Способ определения усталостного повреждения коленчатых валов

Авторы патента:

Машрабов Нематулла (RU)

G01N19/08 - обнаружение локальных дефектов или нерегулярностей в материале (измерение шероховатости или неровности поверхности G01B 5/28)

Владельцы патента RU 2337348:

ФГОУ ВПО "Челябинский государственный агроинженерный университет" (RU)

Изобретение относится к неразрушающему контролю внутренних дефектов изделий, а именно к способам контроля валов, в частности для обнаружения накопленных усталостных повреждений коленчатых валов автотракторной и компрессорной техники. Технический результат направлен на повышение точности контроля внутренних дефектов в материале изделий. Способ определения усталостного повреждения коленчатых валов осуществляется в динамическом режиме. Создают двухмассовую колебательную систему, которую подвешивают вертикально в одной точке посредством гибкой связи таким образом, чтобы ось изделия и ось подвески находились на одной прямой, а узловое сечение между колебательной системой и опорой - между ними. В системе возбуждают низкочастотные свободно затухающие крутильные колебания, определяют скорости затухания колебаний, последние и являются индикатором уровня накопленных повреждений коленчатых валов в зависимости от предела выносливости вала. 6 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю внутренних дефектов изделий, а именно к способам контроля качества валов, и может быть использовано для обнаружения накопленных усталостных повреждений в коленчатых валах двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.

Коленчатые валы современных машин изготавливаются из высококачественных чугунов и сталей. При работе автомобилей, тракторов и компрессоров валы подвергаются периодическим воздействиям различных нагрузок и по величине, и направлению, под действием этих нагрузок в материале коленчатого вала возникают напряжения изгиба, кручения и др. При использовании жестких режимов работы или при увеличении зазоров коренных и шатунных подшипников амплитудные значения напряжений в опасных сечениях коленчатого вала увеличиваются по сравнению с нормальными режимами работы в несколько раз. Это приводит к постепенному накоплению усталостных внутренних повреждений в материале вала. Со временем в коленчатых валах появляются усталостные трещины, развитие которых может привести к поломке вала, что приводит к непредвиденным расходам времени и средств для приведения двигателя в работоспособное состояние.

Известны различные способы для определения повреждений в материале изделий, заключающиеся в том, что образец материала подвергают знакопеременному циклическому нагружению при заданной амплитуде нагрузки, измеряют в "процессе нагружения деформацию образца (Гусенков А.П. «Свойства диаграмм циклического деформировании при нормальных температурах» в сб. «Сопротивление деформированию при малом числе циклов нагружения», М., Наука, 1967, с.34-40), а в другом случае измеряют амплитуду деформаций в каждом полуцикле, затем строят график в координатах «отношение амплитуд деформаций в соседних полуциклах - усталостная повреждаемость образца» (а.с. №879383. Способ определения усталостного повреждения материала. Б.И. №41, 1981) и по изменению этих параметров судят об усталостном повреждении.

Из описания известных способов вытекает, что способ позволяет определять усталостные повреждения образца на любой стадии знакопеременного циклического нагружения, т.е. способ пригоден при испытании образцов. В реальных условиях эксплуатации машин при одинаковом времени эксплуатации накапливаются повреждения различного уровня, кроме этого в период ремонта машин на контроль поступают валы различного ремонтного размера, химического состава, твердости и геометрических параметров, оговоренных в ГОСТах и ТУ на конкретный вал. По этой причине не удастся построить график повреждаемости от измеряемого параметра. Учитывая это, вышеперечисленные способы для определения усталостного повреждения в коленчатых валах малопригодны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ контроля качества валов (а.с. №262462. Способ контроля качества валов. Б.И. №6, 1970). Согласно описанию данного способа проверяемый вал закрепляют одним концом к вибростолу и приводят собранную конструкцию в движение, в горизонтальном направлении вибростолу сообщают гармонические вибрации (линейно-поступательные вибрации, перпендикулярные к направлению колебаний вала), при этом частота вибраций близка к собственной частоте колебаний вала, производят последовательный поворот вала относительно собственной оси. В результате этих действий любые точки, расположенные на свободном торцевом сечении вала, описывают кривые, по форме которых судят о качестве проверяемого вала.

Данный способ пригоден при контроле гладких валов определенных размеров, а при контроле коленчатых валов имеет низкую точность или непригоден по следующим причинам:

- наличие шатунных шеек (конструкция коленчатого вала), геометрические размеры и вес;

- накопление повреждений носит случайный характер;

к контролю поступают валы различного ремонтного размера, химического состава, твердости, оговоренных в ГОСТах и ТУ;

- наличие допустимых без ремонта размеров например (прогиб вала и.т.д.).

Целью изобретения является повышение точности контроля внутренних дефектов в материале изделий, а именно контроля накопленных усталостных повреждений коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ определения усталостного повреждения коленчатых валов, осуществляемый в динамическом режиме, отличается наличием новых признаков:

- создают двухмассовую колебательную систему;

- систему подвешивают посредством гибкой связи вертикально в одной точке;

- ось изделия и ось подвески находятся на одной прямой;

- узловое сечение колебательной системы и опоры находится между ними;

- в системе возбуждают низкочастотные свободные крутильные колебания и определяют скорость затухания, последние и являются показателем уровня накопленных повреждений коленчатых валов в зависимости от предела выносливости вала.

При анализе патентной и технической литературы заявитель не обнаружил другого тождественного и эквивалентного заявляемому технического решения и поэтому полагает, что предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности «новизна». Кроме этого, новая совокупность существенных признаков, позволяющая повысить точность контроля усталостного повреждения коленчатых валов, явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ определения усталостного повреждения коленчатых валов иллюстрируется чертежами 1-6.

Фиг. 1. Схема подвески (образца) коленчатого вала на фиг.2. Блок-схема способа контроля.

Фиг.3. Основные стадии свободных крутильных колебаний на фиг.4. Установка для определения усталостного повреждения

Фиг. 5. Зависимость предела выносливости (τ_-1) вала от времени затухания свободных крутильных колебаний t.

Фиг. 6. Определение допускаемого времени затухания колебаний.

Согласно способу определения усталостного повреждения коленчатых валов, осуществляемого в динамическом режиме, создают двухмассовую колебательную систему, что, с одной стороны, благоприятствует протеканию свободных затухающих колебаний, а с другой стороны, охватывает максимальный объем материала коленчатого вала при минимальном количестве узловых сечений. В созданной таким образом системе время затухания колебаний находится в пределах от нескольких секунд до нескольких сотен секунд, что в свою очередь дает возможность выбрать наилучшие участки для замера затухания.

Созданную систему подвешивают посредством гибкой связи вертикально в одной точке подвеса 2 (фиг.1), где 1 - опора, 2 - точка подвеса, 3 - гибкая связь, 4 - рым-болт, 5 - ось подшипника, 6 - корпус подшипника, 7 - подшипник, 8 - датчик, 9 - дополнительные массы, 10 - коленчатый вал, MN - ось подвески, при этом влияние количества точек на измеряемый параметр сводится к минимуму.

Систему подвешивают таким образом, чтобы ось изделия и ось подвески находились на одной прямой MN (фиг.1). При отклонении оси изделия от оси подвески уменьшается точность контроля накопленных повреждений по измеряемому параметру.

Узловое сечение колебательной системы и опоры находится между ними, а в противном случае чувствительность к накопленным повреждениям ухудшается.

Затем в системе (фиг.2) включающей 10 - образец (коленчатый вал), 9 - инерционные массы, 8 - пьезокерамический датчик, 11 - подвесное устройство, 3 - капроновую нить, 13 - усилитель, 14 пороговое устройство, 15 - источник питания, 16 - частотомер-хронометр, 17-18 осциллографы, возбуждают низкочастотные свободные крутильные колебания и определяют скорость затухания, при использовании других видов колебаний в одном случае система не реагирует, в другом снижается чувствительность к повреждениям, измерение проводят на установившемся участке (фиг.3), где 19(Т_в) - период вынужденных колебаний, 20(Т_п) - переходной период, 21(Т_у) - установившийся период колебаний, 22(Т_ш) - шумовая зона колебаний, при измерении скорости затухания колебаний.

Разработана блок-схема контроля (фиг.2), спроектирована и изготовлена установка для определения усталостного повреждения коленчатых валов (образцах) (фиг.4), где 23 - колебательная система, 13 - усилитель, 15 - источник питания, 16 - частотомер-хронометр, 17 - осциллограф, 14 - пороговое устройство.

Пример осуществления способа определения усталостного повреждения в материале (образца) коленчатого вала (фиг.2).

К коленчатому валу 10 прикрепляют инерционные массы 9 и подвесное устройство 11, 12. Опора пъезокерамического датчика 8 жестко прикреплена к одной из инерционных масс. Таким образом созданную двухмассовую колебательную систему подвешивают посредством гибкой связи 3 вертикально в одной точке.

Если в плоскости инерционных масс 9 приложить две равные противоположно направленные закручивающие пары сил, а затем их внезапно снять, или по одной из масс нанести импульсный удар, то в данной системе возникнут свободные крутильные колебания. В процессе колебаний инерционные массы все время будут вращаться в противоположных направлениях, это следует из закона сохранения главного момента количества движения. В начальный момент количество движения двух масс относительно вала равно нулю и должно оставаться равным нулю. Равенство нулю главного момента количества движения требует, чтобы обе массы вращались в противоположных направлениях.

Механические колебания системы воспринимаются датчиком 8, находящимся в механическом контакте с инерционной массой 9. Датчик преобразует их в электрические колебания с частотой, равной частоте механической системы. Электрические колебания усиливаются усилителем 13 и подаются в пороговое устройство 14, которое при уменьшении амплитуды колебаний до заранее установленного верхнего порогового значения включает начало замера времени затухания регистрирующим прибором 16. Для визуального контроля в электрической части установки имеются осциллографы 17, 18. При уменьшении амплитуды колебаний до заранее заданного нижнего уровня пороговым устройством подается сигнал в регистрирующий прибор об окончании отсчета времени затухания колебаний (на примере в качестве показателя скорости затухания свободных крутильных колебаний принято время затухания колебаний при уменьшении их амплитуды в два раза). Снимаются показания регистрирующего прибора и в зависимости от предела выносливости вала делается вывод о годности контролируемого коленчатого вала.

При осуществлении процесса контроля по предлагаемому способу были оценены влияния твердости, химического состава и диаметра вала (их значения задавались в пределах ТУ и ГОСТов) на исследуемые параметры колебаний.

Как следует из анализа полученных результатов, на частоту собственных колебаний системы существенное влияние оказывает лишь диаметр шейки вала. Максимальное изменение диаметра шейки вала вызывает соответствующее изменение собственной частоты на +1,4%.

Все исследуемые факторы оказались значимыми при замере времени затухания. При этом наибольшее влияние оказывает твердость испытываемого образца. Изменение твердости образца на 1% приводит к изменению времени затухания на 1,1...1,3%.

Таким образом, использование способа позволило количественно оценить влияние исследуемых факторов на основные параметры свободных крутильных колебаний двухмассовой системы.

Для решения задачи выявления влияния накопленных повреждений на параметры колебаний, обеспечения периодического замера параметров колебаний в процессе накопления усталостных повреждений в материале образца была разработана и использована установка для усталостных испытаний и установка для контроля повреждений.

Была разработана методика проведения усталостных испытаний (лабораторных образцов и натурных деталей), испытания проводились по классической схеме и методом ступенчатого нагружения. В процессе испытания на усталость через определенные интервалы времени (нагружения) определялись частота и скорость затухания свободных крутильных колебаний. Таким образом лабораторные образцы и натурные образцы (отсеки коленчатых валов) испытывались до их разрушения.

Анализ проведенных работ позволяет сделать следующие выводы, что накопление усталостных повреждений в материале образца приводит к незначительному изменению (2-3%) частоты колебаний и к значительному уменьшению (80-90%) времени затухания этих колебаний, т.е. чем больше уровень накопленных повреждений, тем быстрее скорость затухания. Время затухания свободных крутильных колебаний является наиболее чувствительным параметром к уровню накопленных повреждений в материале валов.

Результаты усталостных испытаний при знакопеременном кручении и изгиба показали наличие тесной математической связи между накопленными повреждениями и пределом выносливости τ_-1 (фиг.5), кроме этого на основании этих испытаний и с применением метода минимального среднего риска (при этом используется наибольшее количество информации: плотности распределения вероятности состояний диагностируемого объекта f(t₁), f(t₂), издержки R от ошибок первого и второго рода, затраты на диагностирование и др., что обеспечивает более высокую достоверность полученного результата) было установлено допустимое значение контролируемого диагностического параметра (фиг.6). Предел выносливости отобранных валов по этой методике не ниже предела выносливости валов без трещин последнего ремонтного размера и, следовательно, они пригодны к дальнейшей эксплуатации

Эксплуатационная проверка надежности отремонтированных таким образом валов подтвердила их безаварийную работу в течение межремонтного интервала.

Способ определения усталостного повреждения коленчатых валов, осуществляемый в динамическом режиме, отличающийся тем, что создают двухмассовую колебательную систему, которую подвешивают посредством гибкой связи вертикально в одной точке таким образом, чтобы ось изделия и ось подвески находились на одной прямой, а узловое сечение между колебательной системой и опорой - между ними, в системе возбуждают низкочастотные свободные крутильные колебания и по скорости затухания в зависимости от предела выносливости вала судят об уровне повреждений.

Способ обнаружения дефектов в материале упругой конструкции // 2303774

Изобретение относится к активным методам акустического контроля упругих конструкций, использующих вынужденные механические колебания, и может найти применение в машиностроении, в частности авиадвигателестроении.

Способ определения сопротивления полимерного покрытия растрескиванию при деформировании металла под действием внешних нагрузок // 2293306

Изобретение относится к испытательной технике. .

Способ контроля целостности элементов и конструкций и устройство для его осуществления // 2271526

Изобретение относится к средствам для контроля целостности конструкции, расположенной в окружающей среде, содержащей текучую среду под давлением окружающей среды.

Система и способ для обнаружения и измерения распространения дефектов в детали или конструкции // 2263888

Изобретение относится к области испытательной техники и предназначено для обнаружения и измерения распространения дефектов в детали или конструкции. .

Способ обнаружения дефектов в материале упругой конструкции // 2190207

Изобретение относится к активным методам акустического контроля упругих конструкций, использующих вынужденные механические колебания, и может найти применение, например, в двигателестроении.

Механизм установки датчиков для сканирующего устройства дефектоскопии длинномерных изделий // 2186367

Изобретение относится к неразрушающему контролю длинномерных изделий, в том числе труб, и может быть использовано при сканировании наружной поверхности длинномерных изделий.

Внутритрубный дефектоскоп // 2163369

Изобретение относится к устройствам для внутритрубного неразрушающего контроля трубопроводов, а именно для контроля профиля полости уложенных магистральных нефтегазопродуктопроводов путем пропуска внутри контролируемого трубопровода устройства с установленными на корпусе средствами измерения дефектов полости трубопровода, средствами обработки и хранения данных измерений, продвигающегося внутри трубопровода за счет транспортируемого по трубопроводу потока жидкости (газа).

Способ неразрушающей диагностики локальных коррозионных разрушений трубопроводов "in situ" // 2140628

Способ контроля насосных штанг при их правке // 2076008

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано, например, при изготовлении насосных штанг. .

Способ и система мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением // 2351915

Применение вакуумного датчика и способ несъемного соединения чувствительного материала с деталью корпуса // 2377538

Изобретение относится к методам использования вакуумных датчиков для выполнения "мониторинга за техническим состоянием структуры" (SHM) и способам несъемного соединения материала чувствительного элемента с корпусом согласно преамбуле пунктов формулы 1, 15, 46 и 47

Способ определения координаты, длины и глубины раскрытой трещины упругой консольной балки // 2416091

Изобретение относится к неразрушающему контролю упругих твердых тел акустическими методами и может найти применение в строительстве и в машиностроении, в частности авиадвигателестроении

Способ диагностирования состояния конструкции // 2439518

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для использования в диагностике состояния механизмов и машин, испытывающих статические и динамические нагрузки и требующих повышенных мер контроля и обеспечения безопасности, например, погрузо-разгрузочных строительных машин (башенных кранов)

Способ изготовления чувствительной пленки для измерения трещин на поверхности материала // 2442119

Устройство для оценки степени трибоактивации измельченных материалов // 2468354

Способ испытания металлов на необратимую поврежденность // 2498272

Изобретение относится к области испытания материалов на усталость и предназначено для определения момента появления в металле необратимых повреждений, характеризующегося образованием в металле микротрещин в процессе его нагружения. Сущность: осуществляют вырезку образца из испытываемого металла, его термообработку, вырезку из термообработанного образца серии базовых образцов, испытание этих образцов на ударную вязкость, обработку полученных значений ударной вязкости методом наименьших квадратов с получением среднего значения ударной вязкости, которое принимается за базовое. Из листа испытываемого металла вырезают другую серию образцов для проведения усталостных испытаний, при этом первый образец из этой серии испытывают до разрушения, второй образец нагружают в течение количества циклов, равных половине количества циклов до разрушения первого образца, третий и последующие образцы из этой серии нагружают, изменяя количество циклов нагружения от образца к образцу. Каждый образец, кроме первого, после нагружения термообрабатывают на режимах, которые применялись при получении базового значения ударной вязкости, после чего из каждого из них вдоль направления прикладываемой нагрузки вырезают серии образцов с размерами, аналогичными размерам базовых образцов для испытания на ударную вязкость. Осуществляют испытания полученных образцов на ударную вязкость, полученные значения ударной вязкости обрабатывают методом наименьших квадратов с получением среднего значения ударной вязкости для каждой из серий. Анализируют полученные средние значения ударной вязкости, сравнивая их с базовым, и определяют диапазон количества циклов нагружения металла, в котором начинается падение значений ударной вязкости термообработанных образцов, который характеризует момент образования в металле микротрещин. Технический результат: возможность получать сведения не только об общей долговечности металла при определенных параметрах нагружения, но и о моменте образования в металле необратимых повреждений. 2 ил.

Способ измерения чистоты поверхности подложек // 2515117

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве дифракционных микропрофилей. Способ заключается в том, что производят сдвиг подложки-зонда по поверхности исследуемой подложки, которые расположены под углом друг к другу. Этот угол создают в сторону движения подложки-зонда. Сдвиг подложки-зонда осуществляют путем увеличения угла между исследуемой поверхностью и плоскостью горизонта, по углу, при котором происходит сдвиг подложки-зонда, судят о чистоте поверхности подложки, при этом в процессе скольжения подложки-зонда выполняют неравенство γ≤±16°, где γ - угол между биссектрисой угла при вершине контактирующей грани подложки-зонда и траекторией скольжения. Техническим результатом является обеспечение возможности устранения механических разрушений поверхности и увеличение точности процесса измерения. 6 ил.

Способ выявления микротрещин, обусловленных наличием водорода в стали // 2545464

Изобретение относится к диагностике технического состояния стальных деталей, а именно к способам выявления микротрещин, обусловленных наличием водорода в сталях. Указанный технический результат достигается тем, что способ выявления микротрещин в виде флокенов в стали включает изготовление ударных образцов с надрезом, закалку образцов на мартенсит, их разрушение и выявление на изломе методами световой и/или сканирующей микроскопии мартенситного микрорельефа, свидетельствующего о наличии внутренних трещин, обусловленных водородной хрупкостью. Технический результат изобретения - обеспечение простого и достоверного способа выявления микротрещин - флокенов, обусловленных наличием водорода в стали. 6 ил.

Способ оценки качества поверхности цилиндра двигателя внутреннего сгорания после операции плосковершинного хонингования // 2561013

Изобретение относится преимущественно к области исследований материалов, а именно к обнаружению локальных дефектов или нерегулярностей на подвергнутых механической обработке поверхностях деталей машин, в частности на поверхности цилиндра двигателя внутреннего сгорания, далее ДВС, после обработки хонингованием. Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности оценки качества поверхности цилиндра ДВС после операции хонингования. Задача решается за счет способа, в котором в качестве критерия используют разность высот канавки и поверхности за пределами канавки, отличающегося тем, что производится инструментальное трехмерное измерение поверхности цилиндра, выбирают поле для измерений таким, чтобы его противолежащие стороны пересекали, по меньшей мере, две канавки, измерения высот точек микропрофиля производят в сечении по дну канавки параллельно образующей канавки, результаты измерений (поле измерений) сохраняют в виде двумерного массива (А0), рассчитывают (Аср) - среднее значение высот массива (А0), затем по высотной диаграмме массива (А0) определяют координаты пересечения наиболее глубокой части канавок с границами поля измерений, для каждой канавки выбирают из двумерного массива (А0) высотные координаты части измеренных точек поверхности, принадлежащих сечению по дну канавки параллельно образующей канавки в массив (А), состоящий из N точек, далее рассчитывают (N1) - число точек массива (А), для которых выполняется условие A(i)>Аср, где А(i) - высота точки входящей в массив (А), затем рассчитывают частные коэффициенты вырождения канавок (KBKj) для выделенных канавок по выражению: KBKj=Nj/N, и (КВК) измеренного поля рассчитывают как среднее от частных коэффициентов вырождения канавок (KBKj), и по их величинам судят о качестве поверхности цилиндра двигателя внутреннего сгорания после операции плосковершинного хонингования. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.