Сравнение метода оптической корреляции с методом на основе магнитоупругости при контроле усталости металла

Ю.И. Калинин, В.Н. Семыкин, А.В. Ульянов

Даны краткие характеристики двух методов оценки усталостной прочности. Показаны преимущества нового метода на основе магнитоуругости.

Точная диагностика прочности деталей машин и элементов конструкций в условиях циклически изменяющихся напряжений – залог обеспечения их долговечности и безаварийности

Известные методы муаровых колес, сеток, реплик не позволяют в общем случае контролировать кинетику напряженно-деформированных состояний и развитие разрушений на всех этапах исследований. Эти методы требуют, чтобы исследуемая поверхность была плоской, без царапин и выбоин и тщательно обезжиренной. В условиях реального производства достичь такое затруднительно. Также необходимы предварительные операции подготовки эмульсий и растворов, и их нанесения на рабочие поверхности, а также мероприятия по защите рисок сеток.

Более приемлемым при решении задачи диагностики усталостной прочности является метод оптической корреляции, использующим лазерную технику и голографию и устанавливающим степень соответствия световых волн, рассеянных отражающей поверхностью в ее исходном состоянии и после деформирования, по их усредненным интенсивностям.

Метод применяют в реальном масштабе времени для изучения развития процесса усталости в материале. При испытаниях строят график сигнала корреляции, зависящего от среднего значения всех изменений структуры освещенной зоны диаметром 50мм при расстоянии от образца до голограммы около 1м. График имеет три участка: снижения интенсивности сигнала в начальном периоде в несколько тысяч циклов, соответствующего процессу упрочнения; постоянной интенсивности в течение значительного числа циклов, соответствующий инкубационному периоду зарождения трещин; непрерывного снижения интенсивности с момента достижения трещинами критических размеров.

Однако этот метод предполагает использование стационарного, дорогостоящего оборудования и практически не может быть реализован для контроля процессов усталостного разрушения в деталях и конструкциях, геометрия которых препятствует ходу световых волн и получению голограмм для закрытых мест концентрации напряжений. Метод требует лабораторного затемнения помещения, прецизионной установки голографической системы, юстировки с точностью до величин, соответствующих длинам световых волн; отсутствия любых вибраций, пыли, задымленности и т.д. Измерения можно проводить лишь с одной постановки образца. К последнему нельзя прикасаться руками. Все это исключает исследования в реальных производственных и, особенно, в полевых условиях.

Оригинальная методика диагностики усталости металлов на основе магнитоупругого контроля изменений углов наклона главных площадок при плоском напряженном состоянии в образцах и изделиях из ферромагнитных материалов разработаны учеными Воронежского государственного архитектурно-строительного университета в середине текущего десятилетия. Впервые получен график зависимости углов наклона главных площадок от числа циклов нагружения, исследованы три характерных участка этого графика. Особенности третьего участка непосредственно свидетельствуют об исчерпании усталостного ресурса металла.

Магнитоупругий прибор, реализующий метод, дешев, компактен (размером с настольный телефонный аппарат), мобилен, работает от сети или аккумуляторов при температурах от 0 до 40⁰С в цехах и на открытом воздухе, на поверхностях со ржавчиной, окалиной, слоем краски, масляными пятнами, что дает возможность расширения номенклатуры контролируемых изделий путем доступа к ранее закрытым для исследования местам концентрации напряжений, а также обеспечение возможности контроля в реальных производственных, в том числе полевых, условиях.

В 2008 году Федеральная служба «РОСПАТЕНТ» признала метод на основе магнитоупругости изобретением и приняла решение о выдаче на него патента.

Проведенное нами сравнение показало очевидные преимущества магнитоупругого метода в сравнении с методом оптической корреляции.

Метод рекомендуется к широкому внедрению с целью предотвращения усталостного разрушения ответственных изделий, работающих при циклическом нагружении.

Воронежский государственный архитектурно-строительный

университет

Воронежский государственный технический университет

УДК658.011

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК ФУНКЦИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ИЗДЕЛИЯ

В. Н. Старов

Представлены результаты исследований функциональных взаимосвязей технологической наследственности с этапами жизненного цикла изделия.

Одной из основных платформ любой технической системы является технологическая наследственность. Существуют сложные взаимосвязи жизненного цикле изделия (ЖЦИ) с технологической наследственностью объекта (ТНО). Попытаемся с нескольких позиций анализировать основные явления, которые сопровождают процессы создания и эксплуатации изделия.

Так, с позиции технолога важно учитывать, как процессы связаны с формирования конкретных геометрических и физико-механических параметров. С эксплуатационной позиции и работоспособности изделия важным является учет явления эксплуатационной наследственности. Есть еще одна позиция, которая отражает связь между параметрами процессов утраты работоспособности изделия с величиной выработанного ресурса и с предысторией нагружения объектов системы на начальных стадиях ЖЦИ. Это во многом определяет направления развития систем, включая модернизацию.

При всей заинтересованности решения указанных задач, связанных с направлением технологи­ческой наследственности объекта, большинство существующих исследований были посвящены вопросам, описывающим влияние ТНО на отдельные характеристики качества и точности обработки. Отдельные задачи, связанные с проявлением ТНО в машиностроении, решены на более высоком уровне, причем исследователи наметили пути управления этим явлением с целью обеспечения требуемых показателей качества изделия, однако многие вопросы ТНО требуют нового подхода.

Известны различные подходы в учете и управлении технологической наследственно­стью, но они не отражают единой интегрированной картины, определяющей роль технологической наследственности объекта в жизненном цикле изделия.

Исследования, проведенные в последние годы, подтвердили, что эти зависимости еще более весомы, чем считалось ранее. Существует новое видение проблемы учета влияния технологической и эксплуатационной наследственности на этапах жизненного цикла изделия. При этом просматривается определенная неразрывность связей этапов проектирования изделия, характеристик технологического процесса изготовления машин, формирования показателей работоспособности изделия, параметров процесса утраты их работоспособности при эксплуатации, ремонта или модернизации технической системы.

Работоспособность технических систем (ТС) во многом определяется набором факторов, влияющих на поведение объектов системы в жизненном цикле изделия. Факторы могут быть единичными или представлены несколькими группами, или даже комплексом. Возникает вопрос приоритетности их рассмотрения, учета и решения технических и технологических задач, связанных ЖЦИ.

При этом важно учитывать, как процессы, связанные с технологией изготовления изделия, включая формирование в деталях геометрических и физико-механических параметров, так и явления эксплуатационной наследственности. Важно определить связи между параметрами процессов утраты работоспособности объекта с величиной выработанного ресурса и во многом взаимосвязаны с направлениями развития технической системы. Для обеспечения необходимого уровня надежности изделий (оборудования, автомобилей, любой ТС) следует исходить с единой позиции ТНО и анализировать все явления, которые сопровождают изделия в ЖЦИ. При этом следует исходить из того, что в ЖЦИ существуют, по крайней мере, три - четыре основных уровня развития объекта, на которые следует обращать особое внимание. Это объективно, ибо в ЖЦИ технологическая наследственность проявляется по-разному на разных уровнях. Так как каждому уровню свойственны свои особенности, то и степень учета явления технологической наследственности на каждом из этапов своя.

Введем классификацию уровней ТНО. Исходим из того, что на первом уровне осуществляют разработку конструкции объекта и создают необходимую документацию, включая электронное ведение объекта. В некоторой части, это умозрительный, прогнозируемый уровень технологической наследственности, но от него следует начало.

Второй этап учета ТНО – базовый, это производство изделия. Он занимает важнейшее место в формировании технологической наследственности, т.к. результатом является «вмешательства» процессов формообразования в структуру материала и состояние объекта. Разрушение (при резании) или деформирование (при прессовании) и т.п. приводит к реальному изменению характеристик объекта. Внешнее воздействие технологического характера определяется методом обработки, оно формирует линейно - геометрические и функциональные характеристики объекта. Сложившиеся в результате воздействий на структуры поверхностного и приповерхностного слоев параметры объекта по-разному влияют на работоспособность изделия, поэтому учесть их и управлять ими в заданном направлении является основной задачей на данном этапе.

На последующих этапах осуществляется учет и оценки эксплуатационных характеристик объектов изделия, включая влияние процессов старения элементов ТС и модификационный фактор.

Важное место в ЖЦИ занимает этап, который связывают с ремонтом изделия, что часто необходимо при эксплуатации.

Особо выделим также этап модернизации, когда стремятся не только восстановить работоспособность объекта, но и придать ему новые, более эффективные показатели, повышающие срок службы.

Повышение эксплуатационных свойств изделия возможно как на хорошо зарекомендовавшей себя первоначальной базе изделия (его основных объектов: агрегатов, узлов, деталей), так и в результате соединения с основой нового технического или технологического решения. Таким образом, можно говорить об учете многих подсистем явления технологической наследственности взаимосвязанных с ЖЦИ.

Идеальным теоретическим развитием любой системы является учет всех явлений и факторов на всех этапах и управление ими по нужным направлениям, но практически это сделать сложно. Поэтому требуются реальные показатели, предпочтительно комплексные, которые позволяют оценить свойства изделия. С учетом этого следует управлять техническим уровнем объекта.

Обобщение факторов, определяющих свойства объекта, проводят в зависимости от целей, возложенных на ТС, включая технические, экономические, инновационные и др. Однако, всегда целесообразно сформировать обобщенный показатель технического уровня объекта.

По нашему мнению, чтобы приблизиться к уровню обобщения влияния ТНО в ЖЦИ, в перечне первоначальных задач необходимо включить и решать следующие. Первое, исследовать влияние единичных факторов на каждом из уровней, т. е. установить взаимосвязи технологической наследственности как функции жизненного цикла изделия, т. е. ТНО = f (ЖЦИ). Далее, необходимо выявить обобщающие факторы уровней в развитии ТС. Третье, провести общую систематизацию объектов элементов и уровней, определяющих процессы проектирования, производства и эксплуатации изделия. И, наконец, сформировать обобщенный показатель для уровней ТНО, обеспечивающий технологическую приемственность при проведении модернизации изделия и его развитии в целом.

Воронежский государственный технический университет

УДК658.011