Способ контроля прочности соединений и устройство для его осуществления
Изобретение относится к технике неразрушающего контроля изделий машиностроения, а именно к контролю прочности соединений с натягом или соединений, осуществленных способом накрутки, и может быть использовано на машиностроительных предприятиях и в научных исследованиях Цель изобретения - исключение повреждения деталей соединения и повышение точности контроля. Соединение (С), состоящее из деталей 6 и 7, нагружают через промежуточные нажимные элементы 8 винтом 5 уменьшенной по сравнению с расчетной испытательной силой. Ве
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (q)) 4 В 23 Р 19/02, G 01 В 5/30
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ />,.
K ABTOPCHOMY CBM4ETEJlbCTBV / авиа / (21) 4123500/25-27 (22) 22.09.86 (46) 15.04.88. Бюл. N - 14 (72) Ю.Н. Кузуб и Б.M. Арпентьев (53) 621.515(088.8) (56) Балацкий Л.Т. Прочность прессовых соединений. Киев, Техника, 1982, с. 25-27. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ"И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике неразрушающего контроля изделий машиностроения, а именно к контролю прочности соединений с натягом или соединений, осуществленных способом накрутки, и может быть использовано на машиностроительных предприятиях и в научных исследованиях Цель изобретения — исключение повреждения деталей соединения и повышение точности контроля. Соединение (С), состоящее из деталей 6 и 7, нагружают через промежуточные нажимные элементы 8 винтом 5 уменьшенной по сравнению с расчетной испытательной силой. Be1388253 личину микросмещения деталей С определяют по графической зависимости. Затем на С воздействуют тепловым импульсом, создаваемым индуктором 11, уменьшая кратковременно прочность С. При этом изменяется величина относительного микросмещения деталей 6 и 7. Изменение величины микросмещения деталей 6 и 7 при воздействии уменьшенной испытательной силы и тепловоИзобретение относится к технике неразрушающего контроля изделий машиностроения, а именно к контролю прочности соединений с" натягом или соединений, осуществленных способом 5 накрутки, и может быть использовано на машиностроительных предприятиях и в научных исследованиях. Цель изобретения — исключение при контроле повреждения деталей соединений и повышение точности контроля. ! На фиг. 1 представлена блок-cxeMa . устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 — при- 15 мер записи импульса тока амплитудой Т„ и длительностью Г в индукторе уст. ройств; на фиг. 3 — характер изменения натяга о в соединении при его нагреве индуктором за время Г; 20 на фиг. 4 — конструкция соединения с натягом, состоящая из вала диаметром d и длиной Н, собранного с втулкой диаметром d, и толщиной L,; на фиг. 5 — электрическая схема коммутатора, собранного на тиристорах V и V, управляемая по цепям "а" и "в" от реле-задатчика времени нагрева; на фиг. 6 — конструкция чувствительного элемента датчика для изме-30 рения микросмещений деталей испытуемых соединений, состоящая из упругой пластины с размерами h, М, С„, С и отверстиями для крепления, а также тензочувствительного элемента К, установленного (ириклейкой) на упругой пластине. Регулировка исходной нагрузки на чувствительный элемент датчика микросмещений обеспечивается винтом, го импульса обратно пропорционально . прочности зоны сопряжения испытуемого С. Прочность зоны сопряжения деталей С оценивается по приведенной графической зависимости. Устройство содержит узел нагружения С, индикатор нагрузки, датчик микросмещения деталей С, усилитель, индукционный нагреватель с реле времени и коммутатор. 2 с.п. ф-лы, 9 ил. установленным на упругой пластине; на фиг. 7 — электрическая схема для подключения тензочувствительного элемента датчика для измерения микросме-. щений деталей испытуемого соединения, резисторы R1 R2, R3, R4 входящие в ее состав, необходимы для включения тензочувствительного элемента в мостовую схему, усиление сигнала разбаланса с измерительного моста осуществляется усилителем, собранным на операционном усилителе Д1 и элементах R5, R6, С1; на фиг. 8 — графическая зависимость, полученная при калибровке датчика микросмещений испытуемых соединений. В процессе калибровки измерялась величина разбаланса измерительного моста U(мВ) при заданном (эталонном) микроперемещении 1 (MrcMJ чувствительного элемента датчика; на фиг. 9 — графическая зависимость изменения величины относительного микросмещения 1 деталей испытуемых соединений с различными натягами О после калиброванного нагрева втулки и нагружения соединений уменьшенной испытательной силой P исп. мин Способ контроля прочности соединений осуществляют с помощью устройства (фиг. 1), которое содержит узел нагружения испытуемых соединений (пресс), состоящий из опорной плиты 1, направляющих стоек 2 с пазами для шариков качения 3, удерживаемых сепаратором 4. От винта 5 усилие Р (испытательная сила Р„,„ „„„ ) воздействует на испытуемое соединение деталей — вал 6 и втулка 7 в 1388253 сборе через промежуточные нажимные элементы 8 с встроенным индикатором 9 величины испытательной силы и шарик 10. Нагрев одной из деталей соединения .(втулки) осуществляют с помощью индук,ционного нагревателя 11, установленного на изоляционной подставке 12, размещенной на опорной плите 1 пресса. Испытуемое соединение, состоящее из деталей 6 и 7 (вал, втулка), устанавливают на подставке 13, в состав которой дополнительно входит датчик 14 для измерения относительного мик- 15 росмещения деталей 6, 7 испытуемого соединения. Сигнал с датчика поступает на вход усилителя 15, выход которого подключен к регистрирующему прибору. Подключение индуктора 11 к 20 сети переменного тока обеспечивается коммутатором 16, работой которого управляет реле — датчик времени нагрева 17. Устройство для осуществления спо- 25 соба контроля прочности соединений работает следующим образом. Контролируемое соединение, состоящее из деталей 6, 7 (вал, втулка), устанавливают на подставке 13, кото- 30 рая расположена на опорной плите 1 узла нагружения испытуемых соединений. Затем по оси испытуемого соединения (на вал 6) через шарик 10, который прижимается к торцу вала ис35 пытуемого соединения промежуточными нажимными элементами 8 с помощью винта 5, оператором устройства прикладывается контрольная нагрузка P ИСП. МиН Применение шарика 10, а также на- 40 правляющих стоек 2 с пазами для шариков качения 3, удерживаемых сепаратором 4, обеспечивает приложение контрольной нагрузки строго по оси испытуемого соединения (детали 6, 7 в сборе). Перемещая промежуточные нажимные элементы 8 с помощью винта 5, оператор нагружает испытуемое соединение уменьшенной испытательной силой P„« »„ . Величина уменьшенной испытательной силы Рц,„ „„„ задается заранее по условиям испытаний соединений и может достигать значения Рсми Рс м„ч минимально допусти мая величиьа испытуемого соединения. В процессе нагружения испытуемого соединения сдвигающей силой Р„ „ „„„ на выходе усилителя 15 с помощью регистрирующего прибора регистрируется величина разбаланса измерительного моста, пропорционального величине микросмещения вала 6 относительно втулки 7 с учетом объемной деформации материалов деталей соединения и подставки 13. Величина микросмещения 1 оценивается 06Ц оператором устройства по графической зависимости, приведенной на фиг. 8 и полученной при калибровке датчика микросмещения деталей соединений. При этом общее микросмещение чувствительного элемента датчика, контактирующего с торцом вала в соединении, представлено следующим выражением: 1 =1+1 +1 +1 os .p t а тонстр > где Т r распределение температуры по сечению втулки; распределение активной мощности вихревых токов по сечению втулки; удельная теплоемкость материала втулки; плотность материала втулки т время нагрева. где 1 — величина взаимного относительного микросмещения деталей испытуемых соединений под воздействием уменьшенной контрольной нагрузки Р нсп. мин 1, — величина объемного деформирования материала втулки под воздействием уменьшенной контрольной нагрузки; 1 — величина объемного деформирования материала вала под воздействием уменьшенной контрольной нагрузки Р„ „ 1„ „, — величина объемного деформирования .опорного элемента (подставки 13) под воздействием уменьшенной контрольной нагрузки Рнсп щин ° Затем оператор с помощью реле-задатчика времени нагрева 17 коммутатора 16, индукционного нагревателя 11 обеспечивает калиброванное тепло". вое воздействие Q на испытуемое соединение. При этом нагревается только периферия втулки 7 с осесимметричным распределением температуры, представленным следующим выражением: Т = Ср т 1388253 При этом величина энергии калиброванного теплового импульса ф., аккумулируемой во втулке, определяется следующим выражением: 5 g2 Q=Cm рг т rT „d „° 2 где m — масса втулки; R — внешний радиус втулки соеди- 10 г кения; R — внутренний радиус втулки соединения. Исходное (до нагрева) значение натяга <1 в контролируемом соединении о определяется соотношением размеров посадочных поверхностей (d) вала и (d ) втулки, измеренных при одинаковых температурах деталей 20 ьЯ 2(Ы Значения R u R определяются по формулам 35 и -d d< -d R2= где d — диаметр вала в соединении; d †.внутренний диаметр втулки 2 соединения; d, — внешний диаметр втулки сое45 динения. Измененный натяг 8" в соединении после нагрева деталей соединения в таком случае определяется выражением 3 =F, +ь8. Расчет прочности Р соединений с натягом независимо от способа их формирования производится для осе55 симметричных деталей цилиндрической формы при осевом нагружении соединений по формуле Если температура деталей соединения будет изменяться, то произойдет изменение посадочных размеров деталей 25 соединения, вследствие чего изменится натяг F в соединении на величину ь<< . о P f u P где S = « d 1 — номинальная площадь Н 5 посадки, мм ; f - коэффициент трения при выпрессовке, соответствующий начальному моменту взаимного осевого смещения (сдвига) деталей; 5 длина посадки d — диаметр сопрягаемых поверхностей деталей соединения; P — контактное давление Н в месте сопряжения деталей соединения, определяется по формуле Г, С< С d(— + — ) E< Ez 1+-(— ) с1 ппи этои С, = — — п, <1« «) d где d — диаметр посадочной поверхности втулки соединения; d< — наружный диаметр втулки; d — диаметр отверстия в вале; коэффициент Пуассона; натяг между деталями соединения. С учетом величины калиброванного теплового импульса Я, воздействующего на соединение, при контроле вал соединения испытует меньшее сжимающее усилие из-за уменьшения натяга в соединении на величину ьо ьБ = " R Q С m где о — коэффициент линейного расширения материала втулки. Кратковременное уменьшение натяга в соединении после нагрева втулки соединения уменьшает контактные давления в зоне сопряжения деталей соединения на величину Ь Р„ 1388253 d(— + — ) CI Сг Е, . Ег 6 Рс = f - :Б,„б Рн ° f S „(P„h P ) 06Ц ° 0514.0 й1=1 -1. Таким образом, после калиброванного нагрева соединения (втулки) прочность соединения P кратковременно с уменьшится на величину dP с Прочность контролируемого соединения после калиброванного теплового воздействия Рс определяется по формуле 1 причем для обеспечения целостности 20 ,контролируемых соединений величина калиброванного теплового воздействия выбирается из условия обеспечения при испытаниях целостности соединений с минимально допустимой прочностью 25 Рс мин т е при нагруже ве испытуемого соединения должно выполняться условие При изменении (уменьшении) прочности испытуемого соединения до значения Рс за счет нагрева втулки величина относительного микросмещения деталей соединения при воздействии уменьшенной контрольной нагрузки Р„„,,„,ц, также изменится (увеличится). Измейение величины относительно- 40 го микросмещения деталей испытуемого соединения после нагрева втулки соединения приводит к дополнительному разбалансу измерительного моста. Измененную величину раэбаланса измерительного моста после нагрева втулки соединения оператор повторно регистрирует с помощью регистрирующего прибора, подключенного на выход усилителя 15. Повторно используя калибровочную графическую зависи50 мость, полученную для датчика микроперемещений деталей соединений, оператор оценивает величину изменения (увеличения) относительного микросмещения деталей испытуемых соединений под воздействием уменьшенной контрольной нагрузки Р„,„ „„„ при калиброванном нагреве втулки соединения. Таким образом, общее микросмещение чувствительного элемента датчика микросмещения 1,, после нагружения соединения сдвигающей силой Р„ „ „„ и нагрева тепловым импульсом Q определяется выражением где 1 — величина относительного микросмещения деталей испытуемого соединения под воздействием контрольной нагрузки Р„,„„„„и калиброванного теплового воздействия Q на втулку соединения. Изменение (увеличение) величины. .относительного микросмещения деталей испытуемого соединения 6 1 при воздействии уменьшенной контрольной нагрузки и калиброванного нагрева втулки соединения будет обратно пропорционально прочности зоны сопряжения испытуемых соединений и определяется выражением После подстановок значений и упрощеннй получим следующее выражение: Анализ полученного выражения показывает, что на результаты таких измерений не оказывает влияния объемное деформирование материалов деталей соединения и подставки, что существенно повышает точность контроля. Оператор устройства, используя эталонную графическую зависимость, полученную для однотипных соединений (фиг. 9), по значению дополнительного микросмещения Ü 1 оценивает прочность зоны сопряжения деталей соединений с натягом, т.е. прочность испытуемого соединения. Пример. Способ и устройство для контроля прочности соединений были опробованы при контроле прочности соединений типа вал-втулка (фиг. 4) с размерами d, =250 мм, d=150 мм, Н=150 мм, L,=5, мм, материал деталей соединения — сталь 45. Калиброванное тепловое воздействие с длительностью =10 с импульса тока в индуктаре 11 задавалось оператором устройства с помощью реле1388253 10, задатчика времени нагрева 17 (в качестве реле-задатчика времени нагре=ва использовали реле времени типа ВЛ-47УХЛ4, управляющее по цепям а", "в" коммутатором, который выполнен с применением тиристоров типа Т160, цепи "с1", "с" коммутатора подключались на вход индукционного нагревателя). 10 В качестве чувствительного элемента датчика микросмещений деталей испытуемых соединений при измерениях использовали полупроводниковый тензорезистор типа КТД-2А, который устанавливали.(приклейкой) на упругой пластине с размерами h=i мм, М=100 мм, С, =10 мм, С =5 мм (фиг. 6). В качестве регистрирующего прибора, подключаемого при измерениях к выходу уси- 20 лителя 15, использовали осциллограф типа НОЗОА. При контроле прочности соединений в испытуемой партии соединений выявились соединения с недостаточной 25 прочностью (соединения с недостаточным натягом или дефектами в зоне сопряжения деталей, которые уменьшают прочность зоны сопряжения деталей соединения ниже минимально допустимого значения Р, „,„ ). При расчете минимально допустимой прочности соединения P „„„ был при . мич нят натяг о =0,2 мм. Расчетная прочность Р . ми для таких соединений составляла Р =52666 кГ. Значение уменьшенной испытательной силы Рисп ин было принято 1500 кГ. Затем с учетом значения расчетной прочности соединения (P „,д = =52666 кГ) и значения Р„,, „„ц определяли необходимое кратковременное уменьшение прочности соединения при нагреве втулки соединения с учетом 45 ранее приведенного выражения P сР -P ИСП МИН C. hlll4 С1 Нагрев соединений (втулки) осуществляли индукционным нагревателем, при длительности нагрева i2 с и активной мощности нагревателя 65 кВт. Анализ поверхностей деталей соединений с натягом после проведения измерений по предлагаемому техническому решению показал, что на поверхностях деталей соединений в месте приложения уменьшенных контрольных нагрузок Р„,„ „, отсутствуют повреждения. Кроме этого, снижение не менее чем в 20-30 раз величины механических нагрузок, действующих на детали соединения при испытаниях, исключило изгиб и трещины деталей соединений при приложении контрольных нагрузок. Формула изобретения 1. Способ контроля прочности соединений, включающий нагружение соединений расчетной силой и измерение взаимного относительного микросмещения деталей соединения, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью исключения повреждения деталей соединений и повышения точности контроля, первоначально соединение нагружают уменьшенной по отношению к расчетной испытательной силой, измеряют при этом начальное взаимное относительное микросмещение деталей соединения, затем на соединение воздействуют энергией теплового импульса, повторно измеряют взаимное относительное микросмещение деталей соединения, а прочность соединения определяют по разности между повторным и исходным относительным микросмещением деталей контролируемого соединения. 2. Устройство для контроля прочности соединений, содержащее узел нагружения соединения, индикатор нагрузки, датчик взаимного относительного микросмещения деталей соединения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено усилителем, выход которого подключен к регистрирующему прибору, а вход соединен с датчиком взаимного относительного микросмеще ния деталей соединения, а также индукционным нагревателем, реле-задатчиком времени нагрева и коммутатором, причем индукционный нагреватель соединен с выходом коммутатора, вход которого подключен к сети переменного тока, а цепи управления коммутатора соединены с реле-задатчиком времени нагрева..1388253 Фиг.8 И 0,2 ФигЗ 1388253 I 3882 53 Я Я ЗЯ t,мн Составитель Э. Копаев Редактор В. Ковтун Техред N.Õöäàíè÷ Корректор В. Бутяга Заказ 1517/19 Тираж 921 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. 1хгород, ул. Проектная, т е.тная 4
