cw 8.pdf
(
3336 KB
)
Pobierz
Microsoft Word - Cw_8_Gigacykle
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).
2
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
3
cykle
zginania.
q
a
l
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:
a
4
=
ql
(1)
8
EI
y
gdzie:
qjesttoobciąŜenieciągłe,
l–długośćbelki,
E–modułYounga,
I
y
–momentbezwładnościprzekrojubelki.
Wzórnamomentgnącybelkijestnastępujący:
ql
M
g
=
2
2
(2)
poniewaŜwzórnanapręŜeniagnącebędziemiałpostać:
σ
=
M
g
(3)
g
W
y
gdzie
W
y
=
I
y
jest to wytrzymałość przekroju na zginanie, a h – wysokość belki.
h
/
2
Podstawiającdowzoru(3)wartośćobciąŜeniaciągłegoqwyliczonązewzoru(1)otrzymamy
następującąpostaćnapręŜeń:
σ
=
2
Eh
⋅
a
(4)
g
l
2
4
NapręŜenia,belka5x10x29(bxhxl)
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
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);
5
Plik z chomika:
albi1990
Inne pliki z tego folderu:
cw 1.pdf
(2405 KB)
cw 8.pdf
(3336 KB)
cw 3.pdf
(1826 KB)
cw 4.pdf
(1557 KB)
cw 2.pdf
(960 KB)
Inne foldery tego chomika:
Dźwignice
Jakość
Konstrukcje Nośne
Laboratorium Dżwignic
Laboratorium MB
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin