Испытание металлов на вибрацию

Уфимский государственный  нефтяной технический университет

Кафедра «Технологические машины и оборудование»

 

 

 

 

 

 

 

рЕФЕРАТ

на тему: «Испытание металлов на вибрацию»

по дисциплине «Физическая  природа разрушения

и повреждения элементов  оборудования»

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент гр.БМЗ-09-01 ___________Е. В. Ерыкалин

Профессор ________М. М. Закирничная

 

 

 

 

Уфа

2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Вынужденные колебания        4

2 Задачи испытания на вибрацию 8

3 Способ определения предела выносливости материала 6

3.1 Общая характеристика способа 6

3.2 Реализация способа                 7                  17

Заключение 11

Список использованных источников  12

 

Введение

 

Развитие техники в  последние десятилетия характеризуется  резким увеличением мощности и скорости движения технологических, энергетических, транспортных машин и военной  техники. Это сопровождается повышением вибрационной нагруженности конструкций из-за возникновения турбулентных течений, флуктуаций давления давления в камерах сгорания двигателей и сил взаимодействия с контактирующей внешней средой. Указанные факторы порождают детерминированные и случайные пульсационные и вибрационные процессы, воздействующие на детали машин и механизмов, элементы автоматики, панели приборов.

В ряде случаев колебания  чрезвычайно опасны. Вследствие непредвиденных колебаний возникают погрешности  в работе машин и механизмов, увеличивается  износ и заметно понижается их надежность, возможны разрушения и  аварии.

 В других случаях  колебания могут оказаться весьма  полезными. Целые области современной  техники (радиотехника, акустика, вибрационная  технология) построены на основе  использования различных колебательных  процессов.

 Уметь рассчитать колебания  различных объектов машиностроения, приборостроения, транспортной и  строительной техники, правильно  оценить их воздействие на  изучаемые системы, экспериментально  исследовать параметры колебаний  и должным образом толковать  результаты наблюдений — необходимые  качества современного квалифицированного инженера.

 

1 Вынужденные колебания 

 

Колебания, происходящие под  действием внешней периодической  силы, называются вынужденными колебаниями. Внешняя периодическая сила, называемая вынуждающей, сообщает колебательной  системе дополнительную энергию, которая  идет на восполнение энергетических потерь, происходящих из-за трения. Если вынуждающая сила изменяется во времени  по закону синуса или косинуса, то вынужденные  колебания будут гармоническими и незатухающими.

 В отличие от свободных  колебаний, когда система получает  энергию лишь один раз (при  выведении системы из состояния  равновесия), в случае вынужденных  колебаний система поглощает  эту энергию от источника внешней  периодической силы непрерывно. Эта энергия восполняет потери, расходуемые на преодоление трения, и потому полная энергия колебательной  системы по-прежнему остается неизменной.

Частота вынужденных колебаний  равна частоте вынуждающей силы. В случае, когда частота вынуждающей  силы υ совпадает с собственной  частотой колебательной системы  υ₀, происходит резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний — резонанс [1].

Резонанс – относительно большой селективный (избирательный) отклик колебательной системы на периодическое воздействие с  частотой близкой к частоте её собственных колебаний. При резонансе  происходит резкое возрастание амплитуды  вынужденных колебаний колебательной  системы.Резонанс как механическое явление впервые был описан итальянским ученым Г. Галилеем, а в электромагнитных системах – на примере колебательного контура – английским ученым Дж. Максвеллом в 1868 г. Резонанс может наступить не только при совпадении частоты внешнего воздействия с частотой собственных колебаний колебательной системы, но и при кратном или дробном соотношении частот [2].

 

2 Задачи испытания на вибрацию

 

При испытаниях на вибрацию стоят две основные проблемы:

• получение достоверных усталостных характеристик материала при нагрузках, близких к эксплуатационным, исследование вибро-нагруженности конструкции и прогнозирование на их основе долговечности объекта испытаний в условиях эксплуатации. Особенно важно качественное проведение испытаний при выборе материала для конструкции;
• оценка надёжности и вибропрочности объекта испытаний за заданное время при заданных нагрузках. При этом по завершении испытаний нет достоверных сведений об оставшемся ресурсе объекта, а доводить конструкцию до разрушения, многие из которых уникальны, чрезвычайно дорого [3].

В технике используются два  вида испытаний с использованием знакопеременного нагружения - усталостные и вибрационные испытания. Усталостным испытаниям (до разрушения) с целью получения кривой усталости подвергают в основном образцы материалов, типовые элементы конструкций (небольшие трубопроводы, лопатки турбин, кронштейны и т.п.), при необходимости - узлы машин (с контролем отдельных элементов). Усталостные испытания очень трудоемки, длительны и требуют высокой квалификации персонала. Для многих изделий проводят экспериментальные исследования вибропрочности, как важнейшей части испытаний и контроля качества продукции, а также для снижения материалоёмкости конструкции. Усталостную характеристику материалов  получают по ГОСТ 25.502-79  [4] на стандартных образцах при растяжении-сжатии на гармонических нагрузках с частотой до нескольких Гц. Хотя уже давно известно, что полигармонические и случайные процессы с высокочастотными составляющими разрушают объекты быстрее гармонического (при равных напряжениях) и, следовательно, усталостная характеристика материала для них должна быть другая [5, 6].

3 Способ определения предела выносливости материала

 

3.1 Общая характеристика способа

 

Данный способ заключается  в том, что образец материала циклически нагружают при ступенчатом увеличении уровня нагрузки, начиная от уровня меньше предела выносливости, и определяют характеристику рассеяния энергии на каждой ступени нагружения, а о пределе выносливости судят по точке излома зависимости характеристики рассеяния энергии от уровня нагрузки, причем нагружение на каждой ступени осуществляют на резонансной частоте, определяют на каждой ступени относительную величину рассеяния энергии, отнесенную к общей энергии установившегося колебательного движения на данной ступени, а в качестве характеристики рассеяния энергии определяют отношение относительной энергии соответствующей ступени к относительной энергии первой ступени, причем после определения предела выносливости проводят, по меньшей мере, один раз стадию упрочнения за счет того, что нагрузку, соответствующую точке излома зависимости характеристики рассеяния энергии от уровня нагрузки, снижают на 10-15% и осуществляют на этом уровне нагрузки циклы нагружения до тех пор, пока собственная частота колебаний образца увеличивается, а после ее стабилизации снимают нагружение, выдерживают испытуемый образец без нагрузки в течение 8-24 ч и повторяют циклы нагружения при том же уровне нагрузки в течение периода времени повторного увеличения собственной частоты колебаний образца, затем повторно определяют предел выносливости материала, начиная с нагрузки, на которой производили упрочнение [7].

 Сущность способа поясняется рисунками, где на рисунке 1 показано изменение средней амплитуды нагружения испытуемого образца в резонансном режиме, а на рисунке 2 - зависимость отношения величины относительного рассеяния энергии на каждой ступени нагружения к ее величине на первой ступени.

 

Рисунок 1 – Изменение средней амплитуды нагружения испытуемого образца в резонансном режиме

Рисунок 2 – Зависимость отношения величины относительного рассеяния энергии на каждой ступени нагружения к ее величине на первой ступени

 Устройствами для реализации  способа являются как автоколебательные  устройства, так и обычные резонансные.  Устройство снабжается счетчиком  циклов, средствами измерения частоты  и амплитуды колебаний, силы  тока, напряжения и длительности электрического импульса [8].

 

 3.2 Реализация способа

 

 Образец закрепляют  в захватах испытательной установки  и циклически нагружают на  резонансной частоте, измеряют  частоту и амплитуду колебаний  образца, напряжение, электрический  ток и длительность электрического  импульса, определяют величину относительного  рассеяния энергии Ψ_i на каждой ступени нагружения по зависимости:

 

                                                                                                 (1)

 

где     i - порядковый номер ступени нагружения,

         U_i - подводимое напряжение на i-й ступени,

          J_i - электрический ток,

         T_i - длительность электрического импульса,

          a_i - амплитуда колебаний испытуемого образца,

          ω_i - резонансная круговая частота колебаний образца,

          k - постоянная величина, характерная для колебательной системы.

 Нагрузку на испытуемый  образец увеличивают ступенчато, регистрируют параметры колебательного  процесса и строят график зависимости Δ_i от амплитуды колебаний образца, аппроксимируемый прямой линией. С увеличением амплитуды нагружения количество ступеней увеличивают для более точного определения точки перегиба зависимости (отклонения от прямой линии). Точка перегиба характеризует величину циклического предела пропорциональности, который равен напряжению при соответствующей амплитуде нагружения и близок к пределу выносливости материала. Далее, амплитуду, соответствующую пределу выносливости материала, уменьшают на 10-15% и продолжают нагружать образец. Согласно теории дислокаций при этих напряжениях наиболее активно происходит образование новых плоскостей скольжения и несовершенств между зернами и в кристаллических решетках зерна, что приводит к увеличению сопротивления при сдвиге материала и, следовательно, к увеличению прочности. Причем, напряжения, которые возникают при этом, не приводят к образованию и росту усталостных трещин, а повышают предел выносливости, происходит циклическая тренировка материала. По литературным источникам таким образом можно увеличить предел выносливости материала до 5-7%. В лаборатории надежности ОмГТУ циклической тренировке подвергались стали 20Х3ВМФ и 40Х - предел выносливости увеличивался, примерно, на 5%. Контролировать степень упрочнения материала можно по изменению собственной частоты колебаний образца, при упрочнении частота увеличивается. На упрочнение также влияет время отдыха материала после тренировки. В лаборатории надежности без нагрузки образцы выдерживались в течение 8-24 ч, затем повторно подвергались циклическому нагружению, собственная частота в некоторых случаях снова начинала увеличиваться, то есть упрочнение материала продолжалось, число циклов тренинг-отдых может быть неограниченным и определяется из условия повышения предела выносливости материала. Нагрузка для циклической тренировки определяется из следующих соотношений, 5% - точность определения циклического предела пропорциональности, описанным выше способом, 10% - возможный размах отклонения амплитуды резонансных колебаний образца от средней линии.

 Таким образом, данный способ позволяет проводить упрочнение материала, а также проводить неразрушающий контроль деталей, например, турбинных и компрессорных лопаток, которые выборочно подвергаются проверочным усталостным испытаниям до разрушения. Это позволит экономить лопатки, а те лопатки, которые не имеют требуемый предел выносливости материала, могут быть упрочнены, то есть, происходит восстановление надежности и качества лопаток вместо отходов в брак [9].

 

Заключение

 

В настоящее время колебания  приобретают особое значение в связи  с бурным ростом мощностей машин, скоростей движения их агрегатов  и механизмов, уменьшением относительной  массы, увеличением их долговечности  и надежности, обеспечением устойчивости и управляемости систем. Значительную роль в технике играют механические колебания, многие виды которых часто  называют вибрациями [10].

Вибрация достаточно негативно  влияет на материал, уменьшая его ресурс, что в свою очередь приводит как правило к незапланированным остановкам и авариям. Именно поэтому необходимо проводить испытания металлов с приложением вибрации, тем самым приближая условия испытания к реальным условиям, и давать более точную оценку сроку службы материала.

 

 

Список используемых источников

 

1 Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.-589 с.

2 Панкратьев С.А. Автореферат «Оценка ресурса прочности трубопроводных систем, подверженных вынужденным колебаниям на резонансной частоте», 2009.

3 Вибрация в технике: Справочник в 6 томах / Под ред. В.Н. Челомея (пред.). М.: Машиностроение, 1981. - Т.5. Измерения и испытания. Под ред. М.Д. Генкина. - 1981. - 496 с.

4 ГОСТ 25.502-79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 32 с.

5 Гладкий В.Ф. Прочность, вибрация и надежность конструкции летательного аппарата. М.: Наука, 1975. - 454 с.

6 Случайные колебания. Под ред. С. Кренделла. М.: Мир, 1967. - 356 с.

7 Авторское свидетельство 2207538, кл. G 01 N 3/32, 2001.

8 Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 288 с.

9 ГОСТ 1497-84 "Металлы. Методы испытания на растяжение". М.: Издательство стандартов. 1986. 26 с.

10 Овчинников И.Н. Виброиспытания, диагностика и прогнозирование усталостного разрушения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. -150 с.