Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения имени Благонравова РАН предложили подход, который помогает определить оптимальную продолжительность регистрации переменных нагрузок при оценке долговечности деталей машин. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Plasticity.
Проблема хорошо известна инженерам: чтобы понять, сколько прослужит деталь, необходимо измерять реальные эксплуатационные нагрузки. Однако слишком короткая запись может привести к ошибкам, а чрезмерно длинная требует лишних затрат времени и ресурсов. Исследователи показали, как определить момент, после которого дальнейшее накопление данных практически не влияет на расчетный ресурс детали.
В основе работы лежит анализ случайных процессов нагружения с использованием метода так называемого подсчета циклов «дождевого потока» (rainflow counting) и моделей накопления усталостных повреждений. Ученые сформулировали математические условия, позволяющие установить достаточную длительность процесса — то есть такой интервал наблюдений, после которого увеличение объема данных уже не приводит к заметному изменению расчетной долговечности.
В ходе экспериментов авторы выяснили, как образцы стали марки 20, широко используемой в машиностроении, реагируют на неравномерные неоднократные нагрузки, создав численную модель перехода материала от режима деформирования к стабильному состоянию. Они взяли стальные стержни, похожие на обычные карандаши, и образцы в форме гантели. В гантелях нагрузки сосредотачивались в самом узком месте.
Образцы были подвергнуты циклическому прессованию с постоянным изменением интенсивности частоты воздействия. В ходе первых сотен циклов материал необратимо менялся. Однако затем (через 800 – 5000 циклов, в зависимости от параметров нагрузки и формы детали) сталь теряла способность к пластической деформации и переставала реагировать на пресс.
Говоря простым словами, в процессе неравномерного нагружения рано или поздно возникает момент, когда металл, даже деформируясь, быстро возвращается в исходное состояние подобно пружине. Преодолев порог стабилизации, деталь более не изнашивается пластически. Ее эксплуатация становится предсказуемой, а дальнейший износ обусловлен только процессами накопления усталости, которые идут значительно медленнее по сравнению с первичной деформацией нагружения.
Для карьеров, поездов и другой техники с неравномерной нагрузкой
Метод особенно полезен для машин, работающих в условиях резко меняющихся нагрузок. В исследовании рассмотрены практические примеры, связанные с горнодобывающей и грузоподъемной техникой и элементами подвижного состава железнодорожного транспорта. Для таких объектов характерны значительные колебания нагрузок, из-за которых традиционные подходы к оценке ресурса могут требовать слишком длительных испытаний.
Результаты подтвердили, что предложенный подход позволяет обоснованно выбирать длительность измерений без потери точности прогноза. По мнению авторов, разработка поможет эффективнее планировать ресурсные испытания и ускорит принятие инженерных решений при проектировании и эксплуатации техники.
Вместо того, чтобы закладывать избыточный запас прочности, который приводит к утяжелению конструкции и трате лишнего металла, с помощью новой модели специалисты смогут заранее рассчитать реальный срок работы детали и вовремя ее заменить. Это означает меньше аварий и внезапных поломок техники, экономию материалов и, в конечном счете, сохранение здоровья и жизни людей, которые работают на транспорте или рядом с промышленным оборудованием. В дальнейшем мы планируем развить модель так, чтобы она учитывала взаимное влияние пластичности и роста трещин на всем сроке службы детали, а также расширить диапазон нагрузок — от малоцикловой до многоцикловой усталости. Наша цель — создать универсальный и простой инструмент для инженеров.
Нина Селютина
Недавно мы рассказали про «умный» мониторинг работы фрезерных станков.
Источник: hi-tech.mail.ru