ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2020
Просмотров: 2479
Скачиваний: 5
А
а
c
b
2
3
1
Рисунок 9 – Схема замера остаточных напряжений в цилиндровой втулке
2.4 Комплексный критерий для оценки виброударного нагружения при гидродробеструйной обработке цилиндровых втулок
Эксплутационная надежность высокофорсированных дизелей зависит от
сохранения первоначальных размеров и формы их базовых деталей.
Обычно детали, изготовленные в соответствии с чертежом и установленные на дизель, по истечении некоторого времени изменяют геометрические размеры и форму - эллипсность, овальность, огранку. Эти изменения соизмеримы с зазорами в сопряжениях. Причина указанного явления - высокий уровень начальных остаточных напряжений /24/. Принимая во внимание наличие в высоконагруженных деталях концентрации напряжений или поверхностных дефектов (царапин, забоин, местного наклепа), являющихся очагами развития усталостных трещин, требуется выбор поверхностного пластического деформирования (ППД) поверхности путем искусственного создания начальных остаточных напряжений сжатия.
Определение начальных остаточных напряжений на поверхности высоконагруженных деталей сложной конфигурации (цилиндровая втулка, шатун, коленчатый вал и другое) современных форсированных дизелей представляет весьма сложную задачу. По этой причине при расчете различных конструкций на усталостную прочность учитываются только статические и динамические нагрузки, а запасы усталостной прочности без начальных остаточных напряжений оказываются заниженными. Для повышения запаса усталостной прочности вводится усредненное значение начальных остаточных напряжений.
При этом последние значения, суммируясь, например, с динамическими напряжениями от внешних нагрузок, могут превысить предел текучести, вызывая коробление деталей и появление усталостных трещин. Известен метод динамического нагружения отливок для стабилизации размеров путем принудительной вибрации /51/. При этом в отливке возникают затухающие колебания, создающие дополнительные напряжения в материале детали. Так как вибрационная обработка способствует уменьшению коробления детали, считается, что она вызывает резкое снижение начальных остаточных напряжений, имевшихся в отливке.
В способе вибрационного старения, включающем вибрационную обработку /36/, эффективность вибрационного старения определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладываемой нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровозбудителем, а также геометрической формы детали. Недостатком известных способов стабилизации остаточных напряжений является их невысокая эксплутационная надежность, обусловленная высоким уровнем начальных остаточных напряжений как после механической обработки, литья, штамповки, так и после стабилизации их различными способами. Отличительным признаком технологического метода ППД - ультразвуковой обработки является повышение эксплутационной надежности детали путем релаксации начальных остаточных напряжений вибрационным старением за счет ультразвуковых колебаний.
Р
Скачкообразный
характер
намагничивания
материала детали
Нагружение
σ
Р
Разгрузка
0
ε
Площадь петли гистерезиса, пропорциональная энергии, затрачиваемой на один цикл на пластическую деформацию детали, характеризует рассеивание энергии в материале при циклическом нагружении.
Изучение зависимости петли гистерезиса от уровня амплитуды начальных остаточных напряжений, числа циклов, состояния материала и других факторов позволяет глубже понять механизм усталостного разрушения и создает предпосылки для разработки энергетических трактовок закономерностей усталостного разрушения. Анализ петли гистерезиса позволил профессору Баркхаузену в 1919 г. доказать, что процесс намагничивания, описываемый законом гистерезиса, не является непрерывным, имеет скачкообразный характер, который возникает в результате суперпозиции большого количества малых по амплитуде воздействий, генерируемых в процессе перемагничивания областей, содержащихся в ферромагнитном материале детали.
От сложения электрических импульсов как параметров скачков кривой
намагничивания (петли гистерезиса) регистрируется шумоподобный сигнал Баркхаузена. Указанный эффект объясняется тем, что распространяющееся в объеме материала электрическое поле, возникшее в результате скачков, взаимодействует с вихревыми токами Фуко, которые оказывают на указанное поле шумового сигнала демпфирующие воздействие.
В результате последнего в материалах с положительной магнитной анизотропией (например, в стали) начальные остаточные напряжения сжатия уменьшают интенсивность шумового сигнала Баркхаузена, а растягивающие начальные остаточные напряжения увеличивают амплитуду шумового сигнала.
Указанное свойство используется для определения начальных остаточных напряжений по результатам изменения интенсивности шумового сигнала Баркхаузена. Особенностью непрерывного уменьшения шумов Баркхаузена является возрастание твердости материала детали.
Динамические процессы - усталость и ползучесть металла - характеризуется, в первую очередь, изменением начальных остаточных напряжений и легко могут контролироваться посредством метода изменения магнитоупругости материала. Степень стабилизации начальных остаточных напряжений после ППД деталей оценивают по специальному прибору «Стресскан 500» (США, Финляндия)
Поверхностные слои цилиндровых втулок форсированных дизелей являются особо ответственными, так как в большинстве случаев усталостное разрушение от динамического приложения нагрузок имеет место именно в этих поверхностных слоях. Несущая способность цилиндровых втулок существенно повышается за счет сжимающих остаточных напряжений, создаваемых в поверхностном слое в процессе ППД, например, дифференцированного дробеструйного упрочнения (ГДУ) на установке ГДЭУ-5.
Исследования элементов привода этой установки в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» показали, что наличие в системе смазки гидродинамических колебаний в сочетании с кинетической энергией виброудара шаров является причиной значительного динамического нагружения в процессе ГДУ деталей. Осциллографирование подтвердило, что при ГДУ в системе смазки ГДЭУ-5 возникают вынужденные гармонические колебания - пульсация давления масла с круговой частотой, пропорциональной частоте вращения масляного насоса.
Для комплексной оценки изменения физико-механического состояния поверхностных слоев при ГДУ в производственных условиях используют контрольные пластины как образцы-свидетели, изготавливаемые из того же материала, что и упрочняемая цилиндровая втулка. При этом считается, что статическая стрела прогиба пластины /1/ служит мерой интенсивности и стабильности процесса ГДУ.
Для оценки динамической напряженности и связи показателей виброударного нагружения при ГДУ с конструктивными параметрами жестко защемленной пластины как образца-свидетеля примем комплексный критерий-коэффициент динамичности нагрузки Кд.
Чтобы определить, как зависит уровень начальных остаточных напряжений от этого критерия, используем принцип Сен-Венана и заменим распределенную виброударную нагрузку при ГДУ равнодействующей - гармонически меняющейся сосредоточенной вибрационной силой Р sin(ωt), указанной на рисунке, полагая при этом, что пульсирующий характер движения масла в системе ГДЭУ-5 близок к гармоническому. Используя уравнение амплитуды динамического прогиба для трижды статически неопределимой жестко закрепленной пластины, подверженной действию вынужденных гармонических колебаний, Н. И. Безухов /1/ и другие установили:
(1)
Приняв начало координат на левой опоре (у0=М0=0), определи опорный динамический момент в заделке
, (2)
где
θ – частота импульсирующей нагрузки;
q – погонный вес пластины;
Р – сосредоточенная сила;
I – момент инерции поперечного сечения пластины;
Аа, Ва, Са, Да – функции влияния, вычисляемые по табличным выражениям.
При статическом действии силы Р опорный момент М для жестко закрепленной пластины определяется формулой
,
Коэффициент динамичности нагрузки
По исходным данным для жестко закрепленного образца-свидетеля можем рассчитать значение Кд
q=0,0994 кг/м1;
θ=303,5 с-1;
К=1,266 м-1,
Аа=1;
Ва=0,1;
Са=0,05;
Да=0,000174
l=0,1м.
Расчетное значение Кд равно 1,579.
Для экспериментальной оценки коэффициента динамичности Кд и его влияния на уровень начальных остаточных напряжений в контрольной пластине после ГДО в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» проведены специальные исследования, схема которых приведена на рисунке 11.
Жесткая пластина (1) односторонне обрабатывалась виброударно шарами из сопла (2) в камере установки ГДЭУ-5. На противоположной неупрочненной стороне посредине пластины наклеивались рабочий R и компенсационный К тензорезисторы, включенные в усилитель (3) тензостанции АНЧ-8-ТМ.
Преобразованный сигнал динамической деформации пластины регистрировался на шлейфовом осциллографе (4) марки Н-115. Схема питалась от блока питания П-131 (5). Пред проведением исследований рабочий тензорезистор тарировался статически на специальном приспособлении с заданием прогиба пластины микрометром и контролем его по индикатору.
2
Р · Sin
(ωt)
1
5
3
4
K
R
Y0
H
l
1 – жесткая пластина образца - свидетеля;
2 – сопло; 3 – усилитель;
4 – осциллограф Н-115; 5 – блок питания П-131.
Рисунок 11 - Схема исследования динамического нагружения в плоском образце при ГДО.
Благодаря осциллографированию динамических нагружений можно установить, что уровень динамики нагружения жестко защемленной пластины в процессе ГДО, оцениваемой коэффициентом динамичности Кд, определяется из соотношения
, (3)
где f - относительное динамическое изменение напряжений в пластине,
определяемое как разность между средними значениями амплитуд I и II
гармоник;
F - среднее относительное значение амплитуды I гармоники напряжений в пластине.
Согласно осциллограмме
То есть изменение амплитуды вибрационного нагружения в жестко защемленном образце-свидетеле достигает 48%, что необходимо учитывать при оценке уровня начальных остаточных напряжении после поверхностого пластического деформирования.
3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОГО
СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОВОЙ ВТУЛКИ ВЫСОКОФОРСИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ
3.1 Особенности применения метода конечных элементов для расчета цилиндровых втулок
Характер нагружения сечений цилиндровых втулок механическими и тепловыми нагрузками сложен; способы экспериментального определения действительных напряжений, например, натурные усталостные дают также грубое представление о распределении напряжений на поверхностях втулок, а не в нагружаемых сечениях. Поэтому большинство расчетов на прочность втулок являются условными, весьма приближенными и позволяют сравнивать величины расчетных напряжений во втулках конструируемого двигателя с подобными напряжениями во втулках однотипных двигателей, работоспособность которых при напряжениях, определенных по данным расчета или эксперимента, подтверждена эксплуатацией.
Известна приближенная методика расчета цилиндровой втулки как тонкостенной оболочки постоянной толщины с жестким фланцем (Тимошенко, Войновский-Кригер). Наибольшие напряжения по подобной расчетной схеме возникают в месте соединения цилиндра и фланца. Методика не учитывает фактора «отгиба» фланца при действии осевой сжимающей нагрузки, контактного давления в затянутом стыке фланцевого соединения и концентрации напряжений в галтельной зоне. Большая разница между расчетными и экспериментальными напряжениями подтверждает, что известная расчетная схема /5/ не полностью отражает деформативность цилиндровой втулки, что делает практически непригодной эту методику для расчета втулок дизелей в условиях высоких форсировок последних.
Рядом исследователей /38/, /57/ доказано, что напряженное состояние цилиндрической оболочки около отверстия разделяется на основное (без учета отверстия) и дополнительное, вызванное наличием отверстия. Следовательно, для упрощения расчет цилиндровой втулки разделяют на три части: расчет геометрических размеров втулки без учета отверстия, расчет напряженного состояния втулки в зоне отверстия, расчет возмущенного напряженного состояния, вызванного наличием отверстия. Указанные методики не нашли применения в практике дизелестроения из-за условных допущений, приводящих к значительным погрешностям расчета.
Для расчета напряженного состояния цилиндровых втулок /11/ рекомендован метод конечных элементов (МКЭ) через кольцевые конечные структуры треугольного сечения. Зона перехода опорного фланца во втулку аппроксимируется измельченными конечными элементами, что позволяет выполнять расчет нагруженного состояния без учета коэффициента концентрации напряжений. Реальная цилиндровая втулка заменяется структурой конечных элементов относительно простой формы, связанных между собой определенным числом узловых точек, расположенных на границах. При этом выбирается система функций, определяющих перемещения внутри каждого конечного элемента через перемещения узловых точек. Последние, при известных упругих свойствах элемента, позволяют определить его внутренние и внешние напряжения.
В теоретическом плане внедрение МКЭ как одного из мощных средств решения задач теории упругости позволяет рассчитывать напряжения, деформации и тепловое состояние деталей любой сложности и конфигурации в упругой и упругопластической областях. Однако, применительно к цилиндровой втулке необходимость задания большого числа элементов с конкретным заданием асимметрической нагрузки ограничивает возможности решения задач определения несущей способности при реальном многообразии нагрузок. В этом случае применять МКЭ необходимо для уточнения напряжений после решения задачи определения напряженно деформированного состояния цилиндровых втулок более простым способом. Применение МКЭ в зоне концентрации напряжений, как это показано в работе /19/, дает разницу между расчетными и экспериментальными значениями напряжений на 40÷50, что снижает достоверность расчетной методики с применением МКЭ и требует дополнительных уточнений. Кроме этого, МКЭ не учитывает асимметрии приложения динамических нагрузок. При исследовании напряженного состояния цилиндровых втулок в статике применяют все известные методы измерения, для чего используют разнообразные приборы, большая часть которых основана на электрических методах измерения неэлектрических величин.