cw 8.pdf

LABORATORIUMMECHATRONIKI,DIAGNOSTYKI

IBEZPIECZEŃSTWATECHNICZNEGO

INSTYTUT POJAZDÓW

WYDZIAŁ SAMOCHODÓW I MASZYN ROBOCZYCH

POLITECHNIKAWARSZAWSKA

ul. Narbutta 84, 02-524 Warszawa

Tel. (22) 234-8117 do 8119

e-mail : sekretariat@mechatronika.net.pl

http://www.mechatronika.net.pl

Laboratorium – Podstawy Diagnostyki

Ćwiczenienr8

Opracował:

drinŜ.MarcinJasiński

Temat:

Diagnostykagigacyklowegoprocesuzmęczeniowego

1.Wprowadzenie

Celem ćwiczeni jest zapoznanie studentów z metodą prognozowania i analizy

gigacyklowej trwałości zmęczeniowej (10 8 ÷10 9 cykli), dla stosowanych w szybkobieŜnych

silnikach i turbinach wysoko wytrzymałościowych materiałów, otrzymywanych na bazie

metali. W metodzie wykorzystuje się wyniki analizy sygnału wibroakustycznego,

uzyskiwanego podczas przyspieszonych badań zmęczeniowych, na specjalnie do tego celu

skonstruowanymizbudowanymstanowiskubadawczym,pracującymwzakresieczęstotliwości

rzędu 20kHz, której odpowiada częstotliwość drgań własnych próbek. Ze względu na

trudności związane z prowadzeniem tak długotrwałych testów na klasycznych maszynach

wytrzymałościowych(częstotliwośćwymuszeńrzędu30Hz)tegotypubadaniawPolscenie

byłyprowadzone,tymbardziejniepodejmowanebyłypróbyformułowaniaocenyprocesuna

podstawieinformacji zawartej w sygnale wibroakustycznym. Nieznajomość zjawiska i brak

moŜliwościjakościowej,aszczególnieilościowejmiaryprocesu,wktórymprzewaŜającyokres

rozwoju uszkodzenia związany jest z fazą nukleacji pęknięcia, niesie ze sobą

niebezpieczeństwo wystąpienia katastroficznych uszkodzeń. Uwzględniając, Ŝe dotyczy to

nowoczesnychśrodkówtransportowych(samoloty,statki,szybkobieŜnepociągi)orazurządzeń

welektrowniachkonwencjonalnychirównieŜrozwaŜanychwstrategicznychplanachrozwoju

kraju elektrowniach jądrowych, których awarie mogą mieć katastrofalne konsekwencje,

przeprowadzenie tego typu badań oraz podjęcie zadania opracowania algorytmów

prognozowania okresu uŜytkowania jest koniecznością dla polskiego środowiska naukowo

technicznego.

Warto zauwaŜyć, Ŝe wymagana trwałość zmęczeniowa współczesnych silników

samochodowychwynosi10 8 cykli,duŜychsilnikówozapłoniesamoczynnymstosowanychna

statkach lub lokomotywach szybkobieŜnych 10 9 cykli, a niektóre elementy silników

turbinowych powinny wykazywać wytrzymałość zmęczeniową rzędu 10 10 cykli (Bathias i

Paris,2005).

Równocześnie,badaczepodejmującypróbyprowadzeniategotypubadańwskazują,Ŝe

90%okresurozwojuprocesugigacyklowegozmęczeniamateriałówtookresnukleacjipęknięć.

Zoczywistychwzględówwyznaczeniejednoznacznejgranicypomiędzynukleacjąpęknięciaa

fazą propagacji nie jest proste. Z jednej strony liczba dostępnych wyników badań jest

ograniczona: zauwaŜmy, Ŝe prowadząc badania na klasycznej maszynie zmęczeniowej

pracującejzczęstotliwością100Hzliczbę10 7 cyklimoŜnaosiągnąćpoprawie30godzinach,

natomiastosiągnięcieliczby10 9 cyklibędziewymagałoprowadzeniabadańprzezpraktycznie

3000godzin.

Przyrosty pęknięć są trudno mierzalne, na dodatek wczesnym fazom powstawania

defektówtowarzysząmałeprzyrostypęknięć.Wliteraturzewskazujesię,ŜemimoiŜśredni

przyrostpęknięciawprocesiezmęczeniagigacyklowegoleŜyczęstoponiŜejtzw.progowego

przyrostupęknięciazmęczeniowego(fatiguecrackgrowththreshold)wynoszącego10 11 ÷10 12

m/cykltozjawiskotegotypuzniszczeniazmęczeniowegojednakwystępują.Oznaczato,Ŝe

stosowanedotychczaswmechanicezaleŜnościprzyrostupęknięciaodintensywnościnapręŜeń

iwartościnapręŜeńnieuzyskaływwarunkachzmęczeniagigacyklowegopełnejakceptacjiina

obecnymetapiebadańpodlegająprocesowiweryfikacji.Ztegopunktuwidzeniaistniejepilna

potrzeba rozwoju nowych metod badawczych, adekwatnych modeli diagnostycznych oraz

doboruodpowiednichmetoddetekcjiinformacjidiagnostycznej.Narysunku1przedstawiono

koncepcjęnowegoprzebieguwykresuWöhleradlabadańwysokoigigacyklowych(Novýi

Bokůvka,2008orazTianiinni,2007)(liniaciągła)wporównaniuzdotychczasowąkoncepcją

(liniaprzerywana).

Uwzględniając wymienione zagadnienia coraz częściej podejmowane są próby

prowadzeniaprzyspieszonychtestówzmęczeniowychprzywykorzystaniupiezoelektrycznych

lubmagnetostrykcyjnychgeneratorówiprzetwornikówwysokiejczęstotliwościzprzedziału

10÷30kHz,bowiempozwalatosprowadzićokresbadańdorozsądnegoczasu(odpowiednio

10 9 cyklimoŜnauzyskaćwczasiewspomnianych30godzin).Jednakograniczonamocsygnału

wymagaprowadzeniabadańwpaśmiedrgańrezonansowychpróbki,wodróŜnieniuoddrgań

wymuszonych, jakim poddana jest próbka na klasycznych, niskoczęstotliwościowych

urządzeniachtestowych.

Badania

niskocyklowe

Badania

wysokocyklowe

Badania

gigacyklowe

10 5

10 6

10 8 10 9

Rys.1.WykresWöhlera:modelteoretyczny(liniaprzerywana)orazmodel

zaproponowanywpracach(NovýiBokůvka,2008orazTianiinni,2007)

W celu uzyskania określonych i wystarczająco wysokich amplitud, maszyny

wysokoczęstotliwościowe muszą pracować w rezonansie. Oznacza to, Ŝe kaŜdy drgający

element,włączającwtopróbkęmusimiećokreślonągeometrięiwłaściwościmechaniczne.

Próbka jest zazwyczajosiowosymetryczna (oprzekrojukołowymlubkwadratowym), ajej

długość musi pozwalać na powstawanie podłuŜnej fali stojącej przy 10÷20 kHz z

maksymalnyminapręŜeniamiinaciskiemwśrodkupróbkiorazmaksymalnymodkształceniem

nakońcachpróbki.Próbkapowinnamiećstałyprzekrójlubzmniejszonyprzekrójpośrodku

próbki (zazwyczaj w kształcie dzwonu lub klepsydry) w celu zwiększenia amplitudy.

OdkształceniespręŜystenakońcupróbkijestmierzonezapomocątensometrówlubczujników

przemieszczeń. Zmierzony sygnał jest wysyłany w pętli zwrotnej do jednostki sterującej

amplitudą. Maksymalne odkształcenie ε, jest obliczane z amplitudy odkształceń lub jest

mierzonewśrodkupróbkiwmiejscuodkształceńmaksymalnych.JeŜelizaleŜnośćnapręŜenia

odkształceniajestznana(np.zprawaHooke’a),napręŜeniamogąbyćwyliczonezodkształceń.

Jeśli próbka jest zamocowana tylko na jednym końcu, to bez zadawania obciąŜenia

zewnętrznego, obciąŜenie jest rozciągającościskające (R = –1). Sterowanie amplitudą jest

realizowane poprzez regulator typu PID (całkująco–róŜniczkujący), który gwarantuje, Ŝe

wstępnie ustawiona wartość amplitudy jest osiągana z wysoką dokładnością (99% w

nowoczesnychurządzeniach).Opróczamplitud,równieŜczęstotliwości sąsterowanewcelu

utrzymaniarezonansu,zapomocąobwodówPLL(pętlifazowej).Monitoringczęstotliwości

moŜebyćuŜytydowykonywaniaautomatycznychoperacji,np.wyłączeniaurządzeniajeślima

miejscepęknięcie.

Z punktu widzenia zmęczeniowego zniszczenia zęba, Autor proponuje stanowisko

laboratoryjne do badań gigacyklowych procesów zmęczeniowych dla dwupunktowego

cykle

zginania.

Rys.2.Dwupunktowezginanie

Przy tego typu badaniach istotna jest moŜliwość sterowania wartością napręŜeń w

zaleŜnościod amplitudyswobodnegokońcadrgającej belki. Przydwupunktowym zginaniu,

wymuszenie oddziaływujące na zamurowany koniec belki spowoduje powstanie na belce

obciąŜeniaciągłegodziałaniesiłybezwładnościswobodnegokońcadrgającejbelki(Rys.2).

Dla takiego układu obciąŜenia, wzór na amplitudę swobodnego końca belki zapiszemy w

postaci:

(1)

gdzie:

qjesttoobciąŜenieciągłe,

l–długośćbelki,

E–modułYounga,

I y –momentbezwładnościprzekrojubelki.

Wzórnamomentgnącybelkijestnastępujący:

M g =

(2)

poniewaŜwzórnanapręŜeniagnącebędziemiałpostać:

(3)

gdzie

y =

jest to wytrzymałość przekroju na zginanie, a h – wysokość belki.

Podstawiającdowzoru(3)wartośćobciąŜeniaciągłegoqwyliczonązewzoru(1)otrzymamy

następującąpostaćnapręŜeń:

⋅

(4)

NapręŜenia,belka5x10x29(bxhxl)

500

450

400

350

300

250

200

150

100

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Rys.3.NapręŜeniagnącewbelcewzaleŜnościodamplitudyswobodnegokońcabelki

NatejpodstawiezostałnarysowanywykreszaleŜnościnapręŜeńgnącychwbelcew

funkcjiamplitudyswobodnegokońcabelki(Rys.3).PrzyzałoŜeniu,Ŝegłowicabędziedrgańz

amplitudąok.10m,awzmocnienieamplitudyprzyrezonansiebędziewynosiło4,otrzymamy

dla amplitudy 40 m napręŜenia rzędu 200 MPa co jest obiecującym wynikiem poniewaŜ

znajdujemy się poniŜej granicy plastyczności R e , ale w miarę blisko dopuszczalnej

wytrzymałości na obustronne zginanie Z go (dla materiału próbki – St5:

Amplitudadrgan[mm]

R e =

280

MPa

, a

Z go =

210

MPa

Jak wspomniano wcześniej typowe stanowiska do badań gigacyklowych bazują

zazwyczaj na ramach maszyn do badania trwałości zmęczeniowej. Są to stanowiska o

stosunkowoduŜychwymiarachiwadze.Autorzyzaprojektowalimałogabarytowestanowisko

do diagnozowania gigacyklowych procesów zmęczeniowych, w kształcie sześcianu o

wymiarach0,3x0,3x0,3mktóregowaganieprzekracza10kg,zgłowicą,wykonanąztytanu,

zakładanąbezpośrednionageneratorzepiezoelektrycznym,wktórejbelkajestmocowanaza

pomocąmimośrodu(wceluzlikwidowanialuzów).Małegabarytyzostałyzaproponowaneaby

byłamoŜliwośćzamontowaniastanowiskanawzbudnikuTIRATV5500/LS,onastępujących

parametrach: obciąŜenie nominalne – 4000 N, zakres częstotliwości – DC÷3000 Hz,

maksymalne przyspieszenie 54 g. Zastosowanie wzbudnika pozwoli na generację

częstotliwościmodulującychczęstotliwośćdrgańwłasnychbelki,dziękiczemubędziemoŜliwe

badanie bardziej złoŜonych mechanizmów inicjacji i rozwoju pęknięcia zmęczeniowego

(JasińskiiRadkowski,2006,JasińskiiRadkowski,2007a,JasińskiiRadkowski,2007b).

Przy analizie załoŜeń stanowiska laboratoryjnego duŜym problemem okazało się

dobranie odpowiedniego węzła kinematycznego, który realizował by współpracę głowicy z

tuleją w płycie górnej stanowiska oraz posiadałby trwałość rzędu 10 8 ÷10 9 cykli. Autorzy

zaprojektowalinastępującerozwiązanie:

• Współpraca dwóch bardzo twardych powierzchni; zaproponowano pokrycie

współpracujących ze sobą powierzchni czopa głowicy oraz tulei w obudowie

stanowiskawarstwąazotkutytanu(wPolsceoraznaświeciejesttopraktycznierzecz

biorącpionierskierozwiązanie);

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: