ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЯХ

Методы оценки циклической прочности элементов конструкций бази­руются на системе расчетных характеристик, определяемых с использова­нием экспериментальных данных о поведении материала в рассматривае­мых условиях нагружения, которое характеризуется в общем случае диа­граммами статического и циклического деформирования со всем комплек­сом стандартных прочностных свойств, кривыми усталости в требуемом диапазоне долговечностей, закономерностями накопления повреждений применительно к действующим режимам и условиям нагружения, кинети­кой циклических свойств материалов с учетом проявления температурно­временных эффектов и др. Указанные выше данные получают при выпол­нении соответствующих экспериментальных исследований, проведение которых должно быть обеспечено соответствующими системами экспери­ментальных средств, дающих возможность выполнить нагружение и нагрев по заданным программам с необходимой точностью воспроизведения и под­держания режима и получить требуемую экспериментальную информацию. Современные испытательные системы представляют собой автоматизиро­ванные комплексы на базе современной механики и вычислительных средств.

Созданием таких средств занимаются ведущие научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации Академии наук СССР, Минпри - бора, министерств и ведомств.

В Институте машиноведения АН СССР разработана система эксперимен­тальных средств для определения характеристик сопротивления деформи­рованию и разрушению конструкционных материалов. Здесь бьши созданы [16] получившие широкое распространение испытательные машины и стен­ды с механическим, электромагнитным и электродинамическим возбужде­нием, применение которых способствовало развитию вероятностных мето­дов расчетов деталей машин на усталость с распространением их на области больших долговечностей и высоких температур.

Новым этапом явилась разработка и изготовление первых испытатель­ных установок для проведения экспериментов в области циклического упругопластического деформирования с регистрацией при этом как времен­ных, так и параметрических диаграмм действующих напряжений и дефор­маций [17]. Последующая модернизация этих установок [18] был а осу­ществлена в направлении оснащения их системами высокотемпературного программного нагрева следящими приводами, устройствами программиро­вания режимов испытаний, вакуумными камерами и средствами проведе­ния металлографических исследований, телевизионными системами наблю­дения, устройствами для измерения поперечных и продольных деформаций и др. Ряд этих разработок приняты за основу при промышленном выпуске серийных испытательных машин типа УМЭ-10Т, УМЭ-10ТП, ИМАШ-10-68, ИМАШ-20-75 (АЛА-TOO) и др.

Современные тенденции развития экспериментальных средств получе­ния характеристик прочности материалов обусловливают применение преимущественно электрогидравлических испытательных установок и

средств автоматизации процессов испытаний, включая обеспечение полу­чения экспериментальной информации при воспроизведении условий нагружения реальных конструкций, имитирующих эксплуатационные или моделирующих их в той или иной степени. В этой связи испытательные установки оснащаются средствами автоматического сбора, обработки и хранения информации, а также управления экспериментом по заданным или поступающим в процессе испытаний параметрам с использованием управляющих мини-ЭВМ [19]. При этом, как правило, данная задача ре­шается в двух направлениях. Первое из них представляет собой частное направление в проблеме автоматизации экспериментов и заключается в при­менении вычислительных средств для регистрации процесса развития разрушения по основным характеризующим его параметрам. Примером разработок в этой области является испытательная установка [20] с авто­матизацией цикла измерений и обработки результатов исследования рас­пространения трещин методом разности электрических потенциалов. Она состоит из четырех основных функциональных частей, включая измеритель­ную систему с гидропульсатором, канал связи с аппаратурой сопряжения в стандарте КАМАК, систему сбора данных и управления измерительными приборами на базе аппаратуры КАМАК и собственно вычислительную систему в виде ЭВМ СМ-4. Программное обеспечение данного автоматизи­рованного комплекса выполнено на базе операционной системы РАФОС и специально разработанных драйверов, скомпанованных из подпрограмм управления блоками КАМАК. Разработанные в этом случае подпрограммы обеспечивают ввод информации об условиях и режиме проведения экспе­римента, анализ поступающих измеренных при испытании данных, адапта­цию условий дискретизации измерений к конкретному испытанию, перевод сигнала, поступающего аналогово с образца, в длину трещины, выдачу визуальной информации о ходе эксперимента, вычисление параметров рас­пространения трещины, построение соответствующих диаграмм в графи­ческой форме и др. Также на основе использования модулей КАМАК и операционной системы РАФОС создана система съема информации при испытаниях на малоцикловую усталость [21], которая при соответствую­щей замене регистрируемых параметров и корректировке математического обеспечения может быть использована и для автоматизации экспериментов по изучению распространения усталостных трещин. Эта система, как и опи­санная выше, функционирует посредством программного обращения к за­действованным в ней модулям в режиме прерываний по ходу работы подпрограммы измерительного канала и предварительного анализа посту­пающих данных.

Разработка важнейшего вопроса об управлении экспериментом по за­данной программе или на основе получаемых опытных данных является основным и более сложным направлением автоматизации эксперимента, и эта задача разрабатывается как правило, с использованием в качестве вычислительной базы мини-ЭВМ СМ-4 с комплектом модулей связи с объектами в стандарте КАМАК.

Один из таких комплексов типа ИВК-9 предназначен для проведения различных механических испытаний конструкционных материалов [22] с автоматизированным сбором и обработкой больших объемов информа - цим, а также осуществлением оперативного управления экспериментом, к видам которого относятся реализация задания постоянных значений регулируемого параметра, координатно-заданного перемещения траверсы и др. Данная разработка, основу которой составляет в большей степени автоматизированный сбор информации, позволяет обеспечить регистрацию до 100 пар данных (нагрузка, деформация) за один цикл нагружения, и ее применение в принципе после решения вопросов соответствующей привяз­ки возможно для различных типов испытательных машин. В наибольшей степени для автоматизации испытаний при малоцикловом нагружении и при исследованиях сопротивления материалов зарождению трещины и установления закономерностей ее развития приспособлены электрогидрав­лические испытательные машины, преобразующие аналоговый сигнал с его формой и параметрами в соответствующий режим изменения силово­го воздействия на испытываемый образец.

Основным, получившим наибольшее распространение в практике раз­работок посредством автоматизации эксперимента, как и отмечалось выше, является путь обеспечения задачи регистрации и сбора данных в сочетании с оперативным управлением экспериментом с помощью ЭВМ через соответствующие блоки связи, практически минуя систему управле­ния собственно машины, используемую лишь при автономном проведе­нии эксперимента. В этом случае система автономного управления электро- гвдравлической установкой дополняется управляющей ЭВМ и рассматри­ваемый испытательный комплекс имеет возможность работать в двух режимах — как автономном, так и в управляемом от ЭВМ.

Управляющая программа, воплощающая через ЭВМ логику экспери­мента, включает в себя во всех этих случаях достаточно широкий круг функциональных задач, решение которых должно осуществляться в реаль­ном масштабе времени. В первую очередь это воспроизведение через цифро - аналоговый преобразователь (ЦАП) на основе требуемого алгоритма условий приложения во времени действующей нагрузки, т. е. требуемой формы цикла, и изменения последней как по типу, так и по характер­ным параметрам. Одновременно необходим прием информации с выбран­ного датчика обратной связи, ее анализ в свете исполнения задающего сигнала, выработка на основе такого анализа сигнала рассогласования и его направление к исполнительному органу. Наряду с циклом формирования задающего сигнала в управляющей программе последняя осуществляет ко­ординацию считывания сигналов с датчиков экспериментальной информа­ции по параметрам нагрузки, деформации, температуры и других, осу­ществляет ее первичную обработку и регулирует в памяти для дальнейше­го использования или хранения с возможностью выдачи по специальным за­просам. Таким образом, реализуется заложенный в данном подходе ши­рокий диапазон возможностей управления нагружением практически по любым законам изменения нагрузки в пределах технических характерис­тик испытательной машины. Программы управления для этого разраба­тываются в конкретных вариантах применительно к определенным усло­виям испытаний.

Универсальные электрогидравлические испытательные машины, управля­емые ЭВМ. Учитывая актуальность автоматизации экспериментальных исследований характеристик малоцикловой прочности и необходимость 132 приближения условий испытаний к эксплуатационным режимам нагруже­ния конструкций, а также используя данные приведенного выше анализа современных тенденций в разработке этих вопросов, в Институте машино­ведения АН СССР на основе серийно выпускаемых промышленностью установки типа УРС и измерительно-вычислительной системы ИВК-2 в составе мини-ЭВМ СМ4 (СМ 1403) и крейтов (КАМАК) разработан [23] автоматизированный испытательный комплекс. Этот комплекс пред­назначен для экспериментального получения характеристик механических свойств материалов при автоматизированном управлении испытанием с программным воспроизведением требуемых (в том числе случайных) режимов нагружения и машинным сбором, обработкой и хранением по­ступающей информации. При разработке данного испытательного ком­плекса в отличие от упоминавшихся выше предложен более простой в своем построении способ автоматизации управления экспериментом на основе программирования с помощью ЭВМ в цифровом коде режима работы функционального генератора установки по основным параметрам его сигнала [19, 23]. В этом случае сигнал требуемой формы, как и в автономном режиме управления экспериментом от пульта установки, вырабатывается непосредственно имеющимся в ней функциональным генератором, а также его параметры, такие как амплитуда, частота и ста­тическая составляющая, задаются и имеют возможность программно из­меняться с помощью ЭВМ. Естественно, в данном случае сужается крут воспроизводимых режимов нагружения, однако имеющиеся в машине системы управления экспериментом и организации обратной связи за­действованы в максимальной степени. Метрологические характеристики управляющего сигнала и процесса управления испытаниями в целом также остаются на уровне, определяемом в первоначальном варианте машины, так как программирование в цифровом коде от ЭВМ параметров управляю­щего сигнала не вносит дополнительных погрешностей при его генерации и отработке нагружающей системой с использованием обратной связи, организуемой блоками сравнения и управления пульта. Обратная связь в процессе испытаний также организуется в этом случае блоком управления пульта. Этот факт обеспечивает возможность задания на нем и реализации в процессе испытаний мягкого (с управлением по заданной нагрузке) или жесткого (с управлением по заданной деформации) режимов испытаний.

При задании управляющей программой ЭВМ исходных параметров сигнала в виде постоянных значений на функциональном генераторе будет реализовываться стационарный режим испытаний с их последовательной отработкой от цикла к циклу. При необходимости воспроизведения более сложных режимов с изменением в процессе испытаний амплитуды, частоты или статической составляющей в блочной или какой-либо иной, в том числе случайной, последовательности это может быть реализовано на основе описания этой последовательности в аналитической форме и введения соответствующих зависимостей в управляющую программу.

Основу нагружающей системы комплекса составляет испытательная машина типа УРС, выпускаемая в различных модификациях (технические характеристики см. ниже):

Электрогидравлическая испытательная установка типа УРС представляет собой [24J типичную для этого класса испытательную машину с воспроиз­ведением силовым гидроцилиндром формы цикла и параметров нагруже­ния, задаваемых соответствующим аналоговым сигналом, который на­правляется на электрогвдравлический преобразователь. Блок-схема такой установки представлена на рис. 1. Собственно установка снабжена измери­тельными системами в виде динамометра с датчиками измерения усилия, деформометра с датчиками измерения деформаций и системой измере­ния перемещения активного захвата. Задающий аналоговый сигнал выра­батывается генератором циклических функций (ГЦФ) или генератором ли­нейных функций (ГЛФ) с возможным программированием по уровням и числам циклов программатором (ПР) и направляется в блок управления (БУ). Сюда же приходит усиленный в блоке измерения (БИ) сигнал с дат­чиков установки. Блок управления в соответствии с заданным режимом нагружения выбирает требуемый сигнал обратной связи, производит его сравнение с задающим сигналом и результирующий сигнал рассогласования направляет в качестве собственного управляющего сигнала в электроги - дравлический преобразователь силового гидроцилиндра, который и осу­ществляет процесс нагружения испытываемого образца. Насосная станция установки осуществляет питание ее гидросистемы по магистралям высоко­го и управляющего давления.

Измерительно-вычислительная система ^ВК-2 представляет собой управляющую мини-ЭВМ типа СМ4 (СМ 1403) в комплекте с блоками связи с объектом типа крейта и модулей КАМАК, в состав которой также входят: процессор СМ2104, четыре блока оперативной памяти СМ3102, два устройства внешней памяти на магнитных дисках СМ5400 и магнитных лентах СМ5300.01, устройство ввода—вывода информации на перфоленте СМ6204, видеотерминала СМ7204 и алфавитно-цифто-печатающего устрой­ства СМ6315.

Блок-схема конфигурации крейта КАМАК для управления испытания­ми по рассматриваемому принципу, а также сбора экспериментальной ин­формации с подводимыми к нему коммуникациями показана на рис. 2. Вы­ходные модули типа ”350” крейта КАМАК имеют возможность подавать на внешний управляемый орган 24-разрядную кодовую информацию стан - дар шыми ТТЛ уровнями. Приемником этой информации в данном случае является входной разъем ГЦФ установки, который дублирует задатчики параметров сигнала при автономной работе и предназначен для подключе­ния программатора блочного нагружения. Кодирование цифровой ин­формации для задания на ГЦФ параметров управляющего сигнала осу­ществлено в двоично-десятичной системе, когда одна десятичная цифра любого из задатчиков кодируется 4-битовой комбинацией логических ”1” и ”0”, причем логической ”1” соответствует низкий уровень сигнала 134

ТТЛ (до 0,8 В), а логическому ”0” - высокий уровень (5,5 В). Из усло­вий независимости подачи управляющей программой ЭВМ командных сигналов в блоки КАМАК по приведенным выше параметрам управляю­щего сигнала ГЦФ было принято, что первый выходной регистр одного из модулей ”350” будет обслуживать параметр амплитуды, а второй — пара­метр статической составляющей. Другой модуль ”350” выделен для об­служивания вторым выходным регистром параметра частоты сигнала и

первым регистром — задания множителя частоты и подачи сигнала запуска генератора.

Наряду с функцией управления нагружающей системой испытательной установки в задаче автоматизации механических испытаний вычислитель­ной машине отводится еще и роль приемника экспериментальной информа­ции, а также ее первичной обработки и фиксации в памяти для последую­щей выдачи в требуемой форме. С этой целью предлагается использовать нормализованные блоком измерения установки сигналы с датчиков уси­лия, деформации и перемещения. Прием этих сигналов может быть осу­ществлен через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) крейта КАМАК типа модуля ”712”. Данный преобразователь имеет один инфор­мационный вход, поэтому для четырех или более информационных сигна­лов, подающихся с испытательной машины, необходим коммутирующий преобразователь с возможностью подключения по командам управляющей программы требуемого канала к аналогово-цифровому преобразователю. Роль такого коммутатора в крейте КАМАК может выполнять релейный мультиплексор типа модуля ”750”. Таким образом, создается цепочка съема информации и передачи управляющего сигнала от ЭВМ на блок управления установки, которая по командам управляющей программы может функционировать как в автономном режиме, так и в их взаимо­связи при необходимости корректировки сигнала управления в зависи­мости от получаемых результатов эксперимента.

Наряду с описанным выше приемом экспериментальной информации в ЭВМ через АЦП возможен принципиально иной способ осуществления этого процесса, заключающийся в использовании входных регистров моду­лей КАМАК типа ”305”. Использование этого способа возможно в случае предварительного преобразования информационных сигналов от каждого датчика в соответствующий цифровой код, передаваемый в ввде стандарт­ных сигналов ТТЛ уровней. Этот путь передачи информации может в значительной степени повысить точность регистрации экспериментальных данных, а также увеличить быстродействие при переходе от одного ин­формационного канала к другому, каждый из которых при этом должен быть подведен к отдельному регистру.

Программное обеспечение функционирования комплекса разработано в виде мини-операционной системы управления экспериментом на базе модифицированного (для управления модулями КАМАК) диалогового интерпретатора высокого уровня ДС СМ и соответствующих сервисных программ.

Использование разработанного автоматизированного комплекса в про­цессе экспериментальных исследований механических свойств материалов позволяет:

программно воспроизводить реальные эксплуатационные условия на­гружения с текущим контролем и возможностью изменения режима экспе­римента;

осуществлять по соответствующей программе считывание, регистрацию и обработку экспериментальной информации с датчиков испытательной ма­шины, а также программную обработку полученных в экспериментах дан­ных, их анализ и представление в табличном, графическом или аналити­ческом виде;

сформировать банк получаемых опытных данных о характеристиках механических свойств по исследуемым материалам;

на базе дополнительно разрабатываемых пользователем программ и получаемой экспериментальной информации осуществлять на ЭВМ оценку уровней повреждаемости конструкций для расчетов их прочности и ресурса.

Значение разработки автоматизированного испытательного комплекса для народного хозяйства определяется возможностью качественно нового подхода к воспроизведению эксплуатационной нагруженности образцов материалов и элементов машин при разработке методов повышения их надежности с одновременным снижением матералоемкости. Кроме того, использование автоматизированного испытательного комплекса при про­ведении экспериментов позволяет: за счет повышения производительности сократить число стандартного испытательного оборудования; уменьшить число обслуживающего испытательное оборудование персонала при эквива­лентном объеме испытаний; высвободить занятых на обработке экспе­риментальной информации инженерно-технических работников.

Разработанный автоматизированный испытательный комплекс возможно использовать в НИИ, КБ и заводских лабораториях различных отраслей народного хозяйства, связанных с проектированием и эксплуатацией высо - конагруженных конструкций, разработкой методов их расчетов на проч­ность.

Электромагнитная резонансная установка для испытаний образцов на усталость при регулярном или программном нагружении ЭД-100М. Пред­назначена для испытаний на многоцикловую усталость образцов с рабочим сечением 7,5 мм (ГОСТ 25.502-79) или образцов иной формы сечения из металлов или неметаллических материалов. Используется для получения характеристик сопротивления усталости и циклической трещиностойкости материалов. Испытания проводятся при консольном изгибе образца в одной плоскости с резонансным возбуждением нагрузки в двух режимах: регулярного нагружения с коэффициентом асимметрии цикла от —1 до 1 и программного блочного нагружения с количеством ступеней от 1 до 6 (рис. 3).

S/7C,

Рис. 4. Нагружение по случайному закону распределения амплитуд

Рис. б. Датчик для исследования роста трещин в образцах с отверстием Рис. 7. Датчик для исследования роста трещин в плоских образцах

Техническая характеристика Максимальная амплитуда и средний уровень цикла нагружения достигают, МПа 1000

Частота нагружения, Гц 20—400

Потребляемая мощность, Вт 400

Преимущества электромагнитной резонансной установки следующие: проведение испытаний в две стадии — до момента образования трещины (минимальная регистрируемая трещина — 1% площади сечения образца) и дальнейший контроль за изменением частоты собственных колебаний образца роста трещины до условного разрушения (образование трещины площадью - 80% сечения образца);

проведение испытаний с учетом реального нагружения и условий экспуа - тации;

создание целой гаммы модификаций на базе установки ЭД-100М по модульному принципу, в том числе в комплексе с микроЭВМ для задакик случайных процессов нагружения и автоматизации испытаний (рис. 4, 5);

низкая материалоемкость и трудоемкость изготовления образцов, малое энергопотребление установки; сокращение сроков испытаний.

Прибор для регистрации развития трещин в материалах при механи­ческих испытаниях КРТ-2М, Применяется для определения характеристик трещиностойкости при механических испытаниях и предназначен для реги­страции перемещения усталостной или медленно развивающейся стати­ческой трещины, имеющей выход на поверхность испытуемого образца или натурной детали. Прибор периодически определяет состояние фольго­вых датчиков (рис. 6, 7), наклеиваемых в местах прохождения трещины, и фиксирует при обрыве нити номера датчика и нити, количество циклов на­гружения на табло прибора и цифропечатающем устройстве МПУ-16-3.

ю

Ю 1

Техническая характеристика

Сопротивление одной нити датчика, Ом 10 (±4%)

Потребляемая мощность, Вт 60

Прибор КРТ-2М позволяет: повысить надежность, достоверность и на­глядность результатов; сократить время подготовки образцов или деталей к испытаниям; использовать микроЭВМ для автоматизированной обработ­ки результатов во время проведения испытаний (рис. 8).