Оценка релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе метода акустической эмиссии

Оценка релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе метода акустической эмиссии

 

Г.А. Данилин1, Д.В. Метляков2, С.Ю. Конев2, Л.Г. Черный2, А.В. Титов1, Е.Ю. Ремшев1*

1Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Россия, 197372

2ОАО «НПП “Пружинный центр”», Санкт-Петербург, Россия, 197342

 

Изложены основы методики оценки качества и прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин по интенсивности сигналов акустической эмиссии. Методика разработана на основании многочисленных экспериментальных исследований упругих элементов из титанового сплава ВТ23 и рессорно-пружинной стали 60С2А. Показана эффективность использования метода акустической эмиссии для контроля качества упругих элементов в технологическом потоке.

Ключевые слова: тарельчатая пружина, акустическая эмиссия, титановый сплав ВТ23, рессорно-пружинная сталь 60С2А, прогнозирование, релаксация

 

1. Введение

В машиностроении широко используются тарельчатые пружины – упругие элементы, изготовленные холодной штамповкой и работающие при статической, динамической и циклической нагрузке [1, 2]. К упругим элементам предъявляется требование сохранения заданных эксплуатационных свойств, особенно прочности и релаксационной стойкости (обеспечения заявленной нагрузки сжатия), в течение длительного времени (до 25 лет). Согласно ГОСТ 3057 отклонение деформационно-силовых характеристик пружин группы точности № 1 в процессе нагружения не должно превышать 5%.

Для контроля параметров качества пружин применяют различные методы. На предприятиях-изготовителях в соответствии с ГОСТ используется методика оценки релаксационной стойкости пружин, основанная на длительных циклических испытаниях выборки из партии изделий. Такая методика является трудоемкой, не позволяет оценить релаксационные свойства и качество каждой пружины. В связи с этим актуальным является разработка альтернативных методик оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин. Интерес для развития этого направления представляет метод акустической эмиссии (АЭ) [3–9].

 

2. Методика качественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин

Многочисленные исследования упругих элементов из титанового сплава ВТ23 и рессорно-пружинной стали 60С2А, выполненные сотрудниками кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» БГТУ «Военмех» и НПП «Пружинный центр» позволили разработать методику прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе уровня сигналов АЭ. Методика предполагает проведение двух испытаний пружин нагружением до максимальной деформации s3 с регистрацией сигналов АЭ: 1) кратковременного троекратного обжатия для определения наличия внутренних дефектов и 2) выдержки при постоянной нагрузке (заневоливание) в течение 72 ч для оценки релаксационной стойкости (рис. 1 и 2).

 

 Нагрузку создают с помощью испытательной машины ИМЧ-30, сигналы АЭ регистрируют системой Локтон-2004. Для оценки и прогнозирования релаксационной стойкости пружин выбрана суммарная акустическая эмиссия N – число зарегистрированных сигналов, превысивших установленный уровень дискриминации (ограничения) за исследуемый интервал времени. По завершении каждого этапа испытаний строят зависимости суммарной акустической эмиссии от времени.

В процессе испытаний установлено, что для пружин, не имеющих внутренних дефектов, характерны общие закономерности изменения числа и интенсивности сигналов АЭ. Во-первых, в случае кратковременных испытаний уменьшается общее количество сигналов АЭ при каждом последующем обжатии:

             (1)

Во-вторых, общее количество импульсов суммарной АЭ при втором и третьем обжатиях меньше, чем на первым, более чем в 1,5 раза. При этом количество сигналов суммарной АЭ на втором и третьем обжатиях не должно превышать уровня К, значение которого зависит от материала и устанавливается экспериментально. Например, К = 1000 импульсов для сплава ВТ23. Таким образом, второе условие можно записать в виде

              (2)

Пружины, для которых условия (1) или (2) не выполняются, относятся к зоне риска, вследствие наличия предрасположенности к развитию внутренних дефектов или нестабильного состояния структуры материала.

Качественная оценка релаксационной стойкости тарельчатых пружин в случае их длительной выдержки при постоянной нагрузке основана на закономерности, заключающейся в отсутствии значительных выбросов сигналов АЭ у пружин, не имеющих предрасположенности к развитию внутренних дефектов. В случае превышения общего количества импульсов АЭ при выдержке пружины в течение 72 ч установленного порогового значения делается вывод о том, что пружина имеет высокий риск утраты требуемой релаксационной стойкости в течение 20-25 лет эксплуатации. Выполнение же условия свидетельствует о том, что тарельчатая пружина успешно прошла испытание. Такую оценку предусматривается осуществлять на технологической операции гибка (заневоливание).

Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин, разработанная на основе полученных закономерностей, успешно используется в НПП «Пружинный центр» (г. Санкт-Петербург).

3. Методика количественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин

Необходимость построения модели вызвана повышением требований к узлам конструкций ответственного назначения, в том числе и к тарельчатым пружинам. В некоторых узлах и механизмах недопустимо использовать пружину, релаксационная стойкость которой меньше гарантированной (25-30 лет). В связи с этим построены математические модели, позволяющие количественно оценить релаксационную стойкость пружин в течение длительного периода эксплуатации. Для построения моделей использована методика планируемого многофакторного эксперимента. (Теория планирования эксперимента предполагает использование моделей пригодных для любых экспериментов, т.е. для любых откликов и факторов.) Основой математической модели эксперимента является отрезок ряда Тейлора вида:

 

где y – функция отклика; bi, bij – коэффициенты регрессии; xi, xj – независимые переменные (факторы).

Откликом, или функцией, характеризующей релаксационные свойства пружины, является величина релаксации силы сжатия (R), измеряемой при величине деформации s = 0,2s3:

где Рн – значение силы сжатия, измеряемой при величине деформации s = 0,2s3 после операции заневоливания (заключительная операция технологического процесса изготовления тарельчатых пружин); Рк – значение силы сжатия, измеряемой при величине деформации s = 0,2s3 после 9000 циклов нагружения с усилием 100–160 кН.

Для построения математической модели использованы основные факторы:  – общее количество импульсов АЭ при выдержке пружины под нагрузкой в течение 72 ч; предел прочности sв материала тарельчатой пружины; Т – время эксплуатации пружины, эквивалентом которого является число циклов С до разрушения при циклическом нагружении в интервале нагрузок 100–160 кН.

В работе построено несколько математических моделей. В том числе однофакторная модель зависимости релаксации силы от количества импульсов на этапе заневоливания:

двухфакторные модели зависимости релаксации силы от количества импульсов на этапе заневоливания и длительности эксплуатации:

для рессорно-пружинной стали 60С2А:

для сплава ВТ23:

и трехфакторная модель зависимости релаксации силы от количества импульсов на этапе заневоливания, времени эксплуатации (количества циклов в интервале требуемых нагрузок) и временного сопротивление материала тарельчатой пружины: Полученные математические модели позволяют количественно оценить релаксационную стойкость тарельчатых пружин.

 

4. Выводы

1.       Новая методика качественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин встраиваются в технологический процесс их изготовления.

2.       Принципиальное отличие новой методики от существующей заключается в том, что контролируется каждая пружина изготавливаемой партии.

3.       Методика дает качественную оценку уровня релаксации пружин на весь период их эксплуатации,

4.       Разработанная методика менее энергозатратна по сравнению с существующей, основанной на циклических испытаниях.

5.       Методика количественной оценки позволяет установить числовое значение релаксации тарельчатых пружин на основе зарегистрированного числа импульсов акустической эмиссии на операции заневоливание. При этом числовое значение (прогноз) релаксации может быть установлен на любой период времени эксплуатации пружины – вплоть до 30 лет.

6.       Подана заявка на получение патента на изобретение (рег. № 2011132601 от 03.08.2011).

 

Исследования выполнены в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы».

 

Список литературы

1. Лясников А.В., Агеев Н.П., Кузнецов Д.П. и др. Сопротивление материалов пластическому деформированию в приложениях к процессам обработки металлов давлением. СПб.: Внешторгиздат, 1995. 527 с.

2. Белогур В.П., Трещевский А.Н., Конев С.Ю. Опыт применения титановых пружин при повышенных температурах // Бизнес-Гид. 2007. №1. С. 3-4.

3. Никулин С.А., Ханжин В.Г. Мониторинг материалов, процессов и технологий методом акустической эмиссии // МиТОМ. 1999. № 4. С. 40-48.

4. Ханжин В.Г., Штремель М.А. Количественная информация о процессах разрушения, получаемая при измерениях акустической эмиссии // МиТОМ. 2009. № 5. С. 53-59.

5. Семашко Н.А., Рощупкин В.В., Чернов А.И. и др. Оценка структурной эволюции металлических материалов в процессе деформации и разрушения по комплексным параметрам акустической эмиссии // Деформация и разрушение материалов. 2006. № 10. С. 36-40.

6. Кудря А.В., Марков Е.А. Классификация источников акустической эмиссии в тонкой пластине по различиям структуры сигналов // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 6. С. 32-38.

7. Куксенко В.С., Нагинаев К.Е., Савельев В.Н., Рустамова М.З. Акустико-эмиссионный метод регистрации трещинообразования в реальных конструкциях // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 45-48.

8. Титов А.В., Ремшев Е.Ю., Павлов Н.А. Перспективы применения метода акустической эмиссии в процессах обработки металлов давлением / Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением: Матер. Межд. науч.-техн. конф. С.-Петербург, 13–16 окт. 2009 г.): СПб.: БГТУ, 2009. 172с.

9. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Куликов Е.Н. Использование тензометрии и метода акустической эмиссии в ресурсных испытаниях вертолета МИ-8 // Полет. 2008. № 1. С. 4-5.


 

Подписи к рисункам статьи Данилина Г.А. и др.

 

Рис. 1. Тарельчатая пружина; s3максимальная деформация

 

Рис. 2. Схема установки для оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин (а), испытательная машина ИМЧ-30 (б), тарельчатая пружина (в) и прибор Локтон-2004 (г):

1 – система регистрации акустической эмиссии; 2 – персональный компьютер; 3 – пьезодатчик; 4 – шток с основанием; 5 – прижимная труба; 6 – прижимная плита; 7 – тарельчатая пружина


 

*Ремшев Евгений Юрьевич, аспирант; e-mail: remshev@mail.ru.

 
Учредитель "Ассоциации производителей пружин"
Яндекс.Метрика
Google+