Введение к работе
Актуальность темы. Восстановление изношенных деталей является важным резервом повышения эффективности технического обслуживания сельскохозяйственной техники, машин и оборудования перерабатывающих отраслей АПК. При восстановлении изношенных деталей используется широкий спектр технологий, которые в большинстве своем не только обеспечивают требуемые размерные параметры, но и позволяют получить повышенные с точки зрения твердости, прочности, износостойкости свойства поверхностного слоя. Однако практика эксплуатации восстановленной техники показывает, что ее реальный ресурс зачастую оказывается существенно ниже ожидаемого. Причинами этого являются неудовлетворительное качество восстановления деталей, неоднородность структуры и механических свойств поверхностного слоя, появление неблагоприятных технологических остаточных напряжений.
Напряженное состояние поверхностного слоя является важным фактором, определяющим надежность восстановленной детали. В условиях эксплуатации подавляющее большинство деталей работает при знакопеременных нагрузках - в условиях усталостного нагруже-ния, и растягивающие остаточные напряжения оказывают существенное негативное влияние на ресурс восстановленных деталей, вызывают снижение их усталостной прочности на 35...50%. Поэтому решение важной народнохозяйственной задачи технологического обеспечения качества и надежности восстановленных деталей связано с регламентированием комплекса показателей физико-механического характера, из которых наиболее актуальны в настоящее время остаточные напряжения. Их величины должны определяться с учетом конструктивных особенностей деталей, неоднородности механических свойств материалов, характера воздействия в процессе восстановления, режимов технологического процесса восстановления и иных факторов. Регулирование остаточных напряжений с созданием благоприятного их распределения в поверхностном слое является значительным резервом обеспечения требуемой надежности восстановленных деталей.
В настоящее время диагностирование остаточных напряжений при совершенствовании технологий восстановления может быть выполнено в основном косвенным путем с использованием накопленных данных о закономерностях их формирования, распределения,
влияния и возможностях их регулирования. Практика восстановления деталей показывает, что этот фактор обычно не учитывается при совершенствовании технологий. Главная причина этого - отсутствие пригодных методов и технических средств диагностирования.
Следовательно, одной из наиболее актуальных проблем обеспечения качества и надежности восстановленных деталей является диагностирование остаточных напряжений. В первую очередь это связано с разработкой методов и технических средств измерения, позволяющих оперативно получать требуемый объем информации. Решению этой проблемы посвящена настоящая диссертационная работа, в которой разработан метод диагностирования поверхностных остаточных напряжений в металлических покрытиях, нанесенных при восстановлении деталей.
Цель работы. Обеспечение требуемого уровня надежности восстановленных деталей путем совершенствования технологий восстановления на основе диагностирования остаточных напряжений в деталях сельскохозяйственной техники и оборудования перерабатывающих отраслей АПК.
Центральная гипотеза: возможно оперативное неразрушающее диагностирование остаточных напряжений в восстановленных деталях на основе совместного использования упругопластического контактного взаимодействия индентора с поверхностью детали и когерентно-оптического способа регистрации деформированного состояния поверхности.
Научная гипотеза: существует количественно-качественная взаимосвязь параметров деформированного состояния поверхности вокруг отпечатка, возникающего в результате упругопластического вдавливания индентора в поверхность восстановленной детали, с остаточными напряжениями, условиями нагружения и геометрическими и механическими характеристиками индентора и поверхностного слоя детали.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- на основе анализа и синтеза НИР, производственного опыта процессов диагностирования сформулировать научную проблему обеспечения требуемого уровня надежности восстановленных деталей на основе диагностирования остаточных напряжений и выявить перспективные методы их измерения;
установить закономерности влияния остаточных напряжений на деформированное состояние поверхности восстановленной детали вокруг отпечатка при упругопластическом вдавливании сферического индентора с учетом силовых и механических факторов и на базе этих закономерностей разработать принципиальные основы диагностирования остаточных напряжений в восстановленных деталях;
разработать способы и технологии оптической и цифровой регистрации данных при диагностировании остаточных напряжений в восстановленных деталях с использованием методов голографиче-ской интерферометрии и электронной спекл-интерферометрии, а также обработки данных с использованием персонального компьютера с целью получения значения диагностического параметра;
на основе использования упругопластического вдавливания шарового индентора, оптической регистрации деформированного состояния поверхности в окрестности отпечатка и определения допустимых условий и режимов их применения разработать метод и технические средства диагностирования остаточных напряжений в деталях;
изучить закономерности распределения остаточных напряжений в деталях, восстановленных с использованием различных технологий, и разработать рекомендации по регулированию остаточных напряжений с целью повышения надежности восстановленных деталей;
провести апробацию методов и технических средств на восстановленных деталях и дать технико-экономическую оценку эффективности совершенствования технологий восстановления с учетом данных об остаточных напряжениях.
Объект исследования: деформированное состояние поверхности диагностируемой детали в локальной области, возникающее в результате упругопластического вдавливания индентора в поверхность и формирующееся под влиянием остаточных напряжений.
Предмет исследования: зависимости параметров локального формоизменения поверхности детали от поверхностных остаточных напряжений при упругопластическом вдавливании индентора.
Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:
- теоретически доказана возможность диагностирования по
верхностных остаточных напряжений в восстановленных деталях и
разработан новый метод, основанный на использовании упругопла
стического контактного взаимодействия индентора с поверхностью
детали, новизна которого защищена авторским свидетельством (А.с. № 1717941);
впервые установлено, что диагностическим признаком напряженного состояния поверхности детали при упругопластическом вдавливании индентора является распределение нормальных деформационных перемещений вокруг отпечатка (в наплыве). Показано, что остаточные напряжения вызывают изменение распределения нормальных перемещений в наплыве в сравнении с его профилем для ненапряженного материала;
впервые установлены закономерности и разработана математическая модель формирования наплыва вокруг отпечатка при вдавливании в поверхность детали шарового индентора с учетом влияния комплекса факторов: степени силового воздействия, механических свойств основного материала детали, механических свойств материала и геометрических параметров поверхностного слоя, геометрических характеристик индентора, поверхностных остаточных напряжений. На основании модели получены расчетные зависимости для определения компонент тензора поверхностных остаточных напряжений по данным о нормальных перемещениях в наплыве;
выявлены возможности, преимущества и разработаны варианты применения когерентно-оптических методов в качестве способа регистрации при диагностировании остаточных напряжений в деталях, восстановленных нанесением металлических покрытий. Разработаны способы и оптические системы регистрации и обработки интерференционных картин при диагностировании остаточных напряжений, новизна которых защищена авторскими свидетельствами (А. с. № 1276046, 1342179);
доказано, что распределение нормальных деформационных перемещений поверхности детали в наплыве вокруг отпечатка несет в себе информацию о направлении главных осей, величинах и знаках компонент тензора главных остаточных напряжений. Предложены новые способы выделения полезной информации, обеспечивающие диагностирование остаточных напряжений с допустимой погрешностью (А.с. № 1543259, 1640538);
впервые предложен подход к обоснованию нормативных значений структурного параметра (остаточных напряжений), при которых обеспечивается требуемый уровень надежности восстановленных деталей по характеристикам усталостной прочности;
- получены новые данные о закономерностях распределения по
верхностных остаточных напряжений в деталях, восстановленных
электродуговой наплавкой, электроконтактной приваркой присадоч
ных материалов и электроискровым наращиванием. Показано, что
опасными являются краевые области восстановленного участка по
верхности, где остаточные напряжения в 1,15...1,30 раза выше их
уровня в центральной области. Подтверждено, что одним из эффек
тивных способов регулирования остаточных напряжений является
применение поверхностного пластического деформирования, приво
дящее к повышению предела выносливости восстановленных деталей
на 10...40%.
Практическая ценность полученных результатов работы состоит:
в обеспечении возможности экспресс-диагностирования поверхностных остаточных напряжений в восстановленных деталях с целью совершенствования технологий и выбора рациональных режимов восстановления;
в разработке метода диагностирования остаточных напряжений, который характеризуется высокой чувствительностью, точностью и информативностью измерений, простотой регистрации и обработки информации, по степени воздействия квалифицируется как условно неразрушающий;
разработке технических средств диагностирования остаточных напряжений на основе когерентно-оптических методов, предназначенных для применения в лабораторных условиях;
разработке методического обеспечения диагностирования поверхностных остаточных напряжений в восстановленных деталях;
практическом применении результатов диагностирования поверхностных остаточных напряжений для выбора рациональных технологических режимов восстановления деталей и регулирования остаточных напряжений, обеспечивающих снижение уровня растягивающих остаточных напряжений и повышение надежности деталей.
Научные и практические результаты диссертационной работы (методология, модели, технические, технологические и иные решения) использованы в опытно-конструкторских и технологических разработках:
- ООО «Композит» (г. Нижний Тагил) при совершенствовании
технологии восстановления плунжеров гидропрессов электродуговой
наплавкой;
Башкирским государственным аграрным университетом при совершенствовании технологий восстановления широкой номенклатуры деталей сельскохозяйственной техники и перерабатывающих предприятий АПК электроконтактной приваркой присадочных материалов;
Институтом механики и энергетики Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева при совершенствовании технологий восстановления автотракторных деталей электроискровым наращиванием;
в/ч 20346 (г. Мурманск) для оценки нагруженности и остаточных напряжений в крупногабаритных конструкциях.
Метод и технические средства измерения остаточных напряжений применяются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах кафедры «Сопротивление материалов» ЧГАУ.
На защиту выносятся:
математическая модель формирования наплыва вокруг отпечатка при вдавливании в поверхность детали шарового индентора с учетом влияния комплекса факторов;
метод диагностирования поверхностных остаточных напряжений в деталях, восстановленных нанесением металлических покрытий;
способы и технологии оптической и цифровой регистрации данных при диагностировании поверхностных остаточных напряжений в восстановленных деталях;
допустимые условия и режимы применения метода и технических средств диагностирования;
- закономерности распределения поверхностных остаточных
напряжений в деталях, восстановленных с использованием различ
ных технологий, и рекомендации по регулированию остаточных на
пряжений с целью обеспечения требуемого уровня надежности вос
становленных деталей;
- результаты апробации метода и технических средств диагно
стирования и технико-экономическая оценка эффективности совер
шенствования технологий восстановления с учетом данных об оста
точных напряжениях.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались:
- на международных конференциях: научно-методологическом
семинаре по гидродинамике судов (г. Варна, Болгария, 1988), «Свар-
9 ные конструкции» (г. Киев, 1990), научно-технической конференции стран СНГ «Производство и надежность сварных конструкций» (г. Калининград, 1993); научных конференциях 1-й и 3-й Международной специализированной выставки «Машиностроение. Прогрессивные технологии» (г. Челябинск, 1997, 1999); «Новоселовские чтения» (г. Уфа, 2004), «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2005), «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, 2006, 2007, 2008), «Агротехинновации в АПК» (г. Москва, 2006), «Ресурсосберегающие технологии технического сервиса» (г. Уфа, 2007), «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (г. Москва, 2007);
на всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах: «Применение лазеров в науке и технике» (г. Иркутск, 1988); «Автоматизация в сварочном производстве» (г. Ижевск, 1989); «Прочность и диагностика сварных конструкций» (г. Москва, 1991); «Актуальные проблемы преподавания в современных технических университетах» (г. Уфа, 1997); «Проблемы промышленной безопасности в системе нефтегазового комплекса и трубопроводного транспорта» (г. Уфа, 2005);
на региональных конференциях и семинарах: «Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях» (г. Челябинск, 1988); «Применение лазеров в народном хозяйстве» (г. Челябинск, 1989); конференциях сварщиков Урала (г. Екатеринбург, 1999, г. Челябинск, 2000, г. Курган, 2002), «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (г. Челябинск, 2004), «Наука - Образование - Производство» (г. Нижний Тагил, 2004), ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск, 1996-2004) и Челябинского государственного агроинженер-ного университета (2006-2008).
Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на заседании Научно-технического совета при Межрегиональном комитете по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (протокол № 4 от 18 апреля 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 76 научных работ, в том числе 4 монографии, описания изо-
10 бретений к 5 авторским свидетельствам, 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников из 332 наименований, приложений; изложена на 324 страницах, содержит 119 рисунков, 26 таблиц.
