автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Методическое и программное обеспечение измерения напряжений в деталях машин датчиками деформаций интегрального типа

УДК 621.833:539.381.1

На правах рукописи

СЫЗРАНЦЕВА Ксения Владимировна

МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ МАШИН ДАТЧИКАМИ ДЕФОРМАЦИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА

Специальность 05.02.02- "Машиноведение и детали машин"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган 1998

Работа выполнена в вузовско-академической лаборатории "Эксплуатационная надежность транспортных машин" Курганского государственного университета.

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор А.С.Терехов

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

С.Л.Голофаст

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.Е.Беляев

кандидат технических наук, доцент Н.Н.Крохмаль

Ведущее предприятие: Институт механики Ижевского государственного технического университета

Защита диссертации состоится 24 декабря 1998 года на заседании диссертационного совета Д064.18.01 Курганского государственного университета (640669, г. Курган, ул. Гоголя, 25, КГУ). ь

Просим Вас принять участие в заседании диссертационного совета или прислать по указанному адресу отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курганского государственного университета.

Автореферат разослан К ноября 1998 г. Ученый секретарь диссертационного совета

С.С.Гулезов

.э

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Для машиностроения весьма актуальной является проблема создания средств и методов экспериментального исследования нагруженности и ресурса деталей и металлоконструкций машин, позволяющих с минимальными затратами в условиях обкатки машин (узлов) на стендах или после кратковременных испытаний изделий в условиях эксплуатации определить места вероятного разрушения, оценить их напряженно-деформированное состояние и предсказать сроки разрушения. Одним из эффективных направлений решения поставленной проблемы является использование нетрадиционных средств измерения напряжений и деформаций, возникающих на поверхностях деталей при их циклическом нагружении. К таким средствам относятся разработанные в Курганском государственном университете датчики деформаций интегрального типа (ДДЙТ). Основой датчиков является металлическая фольга, свойства которой изменяются в процессе циклического деформирования.

Накопленный к настоящему времени опыт практического применения методов оценки с помощью ДДИТ нагруженности и ресурса деталей при их конструкторско-технологической доработке в процессе испытаний на стендах свидетельствует, что новые средства экспериментального исследования, ДДИТ, и методы их использования обладают широкой универсальностью и большими потенциальными возможностями. В то же время для диагностики нагруженности деталей в процессе эксплуатации машин на основе показаний ДДИТ необходимо иметь специальные методики расшифровки их реакции, реализуемые в условиях дорожных (ходовых) испытаний машин и базирующиеся на той информации, которая в этих условиях может быть получена. Разработка таких методик с соответствующим математическим и программным обеспечением и их реализация позволят существенно сократить трудоемкость и время операций конструкторской и технологической отработки деталей трансмиссий новых образцов машин, - задача для современного машиностроительного производства важная и актуальная.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИИ. Цель работы - создание расчетно-экспериментальных методик оценки с помощью ДДИТ нагруженности деталей трансмиссий (валов, зубчатых колес), реализуемых на основе данных, получаемых в процессе стендовых и эксплуатационных испытаний трансмиссий и машин.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

¡.Разработан ряд методик определения с помощью ДДИТ крутящих моментов на валах, реализуемых как в условиях стендовых испытаний трансАшссий (при некоторых известных параметрах процесса нагружения и возможности его прерывания для регистрации показаний ДДИТ), так и в ходе эксплуатации машин.

2.Установлена взаимосвязь напряженно-деформированного состояния контактирующих плоских образцов с реакцией ДДИТ, наклеенных на поверхности образцов в зонах, прилегающих к контактной.

3. Созданы расчетно-экспериментальные методики определения нагруженности зубьев колес цилиндрических передач, позволяющие получать требуемую для анализа информацию после испытаний машин в условиях эксплуатации. Расчетная часть методик поддерживается разработанным пакетом программ, в основе которых реализованы метод конечных и граничных элементов (в объемной постановке).

4.Разработано математическое и программное обеспечение для обработки экспериментальных данных измерения с помощью ДДИТ характера распределения напряжений и коэффициента их концентрации (одномерные и двумерные модели аппроксимации).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При выполнении работы использовались численные методы теории упругости (методы конечных и граничных элементов), методы одномерной и двумерной сплайн-аппроксимации, методы расчета на прочность деталей машин, экспериментальные методы оценки циклических напряжений с помощью датчиков деформаций интегрального типа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложена новая методология измерения напряжений по информации с ДДИТ, основанная на учете напряженно-деформированного состояния поверхности детали в месте наклейки датчиков. Разработаны расчетно-экспериментальные методики определения крутящих моментов на валах и напряжений в основании зубьев цилиндрических колес для нестационарных условий нагружения передач и ограниченных возможностей получения информации с ДДИТ в процессе испытаний машин. На основе установленных связей реакции ДДИТ на поверхности плоских образцов с их напряженно-деформированным состоянием при циклическом контактном взаимодействии, предложен новый способ тарирования ДДИТ, обеспечивающий возможность определения нагруженности контакта в зацеплении зубьев.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанный пакет программ позволяет осуществлять эффективную обработку данных измерений с помощью ДДИТ, устанавливать характер распределения напряжений по исследуемой поверхности детали, определять величину максимальных и

номинальных напряжений. Созданный комплекс программ по расчету напряженно-деформированного состояния зубьев колес МКЭ и МГЭ, с одной стороны, обеспечивает получение требуемой информации для расшифровки показаний ДДИТ в процессе реализаций разработанных методик оценки нагруженности зубьев, а с другой - может быть использован в исследованиях влияния геометрических параметров зубьев на прочностные их характеристики. Разработанные расчетно-экспериментальные методы позволяют после кратковременных испытаний изделий с ДДИТ получить данные о нагруженности исследуемых деталей в реальных условиях работы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: Методология измерения напряжений по информации с ДДИТ, основанная на учете напряженно-деформированного состояния поверхности детали в месте наклейки датчиков. Расчетно-экспериментальные методики определения крутящих моментов на валах и напряжений в основании зубьев цилиндрических колес при ограниченных возможностях получения информации с ДДИТ в процессе испытаний машин. Способ тарирования ДДИТ, обеспечивающий реализацию метода определения нагруженности контакта в зацеплении зубьев.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Предложенные в работе методы использовались для получения информации о реальной нагруженности полуосей и зубчатых колес главной передачи спортивных автомобилей КамАЗ, участвующих в международных авторалли Париж-Москва, Париж-Москва-Улан-Батор-Пекин. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс КГУ.

Работа является составной частью ряда проектов, выполненных в рамках научно-технических программ и грантов Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации: инновационной программы "Прогрессивные зубчатые передачи", программы "Конверсия и высокие технологии", двух грантов по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на пятом межгосударственном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г. Курган, 1993г.), международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 1995г.), межрегиональном семинаре-выставке "Автоматизация и прогрессивные технологии" (г. Новоуральск, 1996г.), международной конференции "Теория и практика зубчатых передач" (г. Ижевск, 1996г.), международной научно-технической конференции "Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации" (г. Тюмень, 1996г.), шестом международном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г. Курган, 1997г.), национальной

конференции с международным участием "Инженерная механика-97" (Чехия, г. Свратка, 1997г.), национальной конференции с международным участием "Инженерная механика-98" (Чехия, г. Свратка, 1998г.).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась и была одобрена на научном семинаре кафедры деталей машин КГУ( Курган, 1998), на объединенном научном семинаре "Совершенствование технико-эксплуатационных показателей машин и механизмов" КГУ (Курган.1998).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста, выводов, списка использованных источников, включающего 86 наименований, содержит 116 страниц машинописного текста, 40 иллюстраций, 2 таблицы, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненного исследования. Дана краткая характеристика состояния проблемы, поставлены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, положения, которые выносятся на защиту.

В первом разделе "Состояние вопроса и постановка задач исследования" на основе работ В.Н.Сызранцева. А.С.Терехова, Д.А.Троценко, С.Л.Голофаста, А.Ю.Розенберга, А.Ю.Удовикина, А.В.Добрынько, А.И.Маленкова, С.Г.Тютрина и других исследователей анализируются методы использования ДДИТ при решении задач определения для деталей и металлоконструкций машин мест вероятного разрушения, оценки их напряженно-деформированного состояния и прогнозирования ресурса. Выявлены ограничения и определены условия, препятствующие реализации ранее разработанных методик в ходе стендовых и эксплуатационных испытаний деталей. На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе "Разработка методик определения с помощью датчиков деформаций интегрального типа крутящих моментов на валах" для различных случаев нагружения валов (действующий крутящий момент постоянный, переменный или изменяется по случайному закону, соответствующего аддитивному случайному процессу) и с учетом возможностей получения информации с ДДИТ, определяемых как условиями проведения испытаний изделий, так и способами регистрации реакции датчиков, разработан ряд методов решения задачи восстановления величины крутящего момента по показаниям ДДИТ. Общим для всех методик является наличие тарировочной зависимости для ДДИТ, связывающей число циклов нагружения (АО и амплитуду касательных напряжений (т), построенной по

моменту возникновения на поверхности датчиков реакции в виде первых "темных пятен". Эту зависимость получают в процессе циклического закручивания тарировочных образцов с датчиками. Для математического описания тарировочной зависимости использовано решение дифференциального уравнения накопления усталостных повреждений:

где N - число циклов до реакции ДДИТ; т -амплитуда касательного напряжения; Пг - величина поврежденности материала образца, соответствующая появлению реакции на ДДИТ; К - коэффициент пропорциональности; ть& -аналог предела прочности материала датчика; г,г -предел выносливости при кручении образца с коэффициентом асимметрии цикла г. Определение входящих в уравнение (1) коэффициентов на основе имеющейся совокупности данных тарировочных испытаний (ЛЛ,-, г,), выполняется на основе специальных алгоритмов, реализующих метод компьютерного моделирования. В результате устанавливаются как искомые параметры (П?, ть?, тг$, К ), так и доверительные границы тарнровочной зависимости.

При решении задачи восстановления действующего на вал}' крутящего момента постоянной амплитуды (7) датчик помещают на галтели вала (рис.1) и после его испытания в условиях циклического закручивания фиксируют положение на ДДИТ границы первых "темных пятен". Зная в этих точках на основе тарировочной зависимости величину т, и учитывая напряженно-деформированное состояние галтели вала, характеризуемое се геометрическими параметрами, определяют искомую величину Т. Для случая, когда вал нагружается блоком крутящих моментов, относительные параметры которого известны, разработана специальная методика, основанная на том, что за ¿V число циклов до реакции датчика его поврежденность достигает величины Пя:

где Пр - поврежденность датчика на /-ой ступени блока нагружения.

В результате реализации методики не только восстанавливается максимальное значение Т, но и определяется эквивалентная величина ТЕ, соответствующая заданному блоку. В работе показано, что наибольшими возможностями обладает методика, базирующаяся на регистрации реакции

(1)

т

(2)

Рис.1

Рис.2

Рис.5

Рис.6

на датчиках различной чувствительности, помещенных на галтели вала, "состыкованной" с данными расчета касательных напряжений по галтели вала. Эффективность этой методики в диссертации продемонстрирована на примере определения эквивалентного крутящего момента (7/^=2658 Н-м), действующего на разгруженной полуоси спортивного автомобиля КамАЗ при прохождении автомобилем международной трассы Париж-Дакар. В процессе реализации методики установлено и эквивалентное число циклов нагружения полуосей (/V,,—] 56000).

В третьем разделе диссертации "Развитие методов оценки с помощью датчиков деформаций интегрального типа напряженно-деформированного состояния зубьев" разработаны новые методы определения нагруженности контакта в зацеплении зубьев на основе информации с ДДИТ, помещенных на торцы контактирующих зубьев, а также методы оценки с помощью ДДИТ напряжений, возникающих в основании зубьев цилиндрических колес при работе передач в условиях эксплуатации машин. Для решения первой задачи требовалось осуществить идентификацию реакции на ДДИТ, помещенных на торцовую поверхность плоских образцов, подвергнутых циклическому контактному деформированию, с данными напряженно-деформированного состояния этих образцов. Для решения второй задачи, следуя общей методологии работы, необходимо иметь результаты определения напряженно-деформированного состояния зубьев колес в месте наклейки датчиков.

Геометрическая форма зубьев достаточно сложная. В теории упругости для таких деталей аналитические решения по оценке НДС отсутствуют. Поэтому в. диссертации разработан программный комплекс, в основу которого положены метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ). В качестве примера на рис.2 и рис.3 представлены данные расчета напряженно-деформированного состояния зубьев. В результате выполненных исследований установлено, что граница реакции на датчиках, наклеенных на торцовую поверхность образцов, соответствует линии уровня сжимающих деформаций в образце при его контактном деформировании (рис.4). Отмеченное позволило предложить методику тарирования и расшифровки показаний ДДИТ для решения задачи определения нагруженности зацепления. На рис.5 показана реакция на датчиках, наклеенных на торцовую поверхность зуба, полученная после обкатки под нагрузкой колес передач Новикова, а на рис.6 - согласованные результаты расчета напряженно-деформированного состояния зуба по разработанной программе .

Программный комплекс позволяет получить данные о напряженно-деформированном состоянии поверхности в месте наклейки датчиков -переходной поверхности или поверхности впадин зуба (рис.2). Для

реализации методики определения работоспособности зубчатых колес в эксплуатации необходимо иметь закон изменения напряжений по профилю переходной поверхности. Если в результате испытаний колес с датчиками на них зафиксирована реакция (первые "темные пятна"), то положение реакции на галтели зуба совместно с рассчитанным законом распределения напряжений по галтели позволяет определить величину максимальных напряжений в основании зубьев. Конечным результатом предложенной методики является определение произведения коэффициентов (ГОСТ 2135487):

К у/) • Кру- К,а = о,ГI <т,.Гт , (3)

где огяш, оу.-/'01" величина максимальных и номинальных напряжений, возникающих в основании зубьев шестерни исследуемой передачи. Для расчета сг,.7"01п используется значение эквивалентного крутящего момента. Величина сгп'тк устанавливается по показаниям ДДИТ с учетом данных их тарирования и известного эквивалентного числа циклов нагружения зуба, а также расчета напряженно-деформированного состояния галтели зуба в месте наклейки датчика.

В работе представлены результаты определения работоспособности главных зубчатых передач двух автомобилей КамАЗ после прохождения ими международной трассы. Для первой передачи, вышедшей из строя на середине трассы (I ~ 2500км), произведение коэффициентов (3):

К,гК^-КГа = 2,24. (4)

Для второй передачи, оставшейся работоспособной в течение всей трассы испытаний (/. ~ 5000км), полученное произведение этих коэффициентов

1{,,7Г 1,50. (5)

Четвертый раздел "Математическое и программное обеспечение методов измерения напряжений по информации с датчиков деформаций интегрального типа" посвящен разработке методов, алгоритмов и программ, позволяющих осуществлять обработку результатов получаемых с помощью ДДИТ. Созданный комплекс программ иллюстрируется блок-схемой, представленной на рис.7. Рассматриваются две задачи аппроксимации экспериментальных данных - одномерная и двумерная. В качестве математической модели для решения первой задачи использованы параболические, кубические, параметрические и напряженные сплайны с различным набором замыкающих уравнений. Для восстановления функции распределения напряжений по поверхности применена аппроксимирующая функция в .виде суммы произведений полиномиальных функций, число членов которой определяется с помощью критерия хаотизации.

На рис.8 и 9 показаны примеры использования разработанного программного комплекса при решении конкретных задач. На рис.8а представлены результаты аппроксимации значений напряжений в

Рис.7.

шсвшгж

В Ф9ЙЛ

C«U>iE»oa?JCEtC1¡ .

.у.сив&ыжяшип):

• Í* Параметричесхии<:. . : i р¿IMOE+OI О.'ШЕЧ51 -

л

i Просмотр - C\DIPL0M\0KSEf!I.A?0 "

В файл

FM

I"/. vt,:-p,B0É>oojN"-&0DE»0a

б

Рис. В

К Ррошатр rcamOMWeaHSTOMPi^BIIW^

yr-fb-Л "рОСмйТрй- - • Г —-Г--

I

i .'j ¿O Лрйвзлс -Mcawt» , OCe^HMerwwcuíciCTbtG-íO'n

" '.-.'г' - I

I I^CVpostM 1

^KûnHMèutçoit-tfcjiejJHi.i.^lÔQ -

S 5- Б

¡ V. -t3S=«.-í /" ,.

Ê/çea-'iiE-Mft

JÜ

:ï«C*0S

?Ж'Ш -

Рис.9

продольном направлении зуба солнечного колсса бортового редуктора тягача. Экспериментальные значения напряжений получены с помощью ДДИТ в процессе дорожных испытаний тягача (пробег 1200 км). Рис.86 иллюстрирует обработку данных измерения по показаниям ДДИТ напряжений, возникающих в основании зубьев колес с профилем Новикова при работе передачи. На рис. 9 показана двумерная аппроксимация величин максимальных напряжений, возникающих в основании зубьев колес с профилем Новикова, в зависимости от двух погрешностей изготовления колес. Значения максимальных напряжений, использованные в качестве исходных данных (получены в процессе обкатки передач с ДДИТ под нагрузкой), на топографической картине рис.9 показаны крестиками.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований доказано, что использование данных расчета напряженно-деформированного состояния в местах концентрации напряжений (в галтелях валов, в основании зубьев колес) совместно с информацией, получаемой с помощью ДДИТ, позволяет значительно расширить возможности применения ДДИТ при решении задач определения крутящих моментов на валах и нагруженности зубьев в процессе их циклического деформирования в условиях эксплуатации.

2. Для расчета полей напряжений и деформаций, возникающих при нагружении зубьев, необходимых для реализации предложенных .методик использования ДДИТ, разработано специализированное программное обеспечение, в основе которого использован математический аппарат метода конечных элементов (плоская задача) и метода граничных элементов (объемная задача).

3. Эффективность созданных методик подтверждена в процессе их реализации при диагностике нагруженности валов и зубчатых передач спортивных автомобилей КамАЗ, принимающих участие в международных авторалли.

4. Исследовано напряженно-деформированное состояние плоских образцов при их контактном циклическом нагружении. Установлено, что реакция на ДДИТ (граница первых "темных пятен"), наклеенных на торцовую поверхность образцов, соответствует линиям уровня максимальных сжимающих деформаций. На основе этой зависимости предложена новая методика исследования нагруженности зубьев, - по информации с ДДИТ помещенных на торцы зубьев исследуемых колее в зонах прилегающих к контактным.

5. Разработано методическое и программное обеспечение для обработки экспериментальных данных распределения напряжений, измеренных с помощью ДДИТ, включающее ряд различных методов одномерной и двумерной сплайн-аппроксимации и позволяющее осуществлять количественную обработку полученной информации с соответствующей графической интерпретацией.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1.Голофасг C.JL, Сызранцева К.В., Секисова С.Ю. Об одном способе расшифровки показаний датчиков деформаций интегрального типа Н Пятый международный симпозиум. Теория реальных передач зацеплением: Тезисы докладов, Курган, 1993.-С.71-72.

2.Коллакова*) К.В. Использование решений задач теории упругости для расшифровки показаний датчиков деформаций интегрального типа И Тезисы докладов Международной науч.-техн. конф. « Динамика систем, механизмов и машин », Омск, 1995,- С. 14.

3.Сызранцев В.Н., Голофаст C.JL, Маленков А.И., Колпакова К.В. Определение эквивалентного режима нагружения зубчатых передач грузовых автомобилей после их дорожных испытаний / Тезисы докладов Международной науч. техн.конф. «Динамика систем, механизмов и машин». Омск, 1995,-С. 13.

4.Сызранцев В.Н. Голофаст С.Л. Маленков А.И. Колпакова К.В. Диагностика усталости несущих систем и элементов транспортных машин с помощью датчиков деформаций интегрального типа: Учебное пособие. -Курган: КГУ, 1996,- 87 с.

5.Колпакова К.В. Об одном способе измерения напряжений на поверхностях валов с помощью датчиков деформаций интегрального типа // Материалы межотраслевого семннара-выставки «Автоматизация и прогрессивные технологии», Новоуральск: МИФИ-2, 1996,- С. 135-136.

6.Сызранцев В.Н., Голофаст С.Л., Колпакова КВ., Маленков А.И. Technigue of lead ability research of elements of automobile's transmissions with the help of integral strain gauges / Доклады международной конференции «Теория и практика зубчатых передач». Ижевск, 1996,- С. 177-181.

7.Сызранцев В.Н., Тютрин С.Г., Колпакова К.В. The software of an experimental - settlement method of tooth load ability estimetion / Доклады международной конференции «Теория и практика зубчатых передач», Ижевск, 1996,- С.315-320.

Фамилия Сызранцевой К.В. в замужестве

8.Сызранцсв В.Н., Голофаст C.JI., Маленков А.И., Колпакова КВ. Диагностика работоспособности деталей в условиях эксплуатации транспортных средств / Повышение эффектив-ности работы колесных и гу сеничных машин в суровых условиях эксплуатации. Со .тр. межд. науч. -техн.конф.-Тюмень: ТюмГНТУ, 1996,- С. 128-130.

9.Syzrantsev V.N.. Golofast S.L., Kolpakova K.V., MalcnkovA.I. Serviceability diagnostics of machine parts under operating conditions of vehicles // Operation efficiency increase of wheel and track machines under severe operating conditions.- Tyumen, 1996.-P.96-98.

Ю.Колпакова K.B., Фридьев П.В., Худорожков P.JI. Программное обеспечение методов оценки нагруженности зубьев по показаниям датчиков деформаций интегрального типа. Теория передач зацеплением: Информационные материалы шестого Международного симпозиума. Ч 2. Проблемы оценки и повышения работоспособности реальных передач зацеплением.-Курган: Изд-во Курганского гос. университета. 1997,- С. 128130.

П.Тютрин С.Г., Колпакова К.В. Программное обеспечение эксперимеотально-расчетного метода оценки нагружеиности зубьев / Теория механизмов, прочность машин и аппаратов: Сб. науч. тр.- Курган: Изд-во Курганского гос. университета, 1997,- С.26-32.

12.Сызранцев В.Н., Голофаст C.JL, Маленков А.И., Колпакова К.В. Восстановление условий иагружения зубчатых передач грузовых автомобилей после их дорожных испытаний: Прикладные задачи механики: Сб.науч. тр. / Под ред. В.В.Вестифеева,- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997.-Кн.1,-С.70-74.

13.Syzrantsev V.N., Golofast S.L., Kolpakova K.V. Application of integral strain gauges for estimation of Novikoffs gearings service ability: Engineering mechanics'97: National conference with international participation. May 12-15, 1997, Svratka, Czech Republic. Volume 1. Keynote lectures, Mechanics jf Solids. P. 191-192.

Н.Сызранцева K.B., Фридьев П.В., Худорожков P.JI. Об одном способе аппроксимации данных, полученных с помощью датчиков деформаций интегрального типа. Труды Международной конференции: Теория и практика зубчатых передач. Ижевск, 1998.

15.Syzrantsev V., Golofast S., Syzrantseva К. Determination of Torque on Shafts by Integral Strain Gauges Indiations. National conference with international participation. May 11-14, 1998, Svratka, Czech Republic. Vol.4. P. 727-730.

Подписано в печать Ю-И-Чг Формат 60x841/16 Бумага тип.№1 Плоская печать . Усл. печ. л. ' р л Уч. Изд. л. 1 п л

Заказ Тираж 100 экз

Курганский государственный университет, корпус Б, ротапринт, г. Курган, ул. Пролетарская, 62

КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СЫЗРАНЦЕВА Ксения Владимировна

УДК 621.833: 539.381.1

МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ МАШИН ДАТЧИКАМИ ДЕФОРМАЦИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА

Специальность 05.02.02 "Машиноведение и детали машин"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор Терехов A.C.

__Научный консультант:

к.т.н., доцент Голофаст С.Л.

Курган -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ......13

1.1 .Характеристика датчиков деформаций интегрального типа и методов

измерения с их помощью напряжений на поверхностях деталей машин.... 13

1.2.Постановка задач исследования.......................!.............................................31

2.РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ ДЕФОРМАЦИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ НА

ВАЛАХ..................................................................................................................36

2.1.Способы измерения крутящего момента на валах при их стационарном

нагружении......................................................................................................37

2.2.Определение с помощью ДДИТ крутящего момента на валах в условиях переменного их нагружения............................................................................55

2.3.Реализация методики определения крутящего момента на валах в условиях эксплуатационнных испытаний машин.........................................62

2.4.Выводы по разделу..........................................................................................71

3.РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ ДЕФОРМАЦИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗУБЬЕВ...........................................72

3.1 .Разработка программного комплекса для расчета НДС зубьев...................74

3.1.1. Методическое и программное обеспечение метода конечных элементов.............................................................................................74

3.1.2. Методическое и программное обеспечение метода граничных элементов..............................................................................................78

3.2.Оценка нагруженности зацеплений по показаниям ДДИТ, помещенных

на торцы зубьев............................................................................................87

3.2.1 .Получение тарировочных зависимостей.............................................88

3.2.2.Обработка результатов испытаний колес с ДДИТ.............................93

3.3.Определение нагруженности зубьев колес передач автомобиля

после его эксплуатационных испытаний......................................................97

3.4.Выводы по разделу.......................................................................................109

4.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТОДОВ

ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ИНФОРМАЦИИ С ДАТЧИКОВ

ДЕФОРМАЦИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА...................................................110

4.1.Методы одномерной сплайн-аппроксимации результатов измерения.....................................................................................................114

4.2.Алгоритмы двумерной полиномиальной аппроксимации экспериментальных данных........................................................................128

4.3.Программное обеспечение методов и результаты обработки конкретных данных экспериментальных исследований................................................132

4.4.Выводы по разделу.......................................................................................138

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ........................................139

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................151

ВВЕДЕНИЕ

Переход в стране к рыночным отношениям поставил промышленные предприятия, выпускающие машиностроительную продукцию, в условия, когда их существование зависит от освоения производства новых образцов техники, конкурентноспособных по техническим характеристикам и стоимостным параметрам в сравнении как с отечественными, так и зарубежными аналогами. Известно, что жизненный цикл машины включает ряд этапов: проектирование, отработку, производство и эксплуатацию. Особенность настоящего времени заключается в широком использовании различных компьютерных технологий. В первую очередь они принципиально изменили этап проектирования и изготовления (внедрение безбумажных технологий, гибких автоматизированных производств) машин. В то же время, методы конструкторско-технологической отработки деталей и элементов машин, диагностики работоспособности изделий в процессе эксплуатации машин в значительно меньшей степени за последние годы претерпели какие-либо изменения. Экспериментальные исследования, связанные с доработкой изделий отличаются высокой продолжительностью и трудоемкостью. Реализация их в полном объеме часто растягивается на годы, что в условиях лимита времени, отводимого на запуск продукции в производство, может отрицательно сказаться на функционировании предприятий. Сокращение же объема экспериментальных исследований может привести, и такие примеры известны, к выпуску продукции, не удовлетворяющей заложенным на этапе проектирования и конструирования прочностным и усталостным характеристикам.

Принимая изложенное во внимание, для машиностроения весьма актуальной является проблема создания средств и методов экспериментального исследования нагруженности и ресурса деталей и металлоконструкций машин, позволяющих с минимальными затратами в условиях обкатки машин (узлов) на стендах или после кратковременных испытаний изделий в условиях эксплуата-

ции определить места вероятного разрушения, оценить их напряженно-деформированное состояние и предсказать сроки разрушения. Одним из эффективных направлений решения поставленной проблемы является использование нетрадиционных средств измерения напряжений и деформаций, возникающих на поверхностях деталей при их циклическом нагружении. К таким средствам относятся разработанные в середине 80-х годов в Курганском машиностроительном институте (в настоящее время Курганский государственный университет) датчики деформаций интегрального типа (ДДИТ). Основой дат-чйков является металлическая фольга, свойства которой изменяются в процессе циклического деформирования.

Накопленный к настоящему времени опыт практического применения методов оценки нагруженности и ресурса с помощью ДДИТ в процессе конст-рукторско-технологической доработки деталей различных машин свидетельствует, что новые средства экспериментального исследования,-ДДИТ, и методы их использования обладают широкой универсальностью и большими потенциальными возможностями. Расширяя арсенал технических средств измерения, ДДИТ особенно эффективны при создании систем диагностики работоспособности и усталости деталей в реальных условиях эксплуатации машин.

Исторически наиболее широко ДДИТ использовались при экспериментальных исследованиях нагруженности элементов трансмиссий, в частности, зубьев (прямых, бочкообразных, арочных, косых эвольвентных, зубьев с профилем Новикова) цилиндрических колес рядных и планетарных передач. Методы оценки напряжений (деформаций) в основании зубьев цилиндрических колес и коэффициента неравномерности распределения напряжений, основанные на использовании ДДИТ, которые "запоминают" процесс циклического деформирования переходной поверхности зуба, принципиально отличаются от методов, базирующихся на применении электротензорезисторов, реализующих дифференциальный способ измерения деформаций. Для восстановления с помощью ДДИТ характера распределения напряжений в основании зубьев колес

разработан ряд методов, предусматривающих, с одной стороны, использование различных способов оценки реакции датчиков, а с другой - различную процедуру проведения испытаний колес с ДДИТ. Практическая реализация методов осуществлялась на ряде предприятий и заводов страны в ходе стендовых испытаний передач в составе трансмиссий машин, в процессе которых условия на-гружения передач (крутящий момент, число циклов нагружения) известны. В реальных условиях эксплуатации машин отмеченные параметры нагружения трансмиссий (передач) часто проконтролировать сложно, при этом известные методы применения ДДИТ использоваться не могут.

Анализ методического обеспечения способов определения напряжений с помощью ДДИТ показывает, что основное внимание исследователей до сих пор было направлено на разработку алгоритмов получения и идентификации информации в различных точках (участках) поверхности датчиков, а обработка экспериментальных данных в целом осуществлялась, за редким исключением, графическими методами. Это, естественно, снижает точность получаемых в процессе эксперимента результатов и требует высокой квалификации исследователя. Сложность задачи особенно возрастает в случае восстановления характера распределения напряжений по всей поверхности датчика, корректное решение которой без соответствующего математического и программного обеспечения получено быть не может.

Из вышеизложенного следует, что для диагностики нагруженности деталей в процессе эксплуатации машин на основе показаний ДДИТ необходимо предложить специальные способы расшифровки их реакции, реализуемые в условиях натурных (ходовых) испытаний машин и базирующиеся на той информации, которая в этих условиях может быть получена, разработать необходимое методическое, математическое и программное обеспечение способов. Реализация способов позволит существенно сократить трудоемкость и время операций конструкторской и технологической отработки деталей трансмиссий но-

вых образцов машин,-задача для современного машиностроительного производства важная и актуальная.

Цель выполнения настоящей работы заключается в разработке расчетно-экспериментальных методик оценки с помощью ДДИТ нагруженности деталей трансмиссий (валов, зубчатых колес), реализуемых на основе данных, получаемых в процессе стендовых и эксплуатационных испытаний трансмиссий и машин.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

1.Разработан ряд методик определения с помощью ДДИТ крутящих моментов на валах, реализуемых как в условиях стендовых испытаний трансмиссий (при некоторых известных параметрах процесса нагружения и возможности его прерывания для регистрации показаний ДДИТ), так и в ходе эксплуатации машин.

2.Установлена взаимосвязь напряженно-деформирозанного состояния контактирующих плоских образцов с реакцией ДДИТ, наклеенных на поверхности образцов в зонах, прилегающих к контактной.

3.Созданы расчетно-экспериментальные методики определения нагруженности зубьев колес цилиндрических передач, позволяющие получать требуемую для анализа информацию после испытаний машин в условиях эксплуатации. Расчетная часть методик поддерживается разработанным пакетом программ, в основе которых реализованы метод конечных и граничных элементов (в объемной постановке).

4.Разработано математическое и программное обеспечение для обработки экспериментальных данных измерения с помощью ДДИТ характера распределения напряжений и коэффициента их концентрации (одномерные и двумерные модели аппроксимации).

Научная новизна работы состоит в следующем:

• предложена новая методология измерения напряжений по информации с ДДИТ, основанная на учете напряженно-деформированного состояния поверхности детали в месте наклейки датчиков;

• разработаны расчетно-экспериментальные методики определения крутящих моментов на валах и напряжений в основании зубьев цилиндрических колес для нестационарных условий нагружения передач и ограниченных возможностей получения информации с ДДИТ в процессе испытаний машин;

• на основе установленных связей реакции ДДИТ, помещенных на поверхности плоских образцов, с их напряженно-деформированным состоянием при циклическом контактном взаимодействии, предложен и обоснован новый способ тарирования ДДИТ, обеспечивающий реализацию метода определения нагруженности контакта в зацеплении зубьев.

Практическая ценность диссертации:

1 .Разработанная автоматизированная система позволяет осуществлять эффективную обработку данных измерений с помощью ДДИТ, устанавливать характер распределения напряжений по исследуемой поверхности детали, определять величину максимальных и номинальных напряжений, отражая полученные результаты в графической форме.

2.Созданный комплекс программ по расчету напряженно-деформированного состояния зубьев колес МКЭ и МГЭ , с одной стороны, обеспечивает получение требуемой информации для расшифровки показаний ДДИТ в процессе реализаций разработанных методик оценки нагруженности зубьев, а с другой - может быть использован в исследованиях влияния геометрических параметров зубьев на прочностные их характеристики.

3.Разработанные расчетно-экспериментальные методы позволяют после кратковременных испытаний изделий с ДДИТ получить данные о нагруженности исследуемых деталей в реальных условиях работы, оценить фактическую концентрацию напряжений, по величине которой делается вывод о достаточ-

ной работоспособности детали, либо намечаются конструктивные или технологические мероприятия по снижению концентрации напряжений.

Предложенные в работе методы использовались для получения информации о реальной нагруженности полуосей и зубчатых колес главной передачи спортивных автомобилей КамАЗ, участвующих в международных авторалли Париж-Москва, Париж - Москва - Улан-Батор - Пекин. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс КГУ .

Работа является составной частью ряда проектов, выполненных в рамках научно-технических программ и грантов Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации: инновационной программы "Прогрессивные зубчатые передачи", программы "Конверсия и высокие технологии", двух грантов по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Ее основные положения и результаты докладывались на различных симпозиумах и конференциях: пятом межгосударственном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г.Курган, 1993г.), международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г.Омск, 1995г.), межрегиональном семинаре-выставке "Автоматизация и прогрессивные технологии" (г.Новоуральск, 1996г.), международной конференции "Теория и практика зубчатых передач" (г.Ижевск, 1996г.), международной научно-технической конференции "Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации" (г.Тюмень, 1996г.), шестом международном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г.Курган, 1997г.), национальной конференции с международным участием "Инженерная механика-97" (Чехия, г.Свратка, 1997г.), национальной конференции с международным участием "Инженерная механика-98" (Чехия, г.Свратка, 1998г.).

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка использованных источников, содержащего 86 наименований, и приложения.

Первый раздел посвящен анализу методов использования ДДИТ при решении задач определения для деталей и металлоконструкций машин мест вероятного разрушения, оценки их напряженно-деформированного состояния и прогнозирования ресурса. Выявлены ограничения и определены условия, препятствующие реализации ранее разработанных методик в ходе стендовых и эксплуатационных испытаний деталей. На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе для различных случаев нагружения валов (действующий крутящий момент постоянный, переменный или изменяется по случайному закону, соответствующему аддитивному случайному процессу) и с учетом возможностей получения информации с ДДИТ, определяемых как условиями проведения испытаний изделий, так и способами регистрации реакции датчиков, разработан ряд методов решения задачи восстановления величины крутящего момента по показаниям ДДИТ. На примере определения реальной нагруженности осей спортивных автомобилей КамАЗ в процессе прохождения ими трассы Париж-Дакар рассмотрена конкретная реализация наиболее сложной из предложенных методик.

Развитие методов определения нагруженности контакта в зацеплении зубьев на основе информации с ДДИТ, помещенных на торцы контактирующих зубьев, методов оценки с помощью ДДИТ напряжений, возникающих в основании зубьев цилиндрических колес при работе передач, представлено в третьем разделе диссертации. Для решения первой задачи осуществлена идентификация реакции на ДДИТ, помещенных на торцовую поверхность плоских образцов, подвергнутых циклическому контактному деформированию, с данными напряженно-деформированного состояния этих образцов, полученных численно - с помощью разработанной программы, реализующей МКЭ. Результатом выполненных исследований явилась новая методика расшифровки показаний ДДИТ.

Ее применение про