DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 10.07.2008

Материалы

загрузка...

Развитие интегрированного метода оценки нагрузочной способности соединений с натягом

Кабакова Анна Валерьевна, 10.07.2008

 

Такой подход реализует обратную связь в расчетах и обеспечивает возможность получения точной картины о распределении натяга, контактного давления, НДС при оценке НС, на основе результатов экспериментальных исследований, проводимых с использованием разработанной эхо-импульсной методики измерений.

Величина фактического натяга может быть усредненной для расчета по зависимостям Ламе или в виде функции вдоль оси или контактной поверхности соединения для расчета численными методами в осесимметричной и объемной постановках.

Рисунок 1. Блок-схема интегрированной математической модели

При усложнении конструкции деталей, входящих в соединение предложена интеграция аналитического и численного методов расчёта, реализованная в математической модели (рисунок 1).

изменяются вдоль линии контакта непрерывно или дискретно.

Разработан алгоритм проектирования соединения, состоящий из пяти основных модулей. Программа строит графическую зависимость нагрузочной способности прессового соединения от величины натяга, обеспечивает учет коэффициента запаса прочности.

Рисунок 2. Результаты численного моделирования и расчета соединения: с натягом: а) радиальные напряжения; б) интенсивность напряжений; в) радиальные перемещения; г) осевые перемещения.

Проведено моделирование и расчет НДС и НС гидропрессового соединения, определены фактические условия контакта и перемещения сопрягаемых и внешних поверхностей деталей и построена картина контакта сопряжения (рисунок 2).

Установлена возможность уточнения реального натяга по величине сигнала отражения эхо-импульсным методом неразрушающего контроля. Уточнение может осуществляться как по перемещениям, так и по контактному давлению. Во втором случае задача решается итерационным методом.

Третья глава посвящена развитию технологии неразрушающего контроля посадок с натягом с помощью ультразвука (УЗ), разработке методики контроля соединений с натягом после сборки и во время их эксплуатации, оценке НДС и НС объекта исследования акустическим эхо-импульсным

Необходимая прочность элементов конструкций обеспечивается в машиностроении еще на стадии их проектирования. Однако изменение свойств материала в процессе эксплуатации, не говоря уже о различных нарушениях технологии производства и сборки, требует развития и применения методов и средств оценки реальной нагрузочной способности материала в конструкции. Методы акустического контроля, совместно с имеющимися штатными приборами дефектоскопии, позволяют реализовать принципиально новые решения в диагностике и оценке НС соединений с натягом, поскольку в основе методов лежит механическая нагрузка и отклик на нее испытуемого объекта. Однако до настоящего времени не удавалось установить количественные взаимосвязи между коэффициентом отражения ультразвука и контактным давлением на поверхности посадки, обеспечивающим плотность посадки. В предлагаемых методах не была предусмотрена возможность учета поглощения ультразвука в металле, рассеяния и расхождения ультразвукового луча. Амплитуда эхо-импульсов последующих серий отличается от предыдущих из-за величины коэффициента прозрачности границы датчик-объект контроля, которая зависит от геометрии поверхности объекта контроля, чистоты обработки, контактной жидкости, радиуса поверхности посадки, от кривизны поверхности границы объект контроля (ОК) - пьезоэлектронный преобразоватль (ПЭП). Разработанные ранее методики понятны и приемлемы для контроля, но позволяют произвести лишь качественную оценку посадок с натягом.

В связи с этим предложена другая методика оценки качества соединений – посадок с натягом, неразрушающим ультразвуковым эхо-импульсным методом, которая отлажена при исследовании целого ряда образцов. Реализация методики осуществляется с помощью следующих средств:

1. Ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп с прямыми пьезопреобразователями и соединительными кабелями.

2. Образец.

3. Объект контроля – соединения с натягом.

В качестве образца используется втулка или её сектор, без внутренних дефектов (нарушений сплошности металла), выявляемых на рабочих частотах. Размеры сектора выбираются так, чтобы первый и второй эхо-импульсы от внутренней поверхности не претерпевали отражений от боковых поверхностей и противоположных им. Металл образца тот же, что металл объекта контроля, чистота обработки цилиндрических поверхностей та же, что и в

Рисунок 3. Эхограмма на образце:

x – соответствует толщине охватываемой детали

Контроль производится следующим образом: ПЭП-1 устанавливается на образец через контактную жидкость. На экране дефектоскопа измеряется отношение амплитуды первого донного импульса U1 к амплитуде второго донного импульса U2 (рисунок 3). Поскольку это отношение получено экспериментально, то оно автоматически учитывает, а точнее включает в себя поглощение и рассеяние (то же, что и в ОК), расхождение волн, геометрию образца, чистоту обработки поверхностей, свойства контактной

Экспериментально установлено, что качество посадки удобно оценивать по коэффициенту отражения от контролируемой области посадки, который определяется следующим образом:

где R=0,485-значение коэффициента отражения в образце в виде втулки (от внутренней свободной поверхности) с учетом всех факторов, влияющих на изменение отношения (U2/U1); R*- коэффициент отражения от посадки.

Таким образом, одной из решенных задач третьей главы, является разработка методики количественной оценки фактической величины натяга ?факт, по результатам измерения коэффициента отражения ультразвуковой волны R* от зоны сопряжения, которая, при определённых условиях, идентифицируется в данной методике как дефект. Установление количественной связи R* = ?факт(Rz) позволяет дать точную оценку качества посадок УЗ эхо-импульсным методом, как на дискретных локализованных участках посадки, так и осреднённое значение по всей поверхности. По известной шероховатости и сигналу отражения можно уточнить натяг и распределение рк по длине и поверхности контакта, возникновение пластических деформаций, а при известном радиусе цилиндрической поверхности посадки и коэффициенте трения определить натяг и допустимую нагрузку. Измерение локальных значений давления позволяет оценить влияние погрешностей изготовления деталей, в том числе погрешностей обработки посадочных поверхностей, на фактический натяг, учесть возможные отклонения в технологическом процессе получения посадки и при необходимости откорректировать сам процесс.

Дальнейшее развитие эхо-импульсного метода связано с возможностью «паспортизации» НДС объекта (получения своеобразного «диагностического портрета») и сравнения с предыдущим состоянием при очередном обследовании. В нашем эксперименте параметрами паспортизации выступают ослабление УЗ сигнала Nдб (рисунок 4) и коэффициент отражения ультразвуковой волны от зоны сопряжения R*.

Рисунок 4. Диаграммы зависимости ослабления УЗ сигнала Nдб

от натяга в среднем сечении прессовых соединений с разным натягом

Динамика изменения состояний отображается в накопленной информации и создает условия для решения задач количественной интегральной оценки НС и эксплуатационного ресурса соединений с натягом.

Основываясь на результатах исследований, описанных во второй и третьей главах работы, ясно, что данные, полученные с помощью разработанного программного обеспечения для расчета зависимости натяга от нагрузки, применимого при моделировании соединений с натягом различной сложности с учетом их критериальных и габаритных ограничений, а также зависимости, полученные экспериментально, позволяют судить о состоянии соединения в целом, но, что ещё более важно, они могут быть использованы для оценки эксплуатационного ресурса при заданных габаритах и силах возникающих в соединении.

Коэффициент отражения УЗ волны от зоны сопряжения соединений с натягом зависит от шероховатости контактирующих поверхностей, величины контактного давления в посадках с натягом, остаточной толщины воздушной или масляной прослойки и её отношения к длине волны.

Исследования, проведенные на образцах с плоской контактной поверхностью для разных значений шероховатости (рисунок 5) показали, что при уменьшении шероховатости коэффициент отражения R уменьшается, что говорит об улучшении условий контакта, и в реальном соединении будет свидетельствовать о более высоком качестве сопряжения. Зависимость R от нагрузки для разных шероховатостей носит нелинейный характер, асимптотически приближается к определенной величине (пределу текучести), значение R стабилизируется.

Рисунок 5. Калибровочные зависимости коэффициента отражения от нагрузки для разных значений шероховатости

При введении в зону контакта смазок различной вязкости (рисунок 6) установлено, что существует явно выраженная зависимость коэффициента отражения от используемой в соединении смазки, наличие которой не препятствует выявлению влияния контактного давления на R. При давлении, близком к пределу текучести материала деталей, величина R стабилизируется.

Рисунок 6. Зависимости коэффициента отражения от нагрузки

при введении в зону контакта смазок различной вязкости

(автол, солидол – не указан)

Этот результат является неожиданным и новым, поскольку ранее считалось, что вязкость смазки практически не влияет на получаемые при измерениях данные. Но для уточнения механизма зависимости акустических характеристик сопряжения от свойств смазки необходимо проведение более глубоких, всесторонних и самостоятельных исследований.

Четвертая глава диссертации посвящена применению разработанной методики акустического контроля для определения фактической нагрузочной способности соединений с натягом, а также представлена инженерная методика применения теоретико-экспериментального метода.

Разработанная методика применима в контроле ГПС. Она позволяет установить количественную взаимосвязь между коэффициентом отражения ультразвуковых волн и натягом. На рисунке 7 показана взаимосвязь напряжений, действующих в соединении и коэффициента отражения, то есть R* = f(?r).

Рисунок 7. Зависимость коэффициента отражения ультразвука от условий контакта сопрягаемых поверхностей прессового соединения

Описанный выше эхо-импульсный метод используется для исследования влияния условий контакта на качество прессового соединения, поскольку при правильном выборе частоты, коэффициент отражения УЗ волны зависит и от величины нормального давления, действующего в соединении, и состояния контактирующих поверхностей (шероховатость, смазка и т.д.). Обнаружение посадки, и оценка её состояния основывается, на отражении УЗ колебаний от границы раздела сред, как от дефекта. Наиболее сильное отражение, конечно же, происходит на свободной границе раздела - металл-воздух. Однако и на микропустотах, раковинах и т.п., заполненных воздухом, лаком или маслом, также будет происходить отражение из-за существенного различия их удельных волновых сопротивлений.

Исследование влияния контактного давления, шероховатости, наличия смазки, осуществлялось на конических и плоских образцах. Изменение pк обеспечивалось осевым натягом или прессом.