Детали машин, подверженные неравномерным нагрузкам, имеют склонность к более быстрому износу. Однако теперь нет необходимости собирать данные о работе оборудования на протяжении многих лет. Исследователи определили минимальный объем информации, необходимый для прогнозирования рабочего ресурса.
Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения имени Благонравова РАН разработали метод, который позволяет определить оптимальную продолжительность регистрации переменных нагрузок для оценки долговечности деталей машин. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Plasticity.
Инженерам известна проблема: чтобы определить срок службы детали, необходимо замерять реальные эксплуатационные нагрузки. Однако слишком короткая запись может привести к ошибкам, а слишком длинная требует излишних затрат времени и ресурсов. Исследователи показали, как установить момент, после которого дальнейшее накопление данных практически не влияет на расчетный ресурс детали.
Основу работы составляет анализ случайных процессов нагружения с применением метода, называемого подсчетом циклов «дождевого потока» (rainflow counting), а также моделей накопления усталостных повреждений. Ученые сформулировали математические условия, позволяющие определить достаточную продолжительность процесса — то есть такой интервал наблюдений, после которого увеличение объема данных уже не приводит к значительным изменениям расчетной долговечности.
В ходе экспериментов авторы исследовали, как образцы стали марки 20, широко используемой в машиностроении, реагируют на неравномерные многократные нагрузки, создав численную модель перехода материала от режима деформирования к стабильному состоянию. Они использовали стальные стержни, напоминающие обычные карандаши, и образцы в форме гантели. В гантелях нагрузки концентрировались в самом узком месте.
Эксперименты проводились с образцами, подвергнутыми циклическому прессованию с переменной интенсивностью воздействия. В процессе первых сотен циклов материал испытывал необратимые изменения. Однако затем (после 800 – 5000 циклов, в зависимости от параметров нагрузки и формы детали) сталь теряла свою пластическую деформацию и переставала реагировать на давление.
Проще говоря, в процессе неравномерного нагружения наступает момент, когда металл, даже подвергаясь деформации, быстро возвращается в исходное состояние, как пружина. Преодолев порог стабилизации, деталь больше не подвержена пластическому износу. Ее эксплуатация становится предсказуемой, а дальнейший износ обусловлен только процессами накопления усталости, которые происходят значительно медленнее по сравнению с первоначальной деформацией нагружения.
Для карьеров, поездов и другой техники с неравномерной нагрузкой
Метод особенно актуален для машин, работающих в условиях резко изменяющихся нагрузок. В исследовании рассмотрены практические примеры, связанные с горнодобывающей и грузоподъемной техникой, а также элементами подвижного состава железнодорожного транспорта. Для таких объектов характерны значительные колебания нагрузок, из-за чего традиционные методы оценки ресурса могут требовать слишком длительных испытаний.
Результаты подтвердили, что предложенный подход позволяет обоснованно выбирать длительность измерений без потери точности прогноза. По мнению авторов, разработка будет способствовать более эффективному планированию ресурсных испытаний и ускорит принятие инженерных решений при проектировании и эксплуатации техники.
Вместо того чтобы закладывать избыточный запас прочности, что приводит к увеличению веса конструкции и ненужным затратам металла, с помощью новой модели специалисты смогут заранее оценить реальный срок службы детали и своевременно ее заменить. Это позволит снизить количество аварий и неожиданных поломок техники, сэкономить материалы и, в конечном итоге, сохранить здоровье и жизнь людей, работающих на транспорте или рядом с промышленным оборудованием. В дальнейшем мы планируем развить модель так, чтобы она учитывала взаимное влияние пластичности и роста трещин на протяжении всего срока службы детали, а также расширить диапазон нагрузок — от малоцикловой до многоцикловой усталости. Наша цель — создать универсальный и простой инструмент для инженеров.
Фото: hi-tech.mail.ru