Динамика испытательных машин

На правах рукописи
Кравченко Сергей Алексеевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В НАГРУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ НА
СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ
ЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Специальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО
"Кубанский государственный технологический университет"
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Бледнова Жесфина Михайловна
доктор технических наук, профессор
Пичков Сергей Николаевич
кандидат технических наук, доцент
Вешуткин Владимир Дмитриевич
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт механики
ГОУ ВПО Нижегородского государственного университета имени
Н.И..Лобачевского (НИИМ ГОУВПО ННГУ им.Н.И. Лобачевского), г. Нижний
Новгород.
Защита диссертации состоится «29» апреля 2009 г. в 13 ч. в ауд.1258 на
заседании диссертационного совета Д.212.165.08 при Нижегородском
государственном техническом университете по адресу: 603950, ГСП−41,
г..Нижний Новгород, ул. Минина, 24. Факс: (831)4-36-94-75.
С диссертацией можно ознакомиться в
государственного технического университета.
Автореферат разослан «
» марта 2009 г.
библиотеке Нижегородского
Ваш отзыв на автореферат с подписями, заверенными печатью, просим
направлять на имя Учёного секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук
Е.М. Грамузов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 «Мет-
3
рологическое 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
4
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 цен-
5
тра 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 кон-
6
структорском 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 Научноисследовательском 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, выв одов, 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.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показано состояние проблемы, сформулированы основные
направления, цели, задачи исследования и обоснована актуальность научнопрактической реализации задач нормативно-методического и технического (приборного) метрологического обеспечения функционирования испытательных систем в динамическом режиме.
В первой главе рассматриваются основные недостатки метрологического
контроля машин для испытания на усталость. Показано, что, если соосность приложения нагрузки может контролироваться технологически, то значение динамической составляющей погрешности без специальных средств может быть определено только расчетным путем.
Описываются объекты исследования, основные типы измерительных
устройств, применяемых при проведении испытаний, их нормированные метрологические характеристики, методы и средства их метрологической аттестации. Показана актуальность решения задач метрологического обеспечения механических
испытаний на усталость, заключающаяся в необходимости повышения точности
измерения силы при усталостных испытаниях. Неточность определения механических характеристик приводит к значительным экономическим потерям в случае
отбраковки пригодного материала и катастрофическим последствиям при разрушении конструкции, изготовленной из не отвечающего требованиям материала.
Низкая сходимость серии испытаний на многоцикловую усталость, являющаяся
следствием больших значений погрешности силоизмерения, приводит к непризнанию результатов дорогостоящих испытаний.
Во второй главе анализируются существующие в мировой практике методы
калибровки канала силы в динамическом режиме нагружения разработанные в 7080-х годах прошлого века, отмечаются их основные недостатки, которыми являются отсутствие универсальности, несовершенство используемых средств калибровки и методов расчета динамической составляющей погрешности, несоответствие заявленного в них технического уровня метрологических средств современным нормам. Приводятся свидетельства того, что данные методики не используются на протяжении нескольких десятков лет.
Разработана математическая модель динамических процессов в нагружающих устройствах машин типа УРС, ГРМ, МИУ для получения значений динамической составляющей погрешности аналитическим способом. Уравнения, колебаний нагружающего устройства испытательных машин, получено из эквивалентных механических схем замещения, показанных на рисунке 1а для машин УРС,
МИУ и рисунке 1б для ГРМ.
На рисунке 1 а приняты следующие обозначения: C1 - жесткость траверсы и
масляной подушки, С2 – жесткость колонны, C3 – жесткость образца, C4 – жесткость траверсы и датчика, m1 – масса поршня и нижнего захвата, m2 – масса тра-
8
версы, m3 – масса верхнего захвата, R1 – неупругое сопротивление в цилиндре,
ξ1, ξ2, ξ3 – смещения масс m1, m2, m3.
m2
ξ2
m2
C4
ξ2
R1
C4
ξ1
m1
m3
ξ3
C3
C2
C3
C3
C2
m1
ξ3
m3
ξ1
C2
C2
C5
ξ4
m4
R1
C1
R2
R2
C1
а
б
Рисунок 1 - Эквивалентные механические схемы замещения для машин УРС,
МИУ (а) и для машины ГРМ (б)
На рисунке 1 б приняты следующие обозначения: C1 - жесткость траверсы,
С2 – жесткость колонны, C3 – жесткость винта, C4 – жесткость траверсы, цилиндра и масляной подушки, C5 – жесткость образца; m1 – масса поршня и моторной
траверсы, m2 – масса траверсы цилиндра, m3 – масса подвижной траверсы и
верхнего захвата, m4 – масса нижнего захвата; R1 – неупругое сопротивление в
цилиндре, R2 – неупругие сопротивления в направляющих; ξ1, ξ2, ξ3 ξ4 – смещения масс m1, m2, m3, m4.
В предложенной модели определены резонансные частоты системы. Установлено, что в нагружающие устройства всех рассматриваемых машин работают
в до резонансной области частот. Системы дифференциальных уравнений описывающих вынужденные колебания систем машин показаны ниже. Система уравнений (1) для машин УРС и МИУ и система уравнений (2) для ГРМ.
 m22  2C 2 2  C 3  2   3 
 
m3 3  C 4  3   2   C 3  3  1 

m11  C 3 1   3   F t 

(1)
9

m   C      2C      R     F (t )
1 1
4
2
1
3 1
3
1 2
1





m2 2  C4  2  1   R1  2  1  2C2 2


m33  C5  3   4   2C3 1   3   2 R23


m44  C5  3   4   C1 4




(2)
В результате решения систем уравнений (1) и (2) получены следующие выражения для определения значения относительной динамической составляющей
погрешности:
Для машин УРС и МИУ:
C4






C3
 1  C4  m3  2  

 2C2  C4 m2 2   1
  C3 C3


 

C3
C3
C4 

,
Fд    1 
1
C3
1
2C2  C4 m2 2


C3
C3
для машины ГРМ:

(3)
 

 C52 C4  2C3  iR1  m1 2
C  C5  m4 2
 1

2C3 iR1  C4 
2C3 iR1  C4 
C4
F    1 
C5
m4 2  C1  C5  1




 C4  iR1  m1 2 2C3  C5  2iR2  m3 2  4C32 
m4 2  C1  C5  1

C  C
1
5

(4)

 m 2 2C3  C5  2iR2  m3 2  C52
2C3
2
m4  C1  C5  1
В работе рассмотрены конкретные машины данного типа: УРС-20 с предельной нагрузкой 200 кН и частотой нагружения до 50 Гц, ГРМ с предельной нагрузкой 500 кН и частотой до 12 Гц и МИУ-500К с предельной нагрузкой 500 кН и частотой нагружения до 50 Гц. Машины УРС-20 и ГРМ были выбраны в связи с их
широким применением (это самый массовый выпуск в истории испытательной
техники). Машина МИУ-500К была выбрана как самая высокочастотная сервогидравлическая испытательная машина, выпущенная в России из числа машин с
современной кинематикой нагружающего устройства.
Приведены значения относительной динамической погрешности для этих
машин, рассчитанные с использованием предложенных математических моделей.
Сравнение их значений приведены на рисунке 2.
10
Относительная динамическая
погрешность, %
УРС-20
МИУ-500
ГРМ
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
4,00
14,00
24,00
34,00
44,00
Частота, Гц
Рисунок 2 –Зависимость относительной динамической погрешности от частоты нагружения для машин УРС-20, МИУ-500 и ГРМ
Приведены, разработанные автором, методики калибровки испытательной
техники в динамическом режиме нагружения и определения относительной динамической погрешности пикового и амплитудного значения нагрузки.
Определение пикового значения относительной динамической погрешности
(первая методика) дает возможность оценить значение динамической составляющей погрешности в точке экстремума функции, что само по себе важно при проведении калибровки испытательного оборудования и его аттестации как средства
измерения. Однако, для самого эксперимента, более целесообразно определение
погрешности измерения амплитудного значения нагрузки σа. Это связано с тем,
что именно этот параметр контролируется в процессе испытания. В результате
испытания на усталостную прочность при любом значении коэффициента асимметрии цикла строят кривую усталости в координатах σа – N (Вёллера), при
несимметричном цикле обычно строят диаграмму предельных амплитуд σа – σm
(диаграмму Хейя). Во всех этих случаях в расчетах применяется именно амплитудное значение напряжения σа, и только в редких случаях, при несимметричном
цикле строят диаграмму предельных напряжений цикла в координатах σmax, σmin σа (диаграмму Смита). Для этого можно использовать вторую методику. Такая методика является универсальной для любого случая нагружения, как симметричного, так и несимметричного. Методика калибровки по пиковому значению согласована с ГЦИ СИ «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» г.С-Петербург и включена в комплект технической документации серийно выпускаемых машин типа МИУ в качестве методики калибровки канала силы в динамическом режиме.
Описывается средство калибровки – динамометр переменных сил, используемое в соответствии с методикой калибровки как компаратор. За прототип этого
динамометра принят динамометр образцовый электрический типа ДОРЭ. Для
обеспечения возможности зажатия образца в гидравлических захватах различных
конструкций и исключения проскальзывания в захватах динамометр имеет глад-
11
кие цилиндрические концы с головками. Напряжения в местах наклейки тензорезисторов рассчитаны с учетом сохранения динамометром своих метрологических
с свойств при динамическом нагружении.
Рисунок 3 - Динамометр переменных сил с пределом нагрузки 200 кН
В третьей главе описываются эксперименты по калибровке машин типа
УРС-20, ГРМ и МИУ в динамическом режиме нагружения по разработанной методике и с использованием разработанного динамометра переменных сил.
Статистическая обработка полученных результатов показала, что имеет место нормальный закон распределения вероятностей всей совокупности результатов, который был подтвержден по статистическому критерию Пирсона. Относительная ошибка измерений, по каждой из полученных выборок данных, не превышала значений приборной погрешности. Была получена высокая воспроизводимость результатов измерений. Результаты калибровки и сравнение значений
относительной динамической погрешности полученных при помощи математической модели и экспериментально показаны на рисунках 4, 5, 6. Из рисунков видно, что значения относительной погрешности силоизмерения, полученные расчетным путем, занижены по сравнению с экспериментальными.
Относительная динамическая
погрешность,%
расчетные значения
экспериментальные значения
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
Частота, Гц
Рисунок 4 - Зависимость расчетных и экспериментальных значений относительной динамической погрешности от частоты нагрузки для машины типа УРС-20
12
относительная динамическая
погрешность, %
расчетные значения
14
экспериментальные значения
12
10
8
6
4
2
0
3
5
7
9
11
Частота, Гц
Рисунок 5 - Зависимость расчетных и экспериментальных значений относительной динамической погрешности от частоты нагрузки для машины типа ГРМ
расчетные значения
экспериментальные значения
Относительная динамическая
погрешность, %
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Частота, Гц
Рисунок 6 - Зависимость расчетных и экспериментальных значений относительной динамической погрешности от частоты нагрузки для машины типа МИУ500
Особенно велика разница между расчетными и экспериментальными значениями для машин УРС и ГРМ. Это является следствием упрощений, допущенных
при расчете. В частности допущение о том, что все детали оказывающие влияние
на значение динамической погрешности закреплены друг с другом жестко. Однако, предварительное напряжение всех элементов нагружающего устройства при
нагрузке превышающей рабочую стало применяться в конце 70-х годов. В машинах УРС и ГРМ предварительное напряжение не реализовано, что в свою очередь
означает меньшую жесткость нагружающего устройства по сравнению с расчетными. В связи с этим, перемещение инертной массы значительно больше расчетной, а значение динамической погрешности имеет прямую зависимость от перемещения инертной массы.
Оценить расчетным способом снижение жесткости в соединительных элементах нагружающего устройства не представляется возможным. В «НИКЦИМ
13
Точмашприбор» проводился эксперимент с целью определения влияния предварительного напряжения соединительных частей нагружающего устройства с превышением номинальной нагрузки на жесткость нагружающего устройства. В результате эксперимента было показано, что при отсутствии предварительного
напряжения с нагрузкой 4-х соединительных частей нагружающего устройства,
его жесткость падает в 10-12 раз. В испытательных машинах типа УРС и ГРМ таких соединительных частей более 10, чем и объясняется результат эксперимента.
Результат проведенной калибровки свидетельствует о недопустимо высоком
значении динамической составляющей погрешности на некоторых частотах у
машин УРС и ГРМ. Полученные значения не отвечают требованиям как отечественных, так и зарубежных стандартов и другим нормативным документам. Машина типа МИУ отвечает требованиям технической документации.
В четвертой главе приводятся рекомендации по внесению изменений в
стандарты на испытательную технику заключающиеся в изменении пределов допустимых значений ряда погрешностей в сторону уменьшения, исключении ограничений по конструктивным особенностям машин. Все приведенные рекомендации направлены в Технический комитет 311 «Машины и приборы для определения механических свойств материалов» Федерального агентства по техническому
регулированию и метрологии и включены в «Перспективную программу развития
национальных стандартов в научно-технической и производственной сферах на
2008-2012 годы».
Даны рекомендации по изменению конструкции силовой рамы машины с целью снижения значения динамической составляющей погрешности. Они включают обоснованное с точки зрения металлоемкости повышение жесткости нагружающего устройства, уменьшение количества соединительных элементов в силовой
цепи, предварительное натяжение всех соединительных элементов с нагрузкой,
превышающей испытательную до 20%, снижение инерционной массы, выбор места расположения датчика силы с точки зрения действия на него наименьшей
инерционной массы, внесение поправочного коэффициента в результат измерения.
Описана разработанная система измерения с автоматическим определением
силы инерции и учета поправочного коэффициента. Сущность состоит в том, что
на пассивном захвате установлен акселерометр, который через блок измерения
ускорения подключен к системе измерения силы, приложенной к испытываемому
образцу. Измерение силы, приложенной к образцу, производится при помощи
сигналов, полученных от электротензометрического датчика силы и от акселерометра. Обработка сигналов при помощи ЭВМ позволяет внести поправку в значение силы, приложенной к образцу, на значение силы инерции, возникающей от
инерционного движения массы, находящейся между датчиком силы и образцом и
вносящей погрешность в измерение приложенной к образцу силы, в соответствии
с выражением (7).
F  Fизм  Fин ,
(7)
14
Fин  m  a ,
(8)
где F – приложенная к образцу сила с учетом силы инерции;
Fизм – измеренное датчиком значение силы приложенной к образцу;
Fин – сила инерции;
m – масса колеблющихся элементов находящихся между датчиком силы и
испытываемым образцом (пассивный захват)
а – ускорение колеблющихся элементов находящихся между датчиком силы
и испытываемым образцом (пассивный захват) измеренное акселерометром.
Учет влияния силы инерции на датчик силы производится на каждом цикле
испытания в автоматическом режиме Суммарная погрешность силоизмерения
уменьшается за счет исключения динамической составляющей погрешности.
Рисунок 7 - Машина испытательная для механических испытаний материалов на
усталость с системой автоматического учета силы инерции
В состав этой машины входят нагружающее устройство, содержащее основание 1, колонны 2, траверсу 3, силовой привод нагружения 4, захваты 5 и 6 (активный и пассивный), электротензометрический датчик силы 7, датчик перемещения
активного захвата 8, датчик деформации (тензометр) 9, акселерометр 10, блок измерения силы 11, блок измерения ускорения пассивного захвата 12, блок измерения деформации образца 13, блок измерения перемещения активного захвата 14,
ЭВМ 15, блок управления 16 и линии связей ЭВМ с блоками измерения и управления 17-26.
15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Итоги проведения теоретических и экспериментальных исследований и предложенные технические решения, можно сформулировать в виде следующих общих выводов:
1.Выполнен анализ и классификация методов калибровки техники для циклических испытаний в динамическом режиме нагружения. Выявлены недостатки
существующей методики и средства калибровки.
2. Разработаны математические модели машин для испытания на усталостную прочность типа УРС, МИУ, ГРМ, на основе которых получена аналитическая
зависимость динамической составляющей погрешности измерения амплитуды силы в динамическом режиме нагружения. Модель позволяет выявлять зависимости
значения динамической составляющей погрешности силоизмерения от изменения
конструктивных особенностей испытательной машины.
3. Разработана методика калибровки силоизмерительных систем машин для
циклических испытаний в динамическом режиме нагружения. Методика согласована с ГЦИ СИ «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г.С-Петербург) и включена в
комплект технической документации серийно выпускаемых машин типа МИУ в
качестве методики калибровки канала силы в динамическом режиме. Получен патент на изобретение №2336507 «Способ калибровки в циклическом режиме
нагружения машин для испытаний на усталость».
4. Экспериментально определены значения относительной динамической погрешности измерения амплитуды силы для машин типа УРС, ГРМ и МИУ. Исследована зависимость динамической составляющей погрешности от частоты нагружения и амплитуды нагрузки.
5. В результате эксперимента выявлены значения относительной динамической погрешности машин типа УРС-20 и ГРМ, не отвечающие требованиям отечественных и зарубежных нормативных документов на испытательную технику и
методы испытаний. Данные машины нуждаются в модернизации их системы измерения.
6. Разработаны предложения по улучшению конструкции машин для испытания на усталость. Они заключаются в обоснованном, с точки зрения металлоемкости, повышении жесткости нагружающего устройства, уменьшении количества
соединительных элементов в силовой цепи, предварительном напряжение всех
соединительных элементов с нагрузкой, превышающей испытательную до 20%,
снижении инерционной массы, выборе места расположения датчика силы с действием на него наименьшей инерционной массы, внесение поправочного коэффициента в результат измерения. Данные рекомендации приняты к внедрению в
«Научно-исследовательском и конструкторском центре испытательных машин
Точмашприбор», г. Армавир.
7. Разработана конструкция и изготовлен динамометр переменных сил для
проведения калибровки техники для усталостных испытаний в динамическом режиме нагружения.
16
8. Разработана система измерения с автоматическим учетом силы инерции,
которая позволяет вносить поправочный коэффициент в результат измерения в
ходе проведения испытания, что снижает значение динамической составляющей
погрешности.
Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных работах, в
том числе 4 изданиях рекомендованных ВАК (выделены курсивом):
1.
Бледнова, Ж.М. Современный опыт калибровки в динамическом режиме силоизмерительных систем машин типа УРС и ГРМ для усталостных испытаний материалов. / Ж.М.Бледнова, С.А. Кравченко // Заводская лаборатория.
Диагностика материалов. – 2009. №1. С. 61-65.
2.
Кравченко, С.А. Испытательные машины для определения механических свойств материалов – средства измерений в науке и промышленности. Состояние. Проблемы. Перспективы // Приборы. – 2004. №4. С. 29-31.
3.
Кравченко, С.А. Об организационных и научно-методических мероприятиях проводимых «НИКЦИМ Точмашприбор» в рамках работ по пересмотру
государственных стандартов для средств механических испытаний на растяжение,
сжатие и усталостную прочность материалов // Конференция «Современная лаборатория предприятия». – М.: Профиль, 2004. С. 23-28.
4.
Кравченко, С.А. Разработка метода и средства поверки испытательной
техники в динамическом режиме / С.А. Кравченко, А.В. Табунчиков, В.П. Родионов // Сборник студенческих научных работ, отмеченных наградами на конкурсах. – Краснодар: Изд. КубГТУ. – Вып. 6, 2005. С. 63-65.
5.
Кравченко, С.А. Метрологическое обеспечение испытательной техники. Состояние. Проблемы. Перспективы / С.А. Кравченко, В.П. Родионов // Научный потенциал ВУЗа – производству и образованию. – Армавир: Изд. АФЭИ. –
2005. С. 132-135.
6.
Кравченко, С.А. Современные методы и средства калибровки испытательной техники в динамическом режиме / С.А.Кравченко, Ж.М. Бледнова //
Сборник докладов международной конференции по теории механизмов и механике машин. – Краснодар: Кубан. гос. технол. ун-т, 2006. С. 256-257.
7.
Кравченко, С.А. Основные задачи испытательных лабораторий в связи
с мероприятиями по приведению Российского технического законодательства в
соответствие с положениями ВТО / С.А. Кравченко // Сборник докладов международной научно-практической конференции в честь 10-летия НИКЦИМ Точмашприбор. – Армавир: ООО «НИКЦИМ Точмашприбор», 2006. С. 44-47.
8.
Кравченко, С.А. Проблемы метрологического контроля в сфере механических испытаний / С.А. Кравченко // Деловая слава России : официальное издание Российской инженерной академии. - 2006. - №2. – С 46.
9.
Кравченко, С.А. Определение истинного значения динамической составляющей погрешности машин для усталостных испытаний / С.А. Кравченко,
Ж.М. Бледнова // Машиностроение : сборник научных статей / Под общ. ред. В.Г.
Солоненко – Краснодар: Изд. КубГТУ, 2007. С. 97-102.
17
10. Кравченко, С.А. Экспериментальное определение динамической составляющей погрешности силоизмерительных систем машин типа УРС и ГРМ
для усталостных испытаний материалов // Приборы. - 2008. №7. С 56-59.
11. Кравченко, С.А. Метод учета динамической составляющей погрешности измерения приложенного усилия при проведении механических испытаний на
усталостную прочность / С.А.Кравченко, ЖМ. Бледнова // Машиностроение:
межвузовский сборник научных статей (второй выпуск)/ Под общ. ред. Проф.
В.Г.Солоненко – Краснодар: изд. КубГТУ, 2008г. С. 111-114.
12. Кравченко, С.А. Современный опыт калибровки в динамическом режиме канала силы машин для усталостных испытаний и сопоставление аналитических и экспериментальных результатов / С.А. Кравченко // Всероссийская
научно-техническая конференция «Механические измерения и испытания» : Тезисы докладов. – Суздаль: Метрологическая ассоциация промышленников и
предпринимателей, 2008. С. 110-114.
13. Родионов, В.П. Метрологическое обеспечение испытательной техники:
состояние, проблемы, перспективы / Родионов В.П, Кравченко С.А., Репина О.Н.
// Сборник студенческих научных работ, отмеченных наградами на конкурсах. –
Краснодар: Изд. КубГТУ – Вып. 6, 2005г. С. 66-68.
14. Чиликов, С.М. Универсальные испытательные машины нового поколения МИУ-К / С.М. Чиликов, В.Г. Кирпичников, С.А. Кравченко // Надежность и
долговечность машин и сооружений : Международный научно-технический сборник. – 2006. №27 – С 153-159.
15. Чиликов С.М. Проблемы и перспективы развития оборудования для механических испытаний материалов / С.М. Чиликов, Е.Н. Потаенко, А.И. Бугаец,
В.Г. Кирпичников, С.А. Кравченко // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2007. №1 – С 90-95.
16. Пат. 2336507 Российская Федерация, МПК G01L 25/00 (2006.01). Способ калибровки в циклическом режиме нагружения машин для испытаний на
усталость / Бледнова Ж.М., Бугаец А.И., Кравченко С.А., Чиликов С.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Кубанский государственный технологический университет». – № 2006143064/28 ; заявл. 05.12.06 ; опубл. 20.10.08, Бюл. №
29. – 2 с.
18