Введение к работе
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-80х годах прошлого столетия нескольких сотен гидропульсаторных машин типа ГРМ, 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 актуальностью сертификации промышленной продукции по 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.
Задачи исследования. 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.
Объект исследования - гидропульсаторные и электрогидравлические машины для испытания стандартных образцов материалов на усталостную прочность.
Предмет исследования – точность измерения силы в испытательных машинах для усталостных испытаний в динамическом режиме нагружения, методы и средства метрологического контроля данной испытательной техники в динамическом режиме нагружения.
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, 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.П. Бессонов, К.С Колесников, К.В. Фролов и др.
- известных ученых в области динамики конкретной группы испытательных машин для механических испытаний материалов и конструкций: С.В.Серенсен, Н.А.Махутов, Г.С.Писаренко, В.Е.Кузьменко, Б.Е.Гарф, Ю.Е.Тябликов, В.Т. Трощенко, Ю.Г. Коротких, С.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 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:
- 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 испытательных машин в динамическом режиме, в инфраструктурах Федерального ядерного центра РФ (г. Саров) и НИИ механики 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.
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 нормативно-технических 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)
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.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач настоящего исследования, сборе и обработке экспериментальных данных, формулировке основных положений научной новизны и практической значимости, внедрении полученных результатов.
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 (г.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.).
Публикации.
По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 15 работ (6 статей, 8 в сборниках трудов, 1 в сборнике тезисов докладов конференций), 4 из которых в рецензируемых изданиях, 1 положительное решение на изобретение РФ, подана заявка на изобретение РФ. Общее количество опубликованных материалов составляет 74 страницы.
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.
