close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Экспериментальные исследования разрушения листовой рессоры транспортных средств..pdf

код для вставкиСкачать
№ 2 (10), 2009
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 629.11.012.858, 681.2.083
И. И. Артемов, В. В. Келасьев, А. А. Генералова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ
ЛИСТОВОЙ РЕССОРЫ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований разрушения листовой рессоры транспортных средств. Предложено оценивать поверхности разрушения методом акустической эмиссии и с использованием
теории фракталов. Произведен сравнительный анализ результатов исследования, полученных при помощи метода акустической эмиссии, и оценочных параметров, используемых в теории фракталов.
Ключевые слова: листовая рессора, поверхность разрушения, акустическая
эмиссия, фрактальный анализ.
Abstract. The article describes experimental research destruction sheet string of
transport. Describes quantities estimation method and fractal theory. Suggested
comparative analysis results of the research method acoustics emission and parameters theory of fractal.
Keywords: sheet string, destruction plane, acoustics emission, fractal analysis.
Листовая рессора является основным конструктивным элементом, определяющим ресурс системы подрессоривания транспортных средств. Работа
листовой рессоры связана со значительными нагрузками (давление более
6000 Н/мм2) и частотами (от 5 до 60 Гц) [1]. Вибронагружение, воздействие
агрессивной внешней среды приводят к накоплению повреждений материала в поверхностных слоях контактирующих деталей, образованию микротрещин, их развитию вглубь и последующему разрушению детали (рис. 1).
Малые циклические относительные перемещения сопряженных поверхностей
деталей могут приводить к развитию фреттинг-процесса. В настоящее время подтверждено, что фреттинг снижает ресурс пакета листовой рессоры
на 28 % [2].
усталостная
трещина
замкового
соединения пакета
листовой рессоры
Рис. 1 Разрушение листа рессоры после проведения
испытаний в замковом соединении
В данной работе проводились экспериментальные исследования изменений, происходящих при изнашивании на поверхностях листов рессоры автомобиля УАЗ-31512, и характеристик физико-механического состояния поверхности.
145
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Причинами разрушения листа рессоры могут быть [3]:
– концентраторы напряжений в виде забоин, глубоких рисок, утонений,
рыхлостей, несплошности материала и др.;
– перегрев листа в процессе термообработки при изготовлении;
– недостаточное сопротивление усталости материала листа.
Разрушение листа в пакете обычно происходит в замке (соединение
нижнего листа по концам с верхним листом) или в районе центрального болта [3, 4]. Как правило, трещины зарождаются по впадинам шероховатостей
(рис. 2).
22
11
11
33
Рис. 2 Схематичное изображение замкового соединения:
1 – лист рессоры; 2 – микротрещины; 3 – область фреттинга
Фрикционные связи и состояние поверхностей взаимодействующих деталей можно характеризовать силой трения. А. С. Ахматов и M. С. Островский [5], исследуя изменение сил трения во времени, выделили четыре периода фреттинг-коррозии при наличии смазки, соответствующие участкам АВ,
ВС, СD, DE трибограммы (рис. 3).
На первом этапе, характеризующемся некоторым уменьшением силы
трения, происходит разрушение микровыступов на участках фактического
контакта поверхностей. К моменту t1 (рис. 3) в месте контакта поверхностей
образуются легко различимые глазом блестящие пятна, а профилограммы
свидетельствуют о сглаживании микропрофиля.
На рис. 4 представлены полученные при помощи атомно-силового микроскопа (АСМ) топологии поверхностей листа рессоры автомобиля УАЗ31512, где хорошо видно изменение структуры поверхности вследствие воздействия нагрузок в месте контакта.
146
№ 2 (10), 2009
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
E
D
Сила трения
A
B
t1
C
t2
t3
Время
Рис. 3 Типовая трибограмма развития фреттинг-коррозии
а) исходная поверхность;
б) поверхность после 30000 км пробега
Рис. 4 Поверхность листовой рессоры, полученная
при помощи АСМ в диапазоне 10×10 мкм
К концу первого этапа (точка В) формируется некоторая эффективная
площадь фактического контакта. На втором этапе развития фреттинга сила
трения существенно не изменяется (участок ВС), профиль поверхности также
не претерпевает заметных изменений [5, 6]. Взаимодействие носит преимущественно упругий характер, т.к. вследствие сглаживания профиля уменьшается внедрение поверхностей. На этом этапе происходит накопление мелкодисперсных продуктов разрушения в зоне контакта, а также накапливаются
скрытые от непосредственного наблюдения изменения физических свойств
поверхностных слоев металла, определяющие их способность сопротивляться
усталости. Если продукты разрушения на данном этапе периодически удалять, то область постоянства сил трения на трибограмме (область II на рис. 3)
неограниченно удаляется так, что получить точку перегиба С не удается даже
при весьма длительных испытаниях. Эксперименты, описанные в работах [5, 6],
147
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
с полной очевидностью указывают на ту роль, которую играют продукты
разрушения при фреттинге.
При фреттинге между контактирующими поверхностями образуется
порошок, представляющий собой окислы металлов. На состав порошка оказывает влияние окружающая среда, относительная влажность воздуха вокруг
контактирующих поверхностей, пары воды, образующие гидратированную
окись, которая в свою очередь воздействует на продукты износа. Также на
продукты окисления оказывают существенное влияние примеси, находящиеся в материале (стали). Причем, кроме взаимодействия примесей с металлами, они имеют возможность контактировать между собой, в результате чего
образуются различные по химическому составу продукты окисления примесей [3, 4].
Методом эмиссионного спектрального анализа установлено, что материал листов рессоры – сталь 50ХГА ГОСТ 14599-79 (углерод – 0,51 %, марганец – 0,87 %, кремний – 0,36 %, хром – 1,11 %, ванадий – 0,09 %), а продукты разрушения представляют собой смесь окислов соединений железа, кремния, хрома, марганца и др. (марганец – 0,77 %, кремний – 0,34 %, хром –
0,93 %, ванадий – 0,13 %, медь – 0,16 %). Именно наличие таких составляющих в смеси окислов позволяет судить о присутствии фреттинг-процесса
в замковом соединении пакета листовой рессоры.
Изношенную поверхность на разных стадиях изнашивания удобно
представить в виде мультифрактала (сложного фрактального образования,
фактически представляющего собой объединение однородных фрактальных
подмножеств). Мультифракталы, в отличие от обычных фракталов, кроме
геометрического подобия, обладают статистическими свойствами [7], поэтому их использование для аппроксимации профиля позволяет максимально
точно приблизиться к геометрии реальной структуры материала. На основе
построения функции мультифрактального спектра становится возможным
выявить такие свойства структуры поверхности, напрямую связанные с дефектностью и поврежденностью материала, как, например, ее шероховатость,
однородность и регулярность.
Испытания проводились в реальных условиях на дорогах с различным
покрытием (асфальтное покрытие, магистраль, пересеченная местность) при
различных погодных условиях.
Для профилографирования применялся профилометр Сейтроник ПШ84С.С. Фрактальную размерность D профилограммы можно определить мерными отрезками путем уменьшения длины мерного отрезка [7], выбираемого
в долях единичной длины. Тогда
ln N
,
0  1 
ln  

D  lim
(1)
где D – фрактальная размерность;  – величина мерного отрезка; N – количество отложенных мерных отрезков [8].
Фрактальную размерность (1) можно определить, построив график зависимости ln N от ln 1/   . Тангенс угла наклона прямой, аппроксимирующей полученные экспериментальные данные, даст значение фрактальной
размерности tg()  D .
148
№ 2 (10), 2009
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
В качестве верхнего предела самоподобия образующего элемента при
нята длина среднего составляющего элемента профилограммы lmin
. За ниж
ний предел lmax
следует брать величину мерного отрезка, начиная с которого
его количество перестает оставаться постоянным. Спектр фрактальных размерностей определяется также путем откладывания мерных отрезков в пределах границ самоподобия.
Спектр обобщенных фрактальных размерностей Dq (размерности Реньи), характеризующих данное распределение точек, определяется с помощью соотношения
q
L 
ln  i 
L
1
i 
lim
,
Dq 
ln 
q  1 0

(2)
где численный множитель (q – 1) модифицирует показатель массы; L –
длина всей профилограммы; Li – доля профилограммы, отсекаемая мерным отрезком.
Практически любую фрактальную размерность для спектра (2) можно
определить, построив график зависимости ln N от ln  . Тангенс угла наклона
прямой, аппроксимирующей экспериментальные данные, поделенный на
(q – 1), и дает нам значение фрактальной размерности.
Чтобы определить предельные значения Dq, можно воспользоваться
предельными соотношениями:
  L q 
  L q 
ln   i  
ln   i  
 L 
 L 
 i
 max
 i
min
D  lim
; D  lim
.
ln 
ln 
0
0


(3)
Предлагается оценивать профилограммы поверхности с использованием четырех параметров, применяемых в теории фракталов:
– D0 является показателем изрезанности профиля;
– D+∞ определяет степень однородности структуры. Под однородностью структуры следует понимать не внешний вид поверхности, а распределение ее точек по профилограмме;
– К отражает степень скрытой периодичности (чем он выше, тем более
регулярной является структура);
– Δ является мерой упорядоченности, чем она выше, тем больше
в структуре поверхности периодических составляющих.
Показатель изрезанности D0 является значением фрактальной размерности структуры и определяется по методике, описанной выше. Показатели
D+∞, К и Δ следует определять из мультифрактального анализа, описанного
в работе [8].
Из рис. 5 следует, что параметр D0 уменьшается с увеличением числа
циклов нагружения листа рессоры, что свидетельствует о сглаживании микропрофиля поверхности, при этом пятно контакта замкового соединения листовой рессоры имеет характерные, легко различимые глазом, блестящие пятна (рис. 1).
149
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
D0
Nc , тыс.
D
а)
Nc , тыс.
б)
Рис. 5 График изменения фрактальной размерности D0
и размерности D+∞ поверхности рессоры от пробега Nc в тыс. км
Параметр D+∞ с увеличением пробега листовой рессоры также уменьшается. Это может свидетельствовать о появлении микротрещин на поверхности листа рессоры в замковом соединении, что подтверждается экспериментальными данными исследований микронеоднородностей структуры листовой рессоры методами акустической эмиссии (АЭ) [9].
По методике, описанной в работах [9, 10], получены зависимости суммарного числа Nc импульсов АЭ для трех исследованных автомобильных рессор с различным пробегом (рис. 6) .
Из рис. 6 видно, что искомая зависимость носит нелинейный характер,
имеющий вид асимметричного контура с явно выраженным максимумом. Положение максимума соответствует граничной области упругих деформаций.
Как видно из рис. 7, графические зависимости суммарного числа
N c  f ( F ) счета импульсов АЭ, полученные в режиме поперечного изгиба,
для всех исследованных образцов носят нелинейный характер. При малых
150
№ 2 (10), 2009
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
нагрузках (в области гуковских деформаций) величина суммарного числа Nc
импульсов АЭ монотонно возрастает по нелинейному закону. С увеличением
механического напряжения (в области упругих деформаций) величина суммарного числа Nc импульсов АЭ резко возрастает и описывается линейной
зависимостью. При дальнейшем увеличении механического напряжения скорость роста суммарного числа N c  f ( F ) счета импульсов АЭ монотонно
увеличивается, и в области пластической деформации график выходит на горизонтальный участок. При дальнейшем увеличении механической нагрузки
Nc, в пределах статистического разброса, почти не изменяется.
Ncимп
, имп
N,
800
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
100
100
200
200
300
300
400
400
500
500
600
600
700
700
800
800
900
900
1000
1000
1100
1100
F, Н
F, Н
Рис. 6 Зависимость скорости счета импульсов АЭ автомобильной рессоры АР-1
от величины приложенной силы F в режиме поперечного изгиба
Из сравнения графических зависимостей следует, что для рессоры без
пробега суммарное число импульсов АЭ на горизонтальном участке почти
в два раза меньше, чем у рессоры с пробегом 30 тыс. км. Кроме того, характер зависимости суммарного числа Nc = f(F) счета импульсов АЭ в области
предельных механических нагрузок для рессор с пробегом 10 тыс. км и
30 тыс. км значительно отличается от аналогичной зависимости рессоры без
пробега. С увеличением механической нагрузки длина горизонтального участка для рессор с 10 тыс. км и 30 тыс. км монотонно убывает и при дальнейшем повышении нагрузки наблюдается резкий рост числа импульсов АЭ. Такое поведение Nc = f(F) объясняется повышенной концентрацией линейных
дефектов (дислокаций), микротрещин, образовавшихся в исследуемых рессорах в результате длительной эксплуатации [9].
Как показано в работах [9, 10], отношение длин развивающихся трещин
l в конструкционных сталях связано с суммарным числом Nс импульсов АЭ,
регистрируемых в процессе упругой деформации, соотношением
151
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
1
N1  2
l1 

 .
l2  N 2 
10000
10000
(4)
N,
Nс, имп
имп
9000
9000
8000
8000
7000
7000
6000
6000
5000
5000
4000
4000
3000
3000
2000
2000
1000
1000
00
100
100
200
200
300
300
400
400
500
500
600
600
700
700
800
800
900
900
1000
1000
1100
1100
1200
1200
F,F,НН
● – РС-1, без пробега; ▲ – РС-2, пробег 10 тыс. км; ■ – РС-3, пробег 30 тыс. км
Рис. 7 Зависимость суммарного числа Nc импульсов АЭ автомобильных
рессор с различным пробегом от величины приложенной силы F
в режиме поперечного изгиба
Таким образом, средняя длина развивающихся микротрещин, возникающих в режиме поперечного изгиба автомобильных рессор с пробегом
30 тыс. км, почти в 1,5 раза больше, чем в автомобильной рессоре без пробега.
На рис. 9 показано, что параметры К и ∆ возрастают при увеличении
пробега листовой рессоры. Это может указывать на появление продуктов износа и сосредоточивание их во впадинах микропрофиля пятна контакта. Также снижение параметра D0 говорит о том, что профиль стал менее изрезанным, т.е. менее хаотичным, что, в свою очередь, влечет за собой возрастание
параметров К и ∆.
Увеличение разброса оценочных параметров теории фракталов от пробега свидетельствует о том, что геометрия исследуемой поверхности изменяется неоднородно.
Заключение
Экспериментальные данные, полученные в процессе исследований пакета листовой рессоры системы подрессорирования автотранспортных
средств, свидетельствуют о появлении и скоплении продуктов изнашивания
во впадинах микропрофиля пятна контакта замкового соединения листовой
рессоры.
152
№ 2 (10), 2009
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
K
Nc , тыс.

а)
Nc , тыс.
б)
Рис. 9 График изменения К и ∆ поверхности рессоры от пробега
С увеличением пробега листовой рессоры происходит возникновение
микротрещины и последующее развитие ее в глубь поверхностного слоя материала, что подтверждается исследованиями, проведенными при помощи
метода АЭ.
Использование теории фракталов позволяет проводить количественную
оценку повреждений микроструктуры поверхности листовой рессоры. Параметр D0 позволяет оценить динамику сглаживания микропрофиля поверхности. Изменение параметра D+∞ свидетельствует о появлении микротрещин на поверхности листа рессоры. По параметрам К и ∆ судят о появлении и накоплении продуктов фреттинга на поверхности листа рессоры
в замковом соединении.
Список литературы
1. К о п е л е в и ч , Э . В. Диагностика подвески автомобилей / Э. В. Копелевич,
М. А. Пурник, С. А. Федоров ; Гос. науч.-исслед. ин-т автомобильного транспорта –
НИИАТ, Ленфилиал. – СПб. : Транспорт, 1973. – 52 с.
153
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
2. К р а в е ц , В. Н . Развитие научных методов проектирования и их реализация
с целью совершенствования эксплуатационных свойств колесных машин : автореф. дис. … доктора техн. наук: 05.02.08 / В. Н. Кравец. – Нижний Новгород,
2004. – 33 с.
3. П а р х и л о в с к и й , И . Г . Автомобильные листовые рессоры / И. Г. Пархиловский. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1978. – 232 с.
4. К е л а с ь е в , В. В. Повышение эффективности использования автотракторной и
сельскохозяйственной техники / В. В. Келасьев // Межвузовский сборник научных
трудов XVI региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и
Приповолжья. 21–22 мая 2005 г. – Пенза, 2005. – С. 47–49.
5. А х м а то в , А . С . Предупреждение фреттинг-коррозии совмещенных подшипниковых опор турбохолодильников / А. С. Ахматов [и др.] // Авиационная промышленность. – 1969. – № 4. – С. 18–22.
6. И в а н о в а , В. С . Усталость металлов при контактном трении / В. С. Иванова,
И. А. Одинг // Изв. АН СССР. – Вып. 3. – 1987. – 214 с.
7. Ф е д е р , Е. Фракталы : пер. с англ. / Е. Федер. – М. : Мир, 1991. – 254 с.
8. А р те м о в , И . И . Технология формирования структурных составляющих инженерии поверхности на основе теории фракталов / И. И. Артемов, А. А. Генералова //
Проблемы исследования и проектирования машин : сборник статей IV Международной научно-технической конференции. – Пенза : Приволжский Дом знаний,
2008. – С. 88–91.
9. Р у д и н, А . В. Исследование микронеоднородностей структуры деталей машин
методом акустической эмиссии / А. В. Рудин, Н. Е. Артемова, В. В. Келасьев //
Проблемы исследования и проектирования машин : сборник статей IV Международной научно-технической конференции. – Пенза : Приволжский Дом знаний,
2008. – С. 68–72.
10. Н е фе д ь е в, Е. Ю . Связь параметров микротрещин с параметрами акустической эмиссии и структурой деформационной стали / Е. Ю. Нефедьев, В. А. Волков, С. В. Кудряшов [и др.] // Дефектоскопия. – 1986. – № 3. – С. 41–45.
Артемов Игорь Иосифович
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой транспортных
машин, Пензенский государственный
университет, заслуженный деятель
науки РФ
Artemov Igor Iosifovich
Doctor of technical sciences, professor,
head of transport machines sub-department,
Penza State University, Honoured
Scientist of the Russian Federation
E-mail: tm@pnzgu.ru
Келасьев Василий Владимирович
ассистент, кафедра транспортных машин,
Пензенский государственный
университет
Kelasyev Vasily Vladimirovich
Assistant, transport machines
sub-department, Penza State University
E-mail: tm@pnzgu.ru
Генералова Александра Александровна
инженер, кафедра транспортных машин,
Пензенский государственный
университет
E-mail: tm@pnzgu.ru
154
Generalova Alexandra Alexandrovna
Engineer, transport machines
sub-department, Penza State University
№ 2 (10), 2009
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 629.11.012.858, 681.2.083
Артемов, И. И.
Экспериментальные исследования разрушения листовой рессоры
транспортных средств / И. И. Артемов, А. А. Генералова, В. В. Келасьев //
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2009. – № 2 (10). – С. 145–155.
155
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
14
Размер файла
789 Кб
Теги
экспериментальной, рессоры, разрушение, pdf, листовой, средств, исследование, транспортной
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа