На правах рукописи

САДРИЕВ Роберт Мансурович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА

ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩЕДЕЙ ПЕТЕЛЬ ГИСТЕРЕЗИСА

05.02.02 – Машиноведение, системы приводов

и детали машин

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2007 2

Работа выполнена на кафедре «Основы проектирования машин и автомобилестроение»

Ульяновского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дьяков Иван Федорович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Серазутдинова Мурат Нуриевич доктор физико-математических наук, профессор Якупов Нух Махмутович

Ведущая организация: ЗАО НИИ «Турбокомпрессор имени В.Б. Шнеппа»

(г. Казань)

Защита состоится «_» в _ 2007 г. в «» часов на заседании диссертационного Совета К 212.080.01 в Казанском государственном технологическом университете по адресу:

420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68 (зал заседаний корпус А, ауд.330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «_» мая 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 212.080. кандидат технических наук, профессор Ф. Ф. Ибляминов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Известно, что оценка долговечности деталей машин по наработке (километры пробега, мото-часы, приведенное время), которая используется в настоящее время, связана с нагрузочными режимами, вызывающими усталостные повреждения. При этом не учитываются процессы генерирования, перемещения и накопления внутренних дефектов в твердом теле и другие факторы, существенно влияющими на его ресурс. К числу основных не учитываемых факторов относятся пусковые нагрузочные и скоростные режимы, зависящие от мощности двигателя. Для машин, работающих в широком диапазоне нагрузок и скоростей, существенна также длительность работа на резонансных режимах, влияющих на долговечность деталей.

Рекомендуемый оценка долговечности деталей при эксплуатации машин основывается на величине энергозатрат для их деформирования до отказа, так как коэффициент корреляции между энергозатратами и отказами деталей на 24% выше, чем между временем работы машины и отказами. Энергия (тепловая или механическая) вызывает накопление усталостных повреждений. Каждый режим нагружения-разгружения характеризуется переменными процессами, которые описываются замкнутыми кривыми петли гистерезиса.

Образующаяся при этом петля гистерезиса выражает накопление энергии в материале и, в зависимости от длительности действия, изменяет свою площадь, которая характеризует затраченную энергию. Существующая технология не гарантирует отсутствие в изделиях тех или иных дефектов, снижающих качество продукции. Отметим, что проблема выбора критерия долговечности весьма сложна. Для ее оптимального решения необходимы сложные расчеты, натурные испытания изделий с различными дефектами. При этом следует учитывать реальные возможности средств неразрушающего контроля, которые имеются на предприятиях.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является совершенствование прогнозирование долговечности деталей машин на основе анализа изменения площадей петель гистерезиса. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ вероятностно-статистических характеристик накопления повреждений деталей машин при нерегулярном нагружении.

2. Уточнение влияния различных концентраторов напряжений на развитие усталостных трещин в материале при циклическом нагружении.

3. Определение начала появления микротрещин и скорости их роста в зависимости от количества циклов при регулярном и не регулярном режиме нагружения.

4. Составление математической модели оптимального выбора материала при проектировании деталей с концентраторами напряжений.

5. Разработка рекомендаций по повышению долговечности деталей машин на стадии изготовления технологическими методами и методики его прогнозирования.

Научная новизна.

1. Впервые проведено комплексное исследование критерия оптимальности при выборе материала отношение стоимости изготовления к долговечности, сформирована система ограничений по механическим и энергетическим его свойствам на стадии проектирования.

2. Разработана математическая модель долговечности деталей машин, включающая физические процессы при нерегулярном нагружении с учетом концентраторов напряжений.

3. Расширен энергетический метод определения долговечности деталей по изменению площади петли гистерезиса при нерегулярном циклическом нагружении.

4. Предложен способ повышения ресурса деталей на стадии изготовления путем технологического воздействием после проведения циклического нагружения детали до точки перелома кривой энергозатрат и разработана методика её прогнозирования.

Практическая ценность. Данные по оптимальному выбору материала с учетом ограничений по механическим и энергетическим его свойствам на стадии проектирования используется НПФ «Элекс» в г. Ульяновск, разработанные пакеты программ расчета площади петли гистерезиса и энергозатрат деталей при нерегулярном нагружении используется в опытно конструкторской практике ОАО «Ульяновский авторемонтный завод», ОАО «РЕДУКТОР» в г. Барыш Ульяновской области. Предложенный способ повышения ресурса деталей на стадии изготовления путем технологического воздействия после проведения циклического нагружения детали до точки перелома кривой энергозатрат используется в ЗАО «Ремсельмаш». Результаты работы могут использоваться при разработке конструктивных и технологических мер повышения эксплуатационной надежности элементов конструкции машин на стадии изготовления, при создании промышленных и лабораторных установок, позволяющие проводить ресурсные испытания деталей и лабораторных образцов при нерегулярном режиме нагружении.

Достоверность результатов обеспечивается:

применением в процессе вывода расчетных зависимостей фундаментальных физических и математических понятий и методов;

корректными измерениями с использованием высокоточных приборов;

практическим подтверждением результатов исследований;

основные положения диссертации проверены экспериментально.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывалось и обсуждалось на следующих конференциях:

Международных: Международ. НТК «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», г. Могилев, 2004 г.; Международ. НТК «Повышение эффективности проектирования, испытан. и эксплуатации двигателей, автомобилей, вездеходных, специальных строительных и дорожных машин», 1994 г.,. Н. Новгород, НГТУ, Международн. НТК «Молодая наука – новому тысячелетию», 1996 г., КамПИ г. Набережные Челны; Международ. НТК «Точность и надежность технологических и транспортных систем», г.Пенза, 1999 г.; Международ. НТК, 1999 г., г. Москва, МАМИ; IХ Международ. НТК «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов», г. Пенза, 2004 г.; 2 Международ. конференция «Автомобили и техносфера», г. Казань, 2001 г.; 1 Международ. конференция, Центр Академии транспорта, УлГТУ, 1999 г.; Международ. НТК, Академия транспорта РФ, «Точность технологических и транспортных систем», 1998, г. Пенза;

Российских: НТК, г. С.Петербург, 1996 г.; НТК «Динамика и прочность исполнительных механизмов», г. Астрахань, 2002 г.; Республиканская НТК, «Проблемы качества и надежности машин», 1994 г., г. Могилев; Всероссийская НТК «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти, 2004 г.

Результаты неоднократно докладывались на конференциях Ульяновского государственного технического университета: 29-я конференция, УлГТУ, 1995 г.; 28-я конференция, УлГТУ и другие.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 работы, включая два патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 166 страниц машинописного текста, в том числе 19 таблиц, 49 рисунков, список литературы и приложения. Список литературы включает сто наименований. В приложении представлены 4 акта о внедрении результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведении содержит обоснование актуальности темы, изложена общая характеристика работы, поставлена цель исследований, сформулированы научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор существующих методов расчета на усталостную долговечность деталей и делается вывод о недостаточности их возможностей, а именно: отсутствие методики обнаружения начала появления усталостной трещины, влияния концентраторов напряжений на ее развитие, а также выявления влияния технологии обработки на ресурс изделия.

В качестве средств принятия проектных решений проанализированы методы расчетов на сопротивление металлов в процессе усталости, основанные на кинетической теории механической усталости металлов. Проведенные исследования показали, что:

– после активизации процесса пластической деформации плотность линий сдвигов растет с ростом числа нагружений;

– усталостные трещины зарождаются в зоне устойчивых полос скольжения, где наблюдаются вдавливание (интрузия) и выдавливание (экструзия) металла;

– при распространении усталостных трещин движению вершины трещины предшествуют сдвиговые процессы в зернах металла, расположенных по фронту трещины;

– в области напряжений ниже предела выносливости r с ростом числа циклов нагружений прекращается не только движение зародившихся усталостных трещин, но затухает рост плотности линий сдвигов у вершин трещин.

На основании сравнения методов исследования внутреннего состояния металлов определены следующие основные проблемы: не достаточно полно учитываются вероятностно– статистические характеристики, различные виды концентраторов напряжения при циклическом нагружении и отсутствие методики проверки расчетного ресурса в автоматизированном производственном процессе.

Во второй главе предлагается представление общих закономерностей физики процесса усталостного разрушения деталей машин, вероятностно-статистические характеристики при нерегулярном нагружении деталей машин, системный метод расчета деталей машин с концентраторами напряжений, математическая модель оптимального выбора материала. Представление физики процесса усталостного разрушения деталей, основано на дислокационном, вакансионном и термофлуктуационном механизмах усталости.

Обобщая теоретические и экспериментальные данные, можно отметить, что процессы зарождения и развития усталостных повреждений обусловлены явлениями генерирования, перемещения и накопления подвижных дефектов в теле при его циклическом деформировании. Энергия J (тепловая или механическая) является двигателем этих явлений и процессов, при изучении роста трещин используют методы и понятия механики разрушения, в частности, понятия коэффициента интенсивности роста микротрещин. Оценка прочностной надежности деталей машин начинается с выбора расчетной модели, представляющей собой совокупность условий и зависимостей, описывающих объект исследования.

Такая схематизация основана на совокупности описания свойств материала в объемах.

Модель формы учитывает размеры детали и концентраторы напряжений. Модель нагружения включает силы, которые являются мерой механического взаимодействия элементов конструкции (деталей). Эффективными характеристиками для оценки нагруженности деталей являются интенсивности внутренних сил взаимодействия напряжения и деформация. При нагружении происходит превращение энергии из одного вида в другой. Большинство деталей машин в рабочих условиях испытывают переменные напряжения, циклически изменяющиеся во времени (циклические напряжения). Они возникают в деталях вследствие изменения нагрузки (деформации). Любой цикл напряжений приближается к экспоненциальному закону, причем процесс нагружения не совпадает с процессом разгружения образуя петлю гистерезиса, по площади которой определяем накопленную энергию в единице объема материала. Площадь петли гистерезиса изменяется в зависимости от числа циклов нагружения, причем возможны следующие соотношения: