Способ изготовления датчиков для контроля циклических деформаций

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении деформаций и напряжений на поверхности деталей машин, подвергающихся циклическому нагружению. Способ состоит в том, что фольгу из пластичного однородного материала, например медную электролитическую, подвергают циклическому деформированию при постоянной амплитуде напряжений σ_t до числа циклов N_t, определяемого по формулам D = (1+C)σ_A+(1-C)K/N_A, C = σ_A/σ_Bg, где σ_A, N_A - амплитуда напряжения и число циклов нагружения, при которых требуется появление реакции датчиков; К, σ_RO, П_g, σ_Bg - параметры калибровочной зависимости исходной фольги: К - коэффициент пропорциональности; σ_RO - предел выносливости материала детали; П_g - величина поврежденности материала детали, при которой появляется реакция фольги; σ_Bg - аналог предела прочности материала фольги. Затем фольгу разрезают на отдельные элементы, используемые в качестве датчиков. Технический результат: повышение чувствительности датчиков. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении деформаций и напряжений на поверхности деталей машин, подвергающихся циклическому нагружению, а также степени усталостного повреждения деталей машин.

Известен способ изготовления датчиков для контроля циклических деформаций, принцип работы которых основан на сравнении их состояния после циклического нагружения на исследуемом объекте и градуировочных образцах, что позволяет по темным пятнам, появляющимся на поверхности датчиков, контролировать деформации на базе 0,05-0,01 мм, а по структурным изменениям - на базе 0,003-0,005 мм.

Способ заключается в том, что металлическую пластинку, например из нержавеющей стали, подвергают гальваническому меднению в течение 20 мин в щелочной ванне с содержанием 23 г CuCN, 30 г NaCN и 10 г Nа₂СО₃ на литр воды при температуре электролита +30^oС, напряжении на ванне 0,35 В и плотности тока 6 А/м². Затем в течение 15 мин проводят гальваническое меднение в кислой ванне с содержанием 250 г CuSO₄•5H₂O, 80 г Н₂SO₄ на литр воды при напряжении на ванне 0,5 В и плотности тока 300 А/м². После чего снимают полученную фольгу и разрезают ее на отдельные элементы, используемые в качестве датчиков.

Датчик наклеивают на поверхность градуировочного образца, например с конической рабочей частью, который испытывает циклически изменяющиеся во времени и известные по величине деформации. По результатам этих испытаний устанавливают калибровочную зависимость между числом циклов до появления реакции датчика и амплитудой действующей деформации. (Наиболее просто реакция датчика оценивается по моменту появления первых "темных пятен".) Другие датчики наклеивают на поверхность исследуемой детали, которая испытывает циклически изменяющиеся нагрузки, и также определяют число циклов до появления реакции датчика в исследуемых точках. В результате, используя калибровочную зависимость, определяют величины и характер распределения деформаций и напряжений на поверхности детали. (Окубо Хадзимэ. Определение напряжений гальваническим меднением. - М.: Машиностроение, 1969, с.16-41).

Применение гальванического способа получения фольги при строго постоянных режимах и изготовление датчиков (и для калибровки, и для измерений) путем разрезания фольги на части обеспечивает неизменность свойств датчиков и точность измерений.

Недостатком данного способа является низкая чувствительность датчика (что обусловливает большую длительность испытаний), отсутствие возможности регулирования свойств датчиков, узость диапазона проявления реакции датчиков, высокая сложность и трудоемкость способа, нестабильность реакции датчиков в виде темных пятен (там же, с. 17, 38).

Известен способ изготовления датчиков для контроля циклических деформаций, заключающийся в том, что металлическую пластинку подвергают гальваническому меднению при комнатной температуре сначала в течение 1 мин при плотности тока 600 А/м², затем в течение 10 мин при плотности тока 250 А/м², а электролит содержит 280-300 г СuSO₄•5Н₂O и 85-90 г Н₂SO₄ на литр воды, полученное покрытие снимают и разрезают на отдельные элементы, используемые в качестве датчиков (авт. свид. 1032328).

Отличительным признаком данного аналога является то, что меднение проводится только в кислом электролите. В результате упрощается способ изготовления (за счет исключения операции меднения в щелочной среде с ядовитыми компонентами), повышается чувствительность датчиков в среднем на 15%, обеспечивается устойчивость появления темных пятен.

Недостатками данного способа также являются низкая чувствительность датчиков, отсутствие возможности ее регулирования, узость диапазона измеряемых напряжений.

В качестве прототипа выбран способ изготовления датчиков методом гальванического меднения для контроля циклических деформаций, заключающийся в том, что металлическую пластинку подвергают гальваническому меднению в электролите, содержащем 125-250 г/л CuSO₄•5H₂O и 20-70 г/л H₂SO₄, при плотности тока от 100 А/м² до предельной катодной диффузионной плотности и температуре 3-40^oС до получения покрытия толщиной 5-30 мкм, снимают с пластины полученное покрытие и разрезают его на части (авт. свид. 1191730).

Отличительным признаком прототипа является широкий диапазон изменения режимов меднения, в результате чувствительность датчиков повышается еще на 5-35% и появляется возможность изготовления датчиков с разным уровнем чувствительности.

Способ, выбранный в качестве прототипа, имеет следующие недостатки. Чувствительность датчиков остается невысокой, что требует проведения длительных испытаний, а диапазон изменения чувствительности узок.

Для повышения чувствительности датчика к циклическим деформациям, расширения диапазона изменения чувствительности и управления ею, что в конечном счете приводит к снижению длительности испытаний, фольгу из пластичного однородного материала, например медную элекролитическую, перед тем как разрезать ее на отдельные элементы, используемые в качестве датчиков, подвергают циклическому деформированию при постоянной амплитуде напряжений σ_t до числа циклов N_t, определяемого по формулам D = (1+C)σ_A+(1-C)K/N_A, C = σ_A/σ_Bg,
где σ_A, N_A - амплитуда напряжения и число циклов нагружения, при которых требуется появление реакции датчиков;
K, σ_RO, П_g, σ_Bg - параметры калибровочной зависимости исходной фольги (К - коэффициент пропорциональности: σ_RO - предел выносливости материала детали; П_g - величина поврежденности материала детали, при которой появляется реакция фольги: σ_Bg - аналог предела прочности материала фольги).

На фиг. 1 изображена схема установки для реализации способа: на фиг.2 - калибровочные кривые датчиков, изготовленных по способу-прототипу и по предлагаемому способу.

Установка содержит образец 1, на рабочей части которого закреплен кусочек фольги 2. Образец устанавливается в зажимных цангах 3 и 4 бабок 5 и 6 и нагружается через серьги 7 и 8 грузом 9. Цанги устанавливаются в подшипниках бабок с возможностью вращения. Электродвигатель 10 обеспечивает вращение образца, а счетчик 11 фиксирует число оборотов.

Способ осуществляется следующим образом. Известным способом получают фольгу 2 толщиной 5-30 мкм. Это может быть медная гальваническая фольга или фольга из другого пластичного однородного материала (алюминиевая, никелевая и др.).

Отрезают от фольги кусочек в виде полоски и наклеивают его на калибровочный образец с конической рабочей частью. (Образцы изготавливают из того же материала, что и исследуемая деталь.) При помощи зажимных цанг 3 и 4 закрепляют образец 1 в бабках 5 и 6 и через серьги 7 и 8 прикладывают груз 9. При этом средняя часть образца испытывает чистый изгиб (величина изгибающего момента М= Р•а/2, где Р - вес груза 9 с учетом веса приспособлений), причем верхние волокна образца сжимаются, нижние - растягиваются. Эти же деформации испытывает и наклеенный на образец элемент фольги. Возникающие при этом максимальные нормальные напряжения в любом поперечном сечении образца равны σ= M/W, где W= Пd³/32, d - диаметр поперечного сечения. Таким образом, на образце с конической рабочей частью напряжения изменяются по длине в зависимости от d.

Электродвигатель 11, вращая образец, обеспечивает поочередное прохождение материала фольги через зоны растяжения и сжатия при симметричном (синусоидальном) цикле изменения напряжения. Периодически останавливая двигатель, производят осмотр фольги для замера диаметра наибольшего поперечного сечения образца, до которого распространилась реакции. По результатам замеров строят калибровочную зависимость между амплитудой и числом циклов переменных напряжений, при которых проявляется реакция фольги на исследуемой детали конструкции (кривая 1 на фиг.2). Для осуществления способа может быть применена машина для усталостных испытаний МУИ-6000.

Полученную калибровочную зависимость описывают математическим выражением вида

где K, σ_Ro, П_g, σ_Bg - параметры, определяемые известными способами аппроксимации (Сызранцев В. Н., Лобрынько А.В. Методы прогнозирования долговечности деталей по показаниям датчиков деформаций интегрального типа: Учебное пособие. - Курган: КМИ, 1993, с.49-54):
К - коэффициент пропорциональности;
σ_Ro - предел выносливости материала детали;
П_g - величина поврежденности материала детали, при которой появляется реакция фольги;
σ_Bg - аналог предела прочности материала фольги.

Анализируя калибровочную зависимость, выбирают величину амплитуды σ_A и число циклов N_A переменных напряжений, при которых хотелось бы наблюдать проявление реакции на датчике, но при которых реакция на исходной фольге еще не проявляется. (Эти величины выбирают, например, исходя из предварительных расчетов исследуемой конструкции на прочность и времени, отведенного на испытание.)
По выбранным значениям σ_A и N_A вычисляют величину поврежденности

D = (1+C)σ_A+(1-C)K/N_A,
C = σ_A/σ_Bg,
Исходя из возможностей имеющейся установки (фиг.1) и временных ограничений назначают величину амплитуды напряжений σ_t, при которой будет осуществляться циклическое деформирование фольги (в общем случае σ_t может быть не равно σ_A). Необходимое число циклов деформаций вычисляется по формуле

Фольгу наклеивают, например клеем марки Циакрин 30, на образец с цилиндрической рабочей частью. Устанавливают образец 1 на описанную выше установку, и нагружают числом циклов N_t под действием груза 9, величина которого вычисляется по приведенным выше формулам исходя из величины Единственным отличием процесса по сравнению с описанным выше состоит в том, что максимальные нормальные напряжения во всех поперечных сечениях образца (в пределах его цилиндрической рабочей части) равны. Следовательно, равные деформации испытывают и все точки материала фольги 2.

Затем фольга отмачивается ацетоном, снимается с образца и разрезается на отдельные элементы, используемые в качестве датчиков.

Реакция на таком датчике проявится уже при меньшем числе циклов нагружения. Очевидно, что чем большую предварительную наработку прошла фольга (чем больше были уровень напряжений и число циклов), тем быстрее будет проявляться реакция датчиков, тем чувствительнее они будут.

Пример использования предлагаемого способа представлен на фиг.2 в виде графиков зависимости между амплитудой напряжения и числом циклов до появления первых темных пятен. Кривая 1 получена математическим описанием калибровочной зависимости датчиков, изготовленных по способу-прототипу из электролитической медной фольги и испытанных на образцах из стали 45:

где К=28,4•10⁶; σ_Ro = 274,76 МПа; П_g=0,2201; σ_Bg = 275,9 МПа.
Кривая 2 на фиг.2 представляет собой калибровочную зависимость датчиков, изготовленных по предлагаемому способу. Она получена из условия ее прохождения через точку А с координатами σ_A = 200 МПа. N_A =3875 циклов. Эффект проявляется через, примерно, в 6 раз меньшее число циклов. При этом из приведенных выше формул находим П^*=0,06198 и, чтобы получить такую характеристику датчика, например при σ_t = 210 МПа, надо циклически деформировать исходную фольгу 10⁴ циклов.

Для установления калибровочной зависимости получаемых датчиков (кривая 2) используют выражение

Таким образом, предварительное циклическое деформирование материала фольги позволяет существенно и до нужных пределов повысить чувствительность изготавливаемых из нее датчиков. Достигаемый эффект расширяет область использования датчиков для контроля циклических деформаций, снижает продолжительность усталостных испытаний. Простота и технологичность способа создает благоприятные условия для его широкого применения в исследовательской практике.

Формула изобретения

Способ изготовления датчиков для контроля циклических деформаций, заключающийся в том, что фольгу из пластичного однородного материала, например медную электролитическую, разрезают на отдельные элементы, используемые в качестве датчиков, отличающийся тем, что фольгу подвергают циклическому деформированию при постоянной амплитуде напряжений σ_t до числа циклов N_t, определяемого по формулам


D = (1+C)σ_A+(1-C)K/N_A,
C = σ_A/σ_Bg,
где σ_A, N_A - амплитуда напряжения и число циклов нагружения, при которых требуется появление реакции датчиков;
К, σ_RO, П_g, σ_Bg - параметры калибровочной зависимости исходной фольги: К - коэффициент пропорциональности; σ_RO - предел выносливости материала детали; П_g - величина поврежденности материала детали, при которой появляется реакция фольги; σ_Bg - аналог предела прочности материала фольги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2