Разработка методики оценки влияния динамических процессов в нагружающих устройствах на силоизмерительную систему испытательных машин для циклических испытаний

2
Оглавление.
Введение............................................................6
Часть 1 Механическая прочность — гарантия механической безопасности........................................................14
1.1 Роль и значение механических испытаний в решении задач прочности '......................................................14
1.2 Усталостная прочность материалов - главный аргумент надежности, долговечности и безопасности технических систем..................15
1.2.1 Весомость усталостных повреждений материала в общем балансе причин аварий технических систем....................15
1.2.2 Причины малого внимания к усталостным испытаниям в ,
промышленном производстве.......................................16
1.3 Проблемы метрологического контроля машин для усталостных
* X»..
испытаний.........................................................19
1.3.1 Выбор объекта для исследования и разработки рекомендаций по принципиальным техническим решениям и метрологическому [
обеспечению.....................................................19
1.3.2 Основные типы испытательных машин для усталостных испытаний...................................................21
1.3.2.1 Механические испытательные машины.......................22
1.3.2.2 Гидропульсаторные испытательные машины..................24
1.3.2.3 Сервогидравличсские испытательные машины................26
1.3.3 Описание измерительных устройств применяемых при механических испытаниях.....................................28
1.3.4 Общие проблемы испытательного оборудования для усталостных испытаний.......................................33
1.3.5 Актуальность решения задач метрологического обеспечения механических испытаний на усталость.........................36
1.4 Выводы по главе...............................................38
Глава 2 — Методы и средства оценки влияния динамических процессов в нагружающих устройствах на силоизмерительную систему испытательной машины .................................... 40
2.1 Построение математической модели для аналитического метода определения значения динамической составляющей погрешности 40
2.1.1 Расчет значения относительной динамической составляющей погрешности измерения амплитуды нагрузки для машины типа УРС-20..........................................................41
2.1.2 Расчет значения относительной динамической составляющей погрешности измерения амплитуды нагрузки для машины типа МИУ-500.........................................................50
2.1.3 Расчет значения относительной динамической составляющей £.
С*
погрешности измерения амплитуды нагрузки для машины типа ГРМ. .............................!..............................53
2.1 Экспериментальные методы определения динамической составляющей погрешности........................................61
2.2.1 Особенности методики калибровки по ГОСТ 8.425-81 .......-.61
2.2.2 Особенности методики калибровки по 180 4965-1979..........66
2.3 Разработка метода калибровки испытательной техники по пиковому значению нагрузки в динамическом режиме нагружения..............68
2.4 Некоторые методические особенности разработанной методики ...71
2.5 Методика калибровки испытательной техники по амплитудному значению динамической нагрузки в динамическом режиме нагружения. ................................................................73
2.6 Разработка средства калибровки испытательной техники для усталостных испытаний в динамическом режиме нагружения.........74
2.7 Выводы по главе..............................................81
Глава 3 - Проведение эксперимента по определению значения динамической погрешности по методу непосредственного измерения.
....................................................................84
3.1 Планирование эксперимента, статистическая обработка и
определение ошибки экспериментальных данных........................84
3.2. Проведение эксперимента по методу непосредственного измерения при помощи динамометра переменных сил..............................87
3.2.1 Определение значения динамической составляющей погрешности для машины типа УРС-20............................87
3.2.1.1 Условия калибровки.......................................87
3.2.1.2 Точность эксперимента....................................88
3.2.1.3 Проведение серии измерений...............................88
3.2.1.4 Статистическая обработка полученных данных : 89
3.2.1.5 Результаты статистической обработки данных...............97
3.2.2 Определение значения динамической составляющей погрешности для машины типа ГРМ.................................101
3.2.2.1 Условия калибровки......................................101
3.2.2.2 Точность эксперимента...................................102
3.2.2.3 Проведение серии измерений..............................102
3.2.2.4 Статистическая обработка полученных данных..............103
3.2.2.5 Результаты статистической обработки данных..............110
3.2.3 Определение значения динамической составляющей погрешности для машины типа МИУ-500К...........................1 14
3.2.3.1 Условия калибровки.....................................1 14
3.2.3.2 Точность эксперимента...................................114
3.2.3.3 Проведение серии измерений..............................114
3.2.3.4 Статистическая обработка полученных данных..............115
3.2.3.5 Результаты статистической обработки данных..............123
3.3 Сопоставление экспериментальных и аналитических данных 127
3.4 Выводы по главе..........................................133
Глава 4 - Практические рекомендации и внедрение результатов диссертации....................................................136
4.1 Рекомендации по внесению изменений в стандарты на средства испытаний...................................................136
4.2 Рекомендации по конструкции силовой рамы машины с целью снижения значения динамической погрешности..................142
4.3 Разработка системы силоизмерения с автоматическим учетом влияния силы инерции...................................... 145
4.4 Выводы по главе..........................................148
Заключение................................................... 149
Список используемой литературы.................................151
Приложение А - Справки об использовании результатов
диссертационной работы.........................................162
Приложение Б - Патент на изобретение...........................164
Приложение В - Статистическая обработка и определение ошибки экспериментальных данных.......................................165
Введение
6
Актуальность исследования. В практике эксплуатации испытательного метрологического оборудования различных типов нередки случаи значительных разбросов результатов измерений механических характеристик материалов. Результаты измерений характеристик одного и того же материала несколькими лабораториями зачастую имеют низкую сходимость. Это является следствием, прежде всего недостаточной метрологической точности испытательных средств, большой систематической погрешности стандартного метода измерений.
В ходе анализа основных метрологических требований, предъявляемых к испытательным машинам, и их методического и приборного метрологического обеспечения, было выявлено, что отсутствует контроль важнейшей метрологической характеристики испытательного оборудования - предела допускаемой погрешности машины при измерении нагрузки в динамическом режиме нагружения.
Скрытая динамическая составляющая погрешности может достигать нескольких десятков процентов, в то время как допустимый предел погрешности измерения силы при механических испытаниях, по * международным нормам, не должен превышать трех процентов, а по ряду отраслевых стандартов одного процента.
Опыт промышленного производства испытательных машин на предприятиях РФ, в основном на заводе испытательных машин (г. Армавир) и ввода в обращение в 60х-80ч годах прошлого столетия нескольких сотен гидропульсаторных машин типа Г'РМ, затем МУП на 100, 200 и 500 кН показал отсутствие надежных средств и методов контроля точности силоизмерительной системы машины в динамическом режиме нагружения. При продекларированной максимально допустимой
погрешности ±3 % от измеряемого значения силы, действительные погрешности при испытании материалов на усталость составляли десятки процентов.
Необходимость решения проблемы достоверной количественной оценки прочности материалов и конструкций, как гарантии механической безопасности в техносфере и сохранения конкурентоспособности российских индустриальных материалов, ставит перед исследователями и конструкторами актуальную задачу. Она заключается в разработке и внедрении средств и методов метрологической аттестации силоизмерительных систем испытательных машин в динамическом режиме нагружения. Обеспечение высокой точности измерений при механических испытаниях материалов на усталость востребовано в связи с акту ал ьн остью сертификации промышленной продукции но показателям выносливости и, не менее важной’ стратегической необходимостью исследования материалов в областях гиперусталости, т.е. при базах испытания до 109 циклов.
Работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР КубГТУ на 2001-2005 гг. "Конструктивно-технологические методы повышения надежности деталей машин, работающих в сложных условиях нагружения"; раздел «Метрологическое обеспечение точности механических испытаний материалов и конструкций» (6.5.2.01-05)
Цель работы заключается в разработке методики и средства калибровки в динамическом режиме нагружения испытательных машин для циклических испытаний, обеспечении достоверности, повышении точности и воспроизводимости результатов усталостных испытаний материалов, получаемых на машинах для многоцикловых испытаний, за счет повышения точности измерения силы, прикладываемой к испытываемому образцу.
8
Задачи исследовашш. К основным задачам исследования относятся:
- анализ достигнутого уровня научно-методического и технического (приборного) метрологического обеспечения средств механических испытаний материалов на усталость, стандартов на методы испытания и метрологического контроля;
- разработка математической модели для определения значения динамической составляющей погрешности измерения силы и ее зависимостей от конструктивных особенностей испытательной машины и основных режимов испытания;
- разработка и согласование в научно- исследовательских структурах Ростехрегулирования методики метрологической калибровки силоизмерительных систем многоцикловых машин в динамическом режиме нагружения;
- получение аналитических и экспериментальных зависимостей динамической составляющей погрешности от основных режимов проведения испытаний;
- разработка и внедрения рекомендаций по построению нагружающих устройств испытательных машин для усталостных испытаний, обеспечивающих снижение значения динамической составляющей погрешности и повышения достоверности получаемых результатов испытаний.
Методы исследования.
При проведении исследований в качестве гипотезы выдвинуто предположение, что конструктивные особенности гидравлической испытательной машины для усталостных испытаний и режимы испытаний оказывают влияние на точность определения основных механических свойств материалов. Причем динамическая составляющая погрешности, при проведении испытаний в динамическом режиме нагружения,
9
значительно превосходит уровень погрешности, установленный в нормативно-технической документации, в национальных и в отраслевых стандартах.
Методическую и теоретическую основу исследования составляют математические модели динамических процессов пространственных сложнонапряженных колебательных систем «гидровозбудитель инерционные массы захватных устройств - испытываемый образец» для трех принципов гидровозбуждения испытательной нагрузки: пульсаторного рекуперативного, классического сервогидравлического с двумя симметричными активными полостями цилиндра и дифференциального одноштокового гидроцилиндра, в испытательных машинах типа ГРМ, УРС и МИУ.
Аналитические исследования строились на основе научных трудов:
- классиков общей теории динамики механизмов, машин и метрологии механических испытаний: И.И. Артоболевский, • А.Г1. Бессонов, К.С Колесников, К.В. Фролов и др.
9
- известных ученых в области динамики конкретной группы испытательных машин для механических испытаний материалов и конструкций: С.В.Серенсен, Н.А.Махутов, Г.С.Писаренко,
B.Е.Кузьменко, Б.Е.Гарф, Ю.Е.Тябликов, В.Т. Трощенко, Ю.Г. Коротких,
C.Н.Пичков и др.;
разработчиков и исследователей испытательных машин: А.С.Шагинян, В.Я.Яблонко, А.Т.Оганесян, В.В.Харченко, В.А.Стрижало, С.М.Чиликов, А.Ф.Кравченко и др.
Информационную базу исследования составляют:
- научно-технические труды (книги) ученых известных в мировой науке и практике по проблемам усталостной прочности, механических
10
испытаний и испытательной техники в России, Украине, Англии, Швейцарии, США и др.;
- научно-технические журналы;
- материалы российских и международных научно-практических конференций и семинаров;
- российские и международные нормативные и методические материалы (стандарты, методики, инструкции и др.)
- результаты заводских и государственных испытаний испытательных машин.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, основываются на: V
- фундаментальных положениях динамики и прочности машин при построении математической модели динамических процессов . в нагружающих устройствах машин;
результатах проведенных экспериментальных исследований реальных динамических систем «машина-образец»;
- исследованиях нормативно-технических, методических документов \ по механическим испытаниям материалов на усталость;
- применение статистических методов обработки результатов;
утверждении во Всероссийском научно-исследовательском институте'метрологии-(ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева (г. С-Петербург) методики калибровки испытательных машин в динамическом режиме;
- апробации разработанных методики и средства калибровки
I
испытательных машин в динамическом режиме, в инфраструктурах Федерального ядерного центра РФ (г. Саров) и НИИ механики
«
11
Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород.);
- патентование разработанных методов калибровки и системы измерения силы машин для циклических испытаний.
Научная новизна и разработки, выносимые на защиту:
1. Математические модели машин типа ГРМ, УРС и МИУ, на
которых определены расчетные значения динамической погрешности
< •
измерения силы, прикладываемой к испытываемому образцу. Установлены наиболее важные факторы, влияющие на метрологические свойства машин для циклических испытаний.
2. Методика и средство метрологической калибровки машин в динамическом, режиме прошедшие апробацию и согласованные в структурах Ростехрегулирования.
3. Система измерения с автоматическим учетом силы инерции, позволяющая учитывать . значение динамической составляющей погрешности силы в процессе испытания.
Практическая значимость полученных результатов.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложены способы оптимизации характеристик и совершенствования конструктивных особенностей выпускаемых испытательных машин. Критерием оптимизации выбрана точность измерения нагрузок при определении механических свойств материалов. Разработана и внедрена методика и средство контроля основных нормированных метрологических характеристик, позволяющая решить проблему проведения метрологической аттестации рассматриваемых машин в динамическом режиме.
12
Применение разработанной системы измерения при модернизации устаревшей техники и при производстве новой позволяет улучшить эксплуатационные свойства испытательного оборудования и повысить достоверность получаемых результатов испытаний.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы при подготовке нормативнотехнических документов в области механических испытаний. Методика калибровки включена в комплект конструкторской документации на серийно выпускаемую универсальную испытательную машину МИУ.
На основе материалов диссертации в Технический комитет 311 «Машины и приборы для определения механических свойств материалов» Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии подана заявка на разработку проекта национального стандарта «Машины для усталостных испытаний осевой нагрузкой. Поверка, устройства для измерения усилия». Данная’ заявка была' включена в «Перспективную программу развития национальных стандартов в. научно-технической и производственной сферах на 2008-2012 годы».
Разработанные предложения по оптимизации конструкции машин для испытания на усталость, приняты к внедрению в «Научно-исследовательском И' конструкторском центре испытательных машин Точмашприбор», г. Армавир. Использование результатов работы подтверждено актами внедрения.
По разработанной методике и с использованием разработанного динамометра переменных сил были проведены калибровки испытательных машин в ФГУП «Российский федеральный ядерный центр» (г.Саров) и Научно-исследовательском институте механики Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского (г.
Н. Новгород)
13
Результаты диссертационной работы используются в • учебном процессе кафедры «Динамика и прочность машин» КубГТУ в виде содержательной части текстов лекций в разделе «Механические испытания материалов», учебного пособия «Машины и приборы для определения механических характеристик материалов», в методических указаниях по выполнению лабораторных работ.
Апробация результатов работы.
\
Основные результаты научных исследований, содержащихся в диссертации, были доложены и обсуждены на: расширенном Научно-техническом ' совете Госстандарта России (г.Москва, 2004г.); всероссийской конференции «Современная лаборатория предприятия» (г.Москва, 2004г.); всероссийской выставке инноваций ИННОВ-2005 (/.Новочеркасск, 2005г.); всероссийской выставке НТТМ-2005 (г.Москва, 2005г.); конкурсе Министерства образования и науки Российской Федерации на лучшую научную работу в 2005 г; международной конференции по теории механизмов и механике машин. - (Краснодар, 2006г); научно-техническом совете ООО «НИКЦИМ Точмашприбор» (Армавир, 2007г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 216 страницах машинописного текста и состоит из 4 глав основной части, выводов, списка литературных источников из 84 наименований, приложений А, Б и В на 54 страницах, содержащих акты внедрения результатов исследований в производство, копию патента №2336507 «Способ калибровки в циклическом режиме нагружения машин для испытаний на усталость», результаты экспериментальных исследований и их статистическую обработку. В диссертационной работе содержится 51 рисунок и 62 таблицы.
14
Часть 1 Механическая прочность - гарантия механической безопасности
1.1 Роль и значение механических испытаний в решении задач прочности.
Механическая прочность материалов и создаваемых из них деталей, конструкций и сложных технических систем является главной составляющей прочности, надежности и долговечности техносферы и гарантией безопасности жизнедеятельности человека. Задача обеспечения механической безопасности становится с каждым годом все более актуальной в связи с гиперболически непропорциональным развитием и накоплением критической массы и энергоемкости техносферы.[ 61 ]
Неизбежность увеличения механической опасности техносферы *и уроки техногенных аварий и катастроф существенно влияют на систему взглядов научной общественности и общества в целом. В этой связи, все сильнее формируется осознание необходимости освоения и развития методов и средств механических испытаний в широком диапазоне научно-практических задач - от лабораторных испытаний образцов материалов до систематического мониторинга целых природотехнических систем, как при вводе их в эксплуатацию, так и в течение всего их жизненного цикла.
Глобальная опасность, исходящая от техносферы, от ее главных составляющих - геотехнических систем и технических систем хранения, транспортирования и использования энергоносителей, является функцией механической прочности этих систем, в конечном счете функцией прочности материала из которого построена техническая система. [32]
15
Единственным способом получения достоверной, убедительной и объективной информации об уровне механической прочности материалов или конструкций, дифференцированной по отдельным унифицированным характеристикам механических свойств, являются* механические испытания.
Механическая прочность всегда сопоставлялась человеком с понятием безопасности. С появлением рыночных отношений прочность и надежность материалов и изделий явились также важным оценочным критерием, за которым укоренилось понятие конкурентоспособность.
Систематизированное научное представление понятий о прочности появилось с развитием математики, технических направлений науки и техники в строительной индустрии.
I
1.2 Усталостная прочность материалов - главный аргумент надежности, долговечности и безопасности технических систем
1.2.1 Весомость усталостных повреждений материала в общем балансе причин аварий технических систем
Усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. [ 66 ]
Усталостное разрушение материала проявлялось в авариях неожиданно и долгое время не поддавалось объяснению с позиции накопленных знаний о прочностных свойствах материалов. Усталостные разрушения деталей происходили при напряжениях значительно меньше
16
напряжений, соответствующих пределам текучести и
пропорциональности. [ 37, 48 ]
Первое экспериментальное подтверждение аналитическим
обоснованиям «необычного» поведения материала было сделано в 1829
*
году немецким горным инженером Альбсром, проведшем циклическое испытание шахтных цепей. [ 9 ] Этот эксперимент можно считать точкой начала развития аналитических и экспериментальных исследований в новом самостоятельном направлении науки о прочности - усталости.
Весомость ущерба наносимого авариями в технических системах по причинам усталостных разрушений деталей значительно превосходят подобные события по другим техническим причинам и , разными исследователями* называются количественные оценки в пределах 60-80%.[67]
1.2.2 Причины малого внимания к усталостным испытаниям в промышленном производстве
Востребованность внедрения в практику методов и средств усталостных испытаний материалов в преддверии мировой технической революции была более весомой по сравнению с востребованностью внедрения в то время методов и средств разовых статических испытаний материалов и конструкций. Предотвращение аварий и катастроф в технических системах, которые, как стало очевидным, являлись следствием постепенных усталостных повреждений, давало возможность не допускать больших потерь не только прямых материальных, но и косвенных, связанных морально-этическими аспектами состояния общества, а так же с изменением экологической обстановки. Таким образом, экономическая целесообразность внедрения в практику
17
мероприятий предотвращения усталостных разрушений была очевидна и по своему экономическому потенциалу - убедительна.[ 55 ]
При всей очевидной и значительной весомости усталостных повреждений в общем балансе факторов, влияющих на прочность и долговечность конструкций парадоксальным остается нсприоритетность испытаний на усталость как в научных исследованиях, так и в промышленном производстве материалов и технических систем.
Это объясняется более поздним, почти на 200 лет позднее формирования физических понятий прочности при статических нагружениях материалов и конструкций, открытием физического явления - усталостного разрушения и экспериментальное подтверждение этого немецким горным инженером Альбером в 1829году.
Эта причина как фактор сдерживания внедрения- усталостных испытаний материалов* и конструкций учитывалась при рассмотрении перспектив развития и комплексных программ нормативнометодического и материально-технического обеспечения этого важнейшего направления. Действительно, теоретическая обоснованность усталости материала, как физического явления, ещё не имеет чисто математического описания и построена на теории с эмпирическими константами и коэффициентами. А с другой стороны в практике использования результатов испытаний на усталость нельзя обойтись без применения академических способов обработки полученной экспериментальной информации, то есть без статистических методов математической обработки. Другим фактором сдерживания была длительность и энергоёмкость испытания на усталость несравнимо разные удельные веса затрат (труда человека, времени, энергии) на единицу испытания при разовых (статических) и усталостных испытаниях материалов и конструкций предопределили внедрение этого вида механических испытаний в науку и практику.[41]
18
Продолжительность и стоимость выполнения планов эксперимента для получения заключения (сертификации), выпускаемого металла на соответствие, например, ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» и ГОСТ 25.502-79 «Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость» несоизмеримы и отличаются между собой по продолжительности испытаний и объёмам затрат в сотни и тысячи раз. Этот фактор может рассматриваться как существенное сдерживание внедрения усталостных испытаний в практике, но в- сегодняшней, техногенной напряженности аварии и катастрофы в особо важных сложных технических системах влекут за собой, такие убытки, что на их фоне фактор длительности и энергоёмкости усталостных испытаний не имеет существенного значения.
Не менее важным- фактором, сдерживания внедрения в науку и широкую практику усталостных испытаний явилась самодискредитация испытательного оборудования для- испытания материалов на усталость. Она произошла по одной причине - недостоверность измерений.[ 54 ]
В условиях когда испытательное оборудование для усталостных испытаний не гарантирует достоверности и надежности измерений, то даже если бы стоимость единичного испытания была малой, такие средства измерений и сами измерения, т. е. испытания на усталость никогда не будут востребованы.
Недостоверность измерений, низкий метрологический уровень испытательного оборудования, отсутствие государственной системы метрологического обеспечения усталостных механических испытаний -главная и непреодолимая причина, сдержавшая так необходимое для науки и промышленности внедрение в практику механических испытаний материалов на усталость.
19
1.3 Проблемы метрологического контроля машин для усталостных испытаний
1.3.1 Выбор объекта для исследования и разработки рекомендаций по принципиальным техническим решениям и метрологическому обеспечению
Из всех многочисленных вариантов схем нагружения образцов и конструктивных особенностей нагружающих устройств в данной работе отдано предпочтение продольному осевому нагружению образцов на растяжение-сжатие и классическим нагружающим устройства вертикального типа, производства Армавирского завода испытательных машин. Это машины, ранее выпускаемые, типа ГРМ или МУГ1 и УРС и, ныне выпускаемая, типа МИУ.
Несмотря на то, что в первых экспериментах по испытаниям на усталость более часто упоминаются нагружения образцов изгибающими моментами по многоточечной схеме консольного нагружения, консольного с вращением и т. п., все-гаки большинством исследователей более предпочтительной, классической схемой нагружения, считается осевое нагружение.
Главным и убедительным фактом в защиту этой схемы является равномерное одинаковое напряжение по всему нагружаемому объему, т.е. по поперечному сечению.
В результате аналитических исследований проведенных автором, построение нагружающих устройств для усталостных испытаний осевым нагружением объясняется главным фактором - возможность применения классического метрологического обеспечения. Все другие схемы