завдань для областей  і  відповідно.

Функції напруги, визначені граничними умовами допоміжних крайових завдань, взагалі кажучи, невідомі. Для їх визначення використовуємо граничні умови початкового крайового завдання (1) і співвідношення закону Гука. В результаті досить громіздких викладок отримуємо систему дванадцяти інтегральних рівнянь відносно дванадцяти невідомих функцій напруги

.

Розглянемо випадок, коли на зовнішній поверхні циліндра  в області  задані компоненти вектора зсуву, наприклад . При контакті без тертя дотичні напруги в області  вважаємо рівними нулю (). Нормальні зусилля в області контакту () невідомі і підлягають визначенню. Отже, в системі маємо 12 рівнянь з 13 невідомими. Для визначення додаткового невідомого (нормального контактного тиску ) використовуємо умову рівності компоненти зсуву поверхні циліндра в області  – зсуву підошви штампа .

Отримане інтегральне рівняння замикає систему інтегральних рівнянь.

Аналіз можливостей різних методів побудови вирішення системи інтегральних рівнянь при даних вихідних визначає доцільність використання комплексу методів побудови її рішення для різних частотних діапазонів. Зокрема, для відносно низькочастотних коливань (довжина хвилі набагато більша за розміри кінцевого циліндра) можна досить ефективно використовувати апроксимаційний підхід з використанням методу колокацій. Оскільки всі невідомі функції напруги задані в обмежених областях, вводиться їх апроксимація у вигляді кінцевого відрізка розкладання в ряд по ортогональній системі функцій з невизначеними коефіцієнтами і обліком порядку особливості (при її наявності у даної функції). При цьому важливо, щоб ортогональна система функцій була такою, що при підстановці апроксимації в рівняння надавалася б можливість точного обчислення найбільшої кількості інтегралів в операторах, що підвищує точність визначення коефіцієнтів лінійної алгебраїчної системи, що отримується при використанні методу колокацій.

У четвертому розділі роботи розроблена кінцево-елементна методика визначення резонансних частот і форм коливань поршневих пальців, що враховує неоднорідність матеріалу приповерхневих, технологічно зміцнених шарів. Це дозволило застосувати різновид акустичного методу вільних коливань, поширеного на неоднорідні структури, для ідентифікації наявності тріщин на бічній поверхні поршневих пальців. Розроблена кінцево-елементна і експериментальна методика для акустичного контролю якості приповерхневих шарів неоднорідних деталей дозволила визначити кінематичні характеристики поршневого пальця при нестаціонарній дії. Інформативні параметри наявності дефектів в приповерхневих шарах деталей повністю визначаються цими характеристиками.

Для визначення власних значень і форм коливань поршневих пальців була розроблена модель методу скінченних елементів без тріщини і з тріщиною.

Тріщина в циліндрі має просторову форму (еліптичну), на поперечному зрізі вона нахилена під кутом зразка 450 (рис. 9 а, б).

а)     б)

Рис. 9. Геометрія тріщини поршневого пальця

Подібне розташування тріщини вибране з урахуванням наведених результатів мікроструктурних досліджень.

На рис. 10 подані графіки частоти власних коливань для поршневих пальців з тріщиною і без тріщини. Видно, що у високочастотній області (більше 100 кГц) спостерігається істотна розбіжність цих числових рядів.

Рис. 10. Власні частоти для поршневих пальців без тріщини (1)

і з тріщиною (2)

В результаті проведеного аналізу чисельного моделювання встановлено, що:

1. Наявність дефектів у деталі призводить до зміни спектра частота власних коливань.

2. Величина «зрушення» частот залежить від розміру і місцеположення дефекту на зовнішній бічній поверхні поршневих пальців.

3. Якщо дефект знаходиться в «пучності» коливань, то відповідна частота зрушується на максимальну для даного розміру дефекту величину.

4. Знаходження дефекту в «вузлі» коливань не приводить до зрушення відповідної частоти.

Використання для визначення спектра власних частот поршневих пальців чисельних методів дозволяє моделювати дефекти різного місцеположення і протяжності. Для цього необхідно проаналізувати весь спектр власних частот. Критерієм порівняння стану бездефектного і дефектного поршневих пальців може служити, наприклад, коефіцієнт кореляції спектрів:

 (2)

де  – значення амплітуд поточного спектра деталі з дефектом;  – значення амплітуд спектру бездефектної деталі;  – кількість частот в спектрі; підсумовування виконується для значень індексу i, що змінюються від 1 до .

Для визначення амплітуд  у формулі (2) був проведений за допомогою комп’ютерного моделювання гармонічний аналіз поршневих пальців при динамічній дії. Він заснований на розв’язанні рішенні системи рівнянь динамічної рівноваги за умови стаціонарної осцилюючої дії.

Аналіз власних форм і частот коливань виявив характерні частоти, чутливі до тріщини. Гармонійний аналіз дозволяє оцінити енергетичний внесок кожної гармоніки. Для цього була реалізована процедура гармонічного аналізу і зіставлені результати для циліндра з тріщиною і без неї.

На рис. 11 і 12 наведені амплітудно-частотні характеристики для точок, розташованих на краю циліндра і в зоні тріщини. Для простоти аналізу наведена тільки ділянка частот від 190 до 200 кГц, хоча розрахунок проводився у всьому діапазоні.

а      б

Рис. 11. Амплітудно-частотні характеристики зсувів Uy для поршневого пальця

а) – для точки прикладання сили; б) – в зоні тріщини

1 – без тріщини; 2 – з тріщиною.

З метою визначення зміни коефіцієнта кореляції спектрів при збільшенні розмірів дефекту на поверхні поршневих пальців проводилися дослідження поршневих пальців з тріщинами описаної вище орієнтації різної довжини, що становить 0,01%, 0,05%, 0,2%, 1%, 2% від загальної довжини деталі.

а      б

Рис. 12. Амплітудно-частотні характеристики зсувів Uх для поршневого пальця

а) – для точки прикладання сили; б) – в зоні тріщини

1 – без тріщини; 2 – з тріщиною.

На рис. 13 показані результати порівняння спектрів бездефектного і дефектного поршневих пальців по коефіцієнту кореляції.

Точка з абсцисою 1 відповідає характеристика згенерованого сигналу бездефектного поршневого пальця, крапкам 2 - 6 – характеристики сигналів дефектних поршневих пальців. Саме: 2 – довжина тріщини становить 0,01% довжини поршневого пальця; 3 – 0,05%; 4 – 0,2%; 5 – 1%; 6 – 2%.

Таким чином, прояв дефектів у формі тріщини в амплітудно-частотній характеристиці зсувів у різних точках контуру твірної поршневих пальців виявляється у формі зниження частоти власних коливань з коефіцієнтом кореляції 0,72 – 0,97.

Вимірювання власних коливань (рис. 14) поршневого пальця проводилися віброакустичним методом при жорсткій фіксації (рис. 15) поршневого пальця 2 в спеціальному пристосуванні 1. Три опорні точки 2 (рис. 16) розташовувалися в площині симетрії поршневого пальця, що проходить через його центр маси.

Власні коливання поршневого пальця генерувалися (див. рис. 16) раптовим прикладанням сили – ударом сталевою кулькою діаметром d, підвішеною на гнучкій нитці довжиною L. Енергія удару задавалася величиною відхилення А центру кульки 3 від положення спокою.

Рис. 14. Кріплення поршневого пальця у вимірювальному пристосуванні

Точка завдання удару 3 (див. рис. 15) розташовувалася на бічній поверхні пальця в одній вертикальній площині з точкою розміщення датчика 4, що вимірює горизонтальні поперечні коливання поверхні поршневого пальця.

Горизонтальні поперечні коливання у вигляді прискорення точки 4 (див. рис. 15) поверхні поршневого пальця вимірювалися магнітодинамічним датчиком ГЗМ 105 і після перетворення аналоговим коректором DUAL TVV 46 подавалися для фіксації на лінійний вхід плати Intel D845GLAD персонального комп’ютера і записувалися у файл при наступних параметрах: частота опиту SR = 44100 Гц, дозвіл сигналу – 16 біт.

Виявлення впливу дефекту на характеристики власних коливань здійснювалося порівняльними випробуваннями справного поршневого пальця і поршневого пальця, що має дефект у формі подовжньої тріщини.

Рис. 15. Схема докладання раптової сили:

1–пристосування; 2– поршневий палець ; 3–точка завдання удару; 4 – точка розташування вимірювального датчика

Рис. 16. Розрахункова схема генеруючого удару:

1 – поршневий палець; 2 – точки кріплення; 3 – сталева кулька



В результаті кожного вимірювання отримані цифрові файли зміни подовжнього прискорення точки поверхні пальця після динамічного збурення, в масштабі mV при випробуваннях в наступних умовах: діаметр кульки d = 21 мм, маса кульки m = 36,67 г, довжина підвісу L = 370 мм, відхилення центру кульки А = 100 мм. Як випливає з графіків, тимчасові діаграми прискорень справного і дефектних поршневих пальців вельми близькі за: значенням максимумів – порядку 130 mV; характером і часом затухання коливань – порядку 0,5 с; досить широким частотним спектром коливань.

Графічне зображення амплітудно-частотних характеристик прискорень точок поверхні після динамічного збурення для справного і дефектного і поршневих пальців у всьому досліджуваному діапазоні частот з логарифмічним масштабом для осі частот наведено на рис. 17. Аналіз наведених графіків показує, що розвиток процесу імпульсного навантаження поршневих пальців в експерименті розвивається в двох частотних зонах.

Як випливає з діаграм, виміряні значення частот коливань справного і дефектних поршневих пальців відрізняються для амплітудних максимумів 2 – 5 в області частот 0 - 1200 Гц (максимуми 1 по частотах практично співпадають). Зсув амплітудних максимумів в області частот 14.0 – 20.0 кГц справного і дефектного і поршневих пальців так само має місце.

Порівняння результатів чисельного моделювання і результатів експериментальних досліджень дає можливість зробити висновок про те, що загальний коливальний процес поршневих пальців являє собою сукупність вимушених коливань від зіткнення (область частот 0 - 1200 Гц) і власних коливань поршневих пальців (область частот 14.0 – 20.0 кГц), згенерованих зіткненням.

Рис.17. Амплітудно-частотні характеристики прискорення точки поверхні поршневих пальців після динамічного збурення (логарифмічна шкала для осі частот): 1 – справний поршневий палець; 2 – дефектний поршневий палець

Співставлення значень частот амплітудних максимумів власних коливань поршневих пальців, отриманих розрахунковим шляхом для коливань типу «дзвін», які, очевидно, по енергетичному внеску є найбільш істотними, і експериментально виділеної частоти амплітудного максимуму величиною 15703 Гц (різниця становить менше 0.2 %) указує на достатню обґрунтованість і достовірність отриманих наукових результатів.

Результати роботи впроваджено в АОЗТ «Горлівський авторемонтний завод», ООО «Ханженковський завод двигунів». 

ВИСНОВКИ

1. Потреби в створенні нової ресурсозберігаючої техніки й технологій, що відповідають усім вимогам виробництва й експлуатації в складних зовнішніх умовах, визначають необхідність у створенні нових методів розрахунку на міцність, враховуючих особливості, що внесені неоднорідністю внутрішньої структури досліджуваних об’єктів.

2. Розроблений узагальнений алгоритм чисельно-аналітичного дослідження хвильового поля в циліндричних деталях кінцевої довжини, що представляє собою узагальнення методу суперпозиції на тривимірні задачі. Даний підхід вільний від припущень роздільного розгляду хвильових рухів з різними типами симетрії щодо серединної площини циліндра й дозволяє дати практичні рекомендації для науково обґрунтованого проектування таких об’єктів, а також відмовитися від застосовування необґрунтованих гіпотез, що спрощують інженерні розрахунки.

3. Виконані дослідження з перевірки достовірності запропонованих методів і програмного забезпечення шляхом їхнього тестування й порівняння результатів з отриманими раніше чисельними, аналітичними й експериментальними даними інших авторів. Показано, що максимальна розбіжність для найбільш складних випадків неоднорідності не перевищує 12%, що свідчить про адекватність запропонованих у роботі методів, алгоритмів і визначальних рівнянь.

4. Розроблено узагальнення методу суперпозиції для рішення просторових динамічних контактних задач вібродеформування кінцевих порожніх циліндричних деталей. Отримана системи інтегральних рівнянь, що описує динамічний контактний тиск в зоні контакту. Асимптотичний аналіз операторів цієї системи зумовлює чисельно-аналітичний алгоритм рішення системи інтегральних рівнянь для різних частотних діапазонів.

5. Розроблена просторова розрахункова модель методу скінченних елементів, що дозволяє обчислювати параметри контактної взаємодії запропонованої установки ударного навантаження і деталі, а також параметри відгуків на таровану ударну дію. На підставі комплексу теоретичних і експериментальних досліджень доведена інформативність параметрів, що характеризують стан об’єкта діагностики при ударній дій: відносні швидкості зміни коефіцієнтів фону, імпульсности і вірогідності, тривалості сигналів відгуків; екстремуми амплітудно-часові характеристики сигналів відгуків, інтегральні оцінки сигналів відгуків по амплітуді.

6. Розроблено і теоретично обґрунтовано методику експерименту за визначенням комплексу механічних характеристик і розрахунку полів контактної напруги в технологічно неоднорідних деталях циліндричної форми за допомогою методу ударного втискування індентора. На її основі чисельно досліджені поля контактної напруги при динамічній деформації поршневих пальців двигунів внутрішнього згоряння і визначені зони локальної концентрації напруги на бічній поверхні пальця.

7. Розглянута структура товщини приповерхнього шару деталі по окремих зонах, починаючи від зовнішньої поверхні до основного її матеріалу. Запропонований новий метод для аналізу якості конструкційних сталей, заснований на ударному втискування індентора і реєстрації комплексу показників впровадження - переміщення, швидкості й прискорення індентора в часі. Отримані дані використані при розробці кінцево-елементної схеми рішення завдання визначення поля динамічних контактних напруг у поршневому пальці, що дозволяє суттєво уточнити застосовані раніше спрощені інженерні схеми їх міцнісного розрахунку.

8. Запропоновані експериментальні і чисельні методи аналізу нестаціонарних сигналів у часовій, частотній і частотно-часовій областях, адаптовані до застосування для вирішення завдань діагностування наявності тріщин в технологічно неоднорідних деталях транспортних засобів які мають циліндричну форму. Розроблений і експериментально перевірений метод виявлення тріщин при перевірці технічного стану поршневого пальця.

9. Проведений аналіз діагностичних параметрів резонансних частот і форм коливань поршневих пальців при наявності і відсутності дефектів, що дозволяє створити експертну систему їх контролю по аналізу зсуву спектра резонансних частот при ударній дій на поршневі пальці з мікродефектами. Показано, що використання сучасних програмних комплексів при математичному моделюванні коливань деталей машинобудування складної внутрішньої структури і наступного аналізу спектра коливань можуть зробити метод вільних коливань перспективним для проведення експрес-контролю неоднорідних деталей машинобудування.

10. Результати роботи із практичного використання розробленої методики діагностики якості поршневих пальців двигунів внутрішнього згоряння у вигляді чисельно-експериментальної лінії діагностики використовуються в практиці проектування і технологічних процесах на великих промислових підприємствах України.

Методика розрахунку полів контактних напруг у поршневому пальці двигунів внутрішнього згоряння використовуються в навчальному процесі автомобільно-дорожніх інститутів Донецького національного технічного й Ростовського державного будівельного університетів, Донецької академії автомобільного транспорту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Монографія

1. Вовк Л.П. Теоретические и экспериментальные методы определения механических характеристик неоднородных деталей машиностроения / Л.П. Вовк, А.А. Писанец – Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 213 с.

Статті в фахових виданнях

2. Писанец А.А. Анализ собственных колебаний поршневого пальца при нестационарном динамическом воздействии / А.А. Писанец // Вісті Атомобільно-дорожного інституту: Науково-виробничий збірник / АДІ ДВНЗ «Дон НТУ». – Горлівка.2007. – № 1 (4). – С. 3845.

3. Вовк Л.П. Использование спектра резонансных частот поршневых пальцев как информативного признака наличия дефектов / Л.П. Вовк, А.А. Писанец // Вестник Донецкого ин-та автомоб. транспорта. – 2004. – № 2. – С. 4 – 9.

4. Вовк Л.П. Компьютерное моделирование контроля качества приповерхностных слоев деталей машиностроения / Л.П. Вовк, А.А. Писанец // Технология машиностроения. – 2004. – № 5. – С. 52 – 56.

5. Вовк Л.П. Віброакустична діагностика поршневих пальців / Л.П. Вовк, О.О. Писанець // Вибрация машин: измерение, снижение, защита. – 2005. – № 2. – С. 5 –9.

6. Вовк Л.П. Особенности акустической диагностики неоднородных деталей / Л.П. Вовк, А.А. Писанец // Вестник Донецкого ин-та автомоб. транспорта. – 2006. – № 4. – С. 19 – 25.

7. Вовк Л.П. Анализ дискриминантных признаков трещины при акустической диагностике неоднородных деталей / Л.П. Вовк, А.А. Писанец // Вісник Приазовського державного технічного університету. – 2007. – № 17. – С. 134138.

8. Вовк Л.П. К решению пространственной динамической задачи для полого цилиндра конечной длины / Л.П. Вовк, А.А. Писанец // «Строительство-2003»: Материалы Междунар. Научно-практической конф. – Ростов-на-Дону: Ростовский гос. Строит. Ун-т.2003. – С. 108109.

9. Вовк Л.П. Динамическая пространственная задача для неоднородного цилиндра / Л.П. Вовк, А.А. Писанец // IV-й Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике. Тез. Докл. – Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2003. – Т. 10. – Вып. 2. – С. 454456.

АНОТАЦІЯ

Писанець О.О. Удосконалення динамічної діагностики структурно - неоднорідних деталей ДТЗ . – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту. Національний транспортний університет, Київ, 2010 р.

У дисертаційній роботі створені нові методи розрахунку динамічних характеристик напружено-деформованного стану неоднорідних пружних тіл складної внутрішньої структури, орієнтовані на вирішення проблем проектування і відновлення нової техніки.

Розроблена експериментальна методика ударного втискування індентора для визначення комплексу механічних характеристик технологічно неоднорідних деталей. На її основі розроблено програмне забезпечення для уточненого розрахунку динамічної контактної напруги при роботі технологічно неоднорідних деталей циліндропоршневої групи двигунів внутрішнього згорання. Розроблена чисельно-експериментальна методика акустичного діагностування якості приповерхневих шарів неоднорідних деталей машин.

Запропонований метод аналізу нестаціонарних сигналів, що відрізняється високою роздільною здатністю в часі при збереженні достатнього частотного дозволу. Особливістю аналізу є його незалежність від змін амплітудних характеристик сигналів, що дає можливість використовувати метод для контролю над первинними змінами на стадії їх зародження.

Аналіз співвідношення частот амплітудних максимумів справного і дефектного поршневих пальців показує, що дефект у вигляді подовжньої тріщини виявляється так само в зниженні частоти не тільки власних, але і вимушених коливань без значного перерозподілу енергій між окремими складовими коливального процесу.

Ключові слова: поршневий палець, амплітудна частотна характеристика, амплітудно-часова характеристика, напружено-деформований стан, резонансна частота, частота власних коливань.

АННОТАЦИЯ

Писанец А.А. Усовершенствование динамической диагностики структурно - неоднородных деталей ДТС. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Национальный транспортный университет, Киев, 2010 г.

В диссертационной работе созданы новые методы расчета динамических характеристик напряженно-деформированного состояния неоднородных упругих тел сложной внутренней структуры, ориентированные на решение проблем проектирования и восстановления новой техники, предназначенной для эксплуатации на стационарных и нестационарных режимах вибронагружения и находящихся в контактном взаимодействии.

Разработана экспериментальная методика ударного вдавливания индентора для определения комплекса механических характеристик технологически неоднородных деталей. На ее основе разработано программное обеспечение для уточненного расчета динамических контактных напряжений при работе технологически неоднородных деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Разработана численно-экспериментальная методика акустического диагностирования качества приповерхностных слоев неоднородных деталей машин.

Предложен метод анализа нестационарных сигналов, отличающийся высокой разрешающей способностью во времени при сохранении достаточного частотного разрешения. Особенностью анализа является его независимость от изменений амплитудных характеристик сигналов, что позволяет использовать метод для контроля над первоначальными изменениями на стадии их зарождения.

Проведенный анализ эффективности использования обработки диагностической информации позволяет указать, что из дискриминантных признаков трещины наиболее предпочтительно исследовать относительные скорости изменения коэффициентов фона, импульсности и вероятности. Использование же только интегральных характеристик амплитудно-временных характеристик не достаточно. В этом случае обязательно наличие спектрального анализа амплитудно-частотных характеристик.

Анализ соотношения частот амплитудных максимумов исправного и дефектного поршневых пальцев показывает, что дефект в виде продольной трещины проявляется так же в снижении частоты не только собственных, но и вынужденных колебаний без значительного перераспределения энергий между отдельными составляющими колебательного процесса.

Разработан обобщенный алгоритм численно-аналитического исследования волнового поля в цилиндрических деталях конечной длины, представляющий собой обобщение метода суперпозиции на трехмерные задачи.

Выполнены исследования по проверке достоверности предложенных методов и программного обеспечения путем их тестирования и сравнения  результатов с полученными ранее численными, аналитическими и экспериментальными данными других авторов.

Получена система интегральных уравнений, описывающая динамическое контактное давления в зоне контакта. Разработано обобщение метода суперпозиции для решения пространственных динамических контактных задач вибродеформирования конечных полых цилиндрических деталей.

На основании комплекса теоретических и экспериментальных исследований доказана информативность параметров, характеризующих состояние объекта диагностики при ударном воздействии, таких как относительные скорости изменения коэффициентов фона, импульсности и вероятности, продолжительности сигналов откликов, экстремумов амплитудно-временных характеристик сигналов откликов, интегральной оценки сигналов откликов по амплитуде.

Предложен новый метод для анализа качества конструкционных сталей, основанный на ударном вдавливании инденторов и регистрации комплекса показателей внедрения - перемещения, скорости и ускорения индентора во времени.

Разработан и экспериментально проверен метод выявления трещин при проверке технического состояния поршневого пальца.

При использование современных программных комплексов при математическом моделировании колебаний деталей машиностроения сложной внутренней структуры и последующего анализа спектра колебаний могут сделать метод свободных колебаний перспективным для проведения экспресс-контроля неоднородных деталей машиностроения.

Ключевые слова: поршневой палец, амплитудно частотная характеристика, амплитудно-временная характеристика, напряженно-деформированное состояние, резонансная частота, частота собственных колебаний.

ANNOTATION

Pisanets A. A. Dynamical diagnostics improvement of structurally-heterogeneous details of road-transport means. – Manuscript.

Academic degree for the candidate of engineering sciences dissertation by profession 05.22.20. – exploitation and repair of the vehicles. National Transport University, Kyiv, 2010.

The dissertation presents new methods of calculation of dynamic characteristics of strained-deformed state of non-heterogeneous expansible bodies with a complex structure.

The following dissertation demonstrates experimental methods of indentor percussive pressing used for for determination of the whole complex of mechanical characteristics of technologically homogeneous parts.

Special programmed provision was developed on its basis to make the calculation of dynamic contact straines more precise during the work of technologically non-homogeneous parts of cylinder-piston groups of internal – combustion engines.

There were also worked out some certain numerically – experimental methods of acoustic diagnostics of the quality of over – surface layers of non – homogeneous parts of machines.

The method of analysis of non – stationary signals distinguished by their high permissive capacity to keep enough quantity of frequency permission in the course of time is proposed for consideration in this thesis as well.

The analysis is characterized by distinctive particularity to be used independently upon changes of amplitude characteristics of signals. It gives possibility to use this method for control over the first changes on their initial stage.

The analysis of frequencies of amplitude maximums of defected and of nondefected piston pins correlation shows that the defect represented as a longitudinal crack can be revealed in reducing of frequency not only of natural but constrained vibration as well without considerable enery re – distribution among separate parts of vibratory process.

Key words: piston pin, amplitude – frequency characteristics, timely – amplitude characteristics, strained – deformed characteristics, resonance frequency, frequency of natural vibration.