Підвищення точності трикоординатних вимірювань переміщень у маложорстких кільцях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний Університет "Львівська Політехніка"

УДК 531.7

05.11.01 - прилади та методи вимірювання механічних величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення точності трикоординатних вимірювань переміщень у маложорстких кільцях

Ігнатенко Павло Леонідович

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Чернігівському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі технології машинобудування.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Квасніков Володимир Павлович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри інформаційних технологій, м. Київ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сопрунюк Петро Маркіянович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу електричних вимірювань фізичних величин, м. Львів;

доктор технічних наук, професор Кучерук Володимир Юрійович, Вінницький національний технічний університет, професор кафедри метрології та промислової автоматики, м. Вінниця.

Захист відбудеться "23" жовтня 2010 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 в Національному університеті "Львівська політехніка", за адресою: 79013, м. Львів, вул. Устияновича, 5, ауд. 51, навчальний корпус Х.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий " 20 " вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.З. Вашкурак

Анотації

Ігнатенко П.Л. Підвищення точності трикоординатних вимірювань переміщень у маложорстких кільцях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - прилади та методи вимірювання механічних величин. - Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів - 2010.

Дисертацію присвячено розв'язанню наукової задачі розробки методу підвищення точності та швидкодії вимірювань на основі використання універсального динамометра для тримірних вимірювань механічних переміщень маложорстких кілець, що побудований на електричному вимірюванні неелектричних величин.

На основі аналізу відомих методів вимірювання переміщень доведено перспективність створення нового методу з підвищеною чутливістю і точністю. Наведено теоретичні аспекти застосування запропонованого методу. Отримано математичну модель деформації кільця: залежність жорсткості від моменту інерції поперечного перерізу, сили затиску, схеми закріплення. Шляхом експериментального дослідження підтверджено вірогідність розробленої математичної моделі. Наведено результати експериментальних досліджень модуля пружності порошкових спечених матеріалів. Наведено приклади застосування методу вимірювання фізичних величин (лінійних переміщень, деформації, сили) при визначенні залишкових напружень. вимірювання динамометр маложорсткий

Ключові слова: лінійні переміщення, схема вимірювання, лінійні деформації, маложорсткі кільця.

Игнатенко П.Л. Повышение точности трёхкоординатных измерений перемещений в маложестких кольцах. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 - приборы и методы измерения механических величин. - Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов - 2010.

Диссертация посвящена решению научной задачи повышения точности и быстродействия измерения технологических остаточных напряжений в маложестких кольцах путем разработки и исследования нового метода измерения линейных деформаций (перемещений), который построен на электрическом измерении неэлектрических величин. На основе анализа известных методов измерения перемещений доказана перспективность создания нового метода с повышенной чувствительностью и точностью. Приведены теоретические аспекты применения предложенного метода.

Рассмотрены причины возникновения остаточных напряжений, их виды, технологические остаточные напряжения в кольцах, методы измерения технологических остаточных напряжений в кольцах. Проведен анализ методов измерения технологических остаточных напряжений в маложестких деталях, направления усовершенствования эффективности процесса измерения, проанализировано влияние технологических остаточных напряжений на геометрические характеристики маложестких деталей. Сделан сравнительный анализ способов измерения технологических остаточных напряжений. Показаны особенности, которые подчеркивают преимущества применения механического метода измерения среди других, а именно: в форме образцов (или деталей, если образцы не вырезаются); в предположениях относительно закона распределения остаточных напряжений, которые вытекают из теоретического анализа деформаций при изготовлении (например, условие постоянства напряжений в точках, которые лежат на одинаковом расстоянии от поверхности; предложение об одноосном напряженном состоянии в узких призматических образцах); в способе измерений деформаций образца или реакций опор, способных устранить эти деформации.

Определенно целесообразность и направления совершенствования механического метода измерения технологических остаточных напряжений.

Приведены теоретические исследования, направленные на представление процесса измерения технологических остаточных напряжений, разработан метод измерения подвижного края кольца за тремя координатами, представлен алгоритм расчета ТЗН и его информационное обеспечение.

Для совершенствования измерения ТЗН в крутильных кольцах в качестве базового выбран способ определения остаточных напряжений с использованием двохкоординатного устройства для измерения малых перемещений.

Разработана методика определения перемещений подвижного края кольца за тремя координатами; методика определения жесткости кольца; порядок проведения экспериментальных исследований.

В разделе получено следующие новые результаты: разработана структура экспериментальных исследований процесса измерения остаточных напряжений в маложестких кольцах; методика определения перемещений подвижного края кольца за тремя координатами; методика определения жесткости кольца.

Проведены экспериментальные исследования и рассмотрено практическое использование способа измерения остаточных напряжений. Определенно экспериментально жесткость кольца и модуль упругости порошкового спеченного материала.

Ключевые слова: линейные перемещения, схема измерения, линейные деформации, маложесткие кольца.

Ignatenko P.L. An increase of exactness of the threecoordinate measuring of moving is in littlehard rings. Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineerings sciences after speciality 05.11.01 are devices and methods of measuring of mechanical sizes. "L'viv politechnik" National University, L'viv - 2010.

Dissertation is devoted the decision of scientific task of increase of efficiency of measuring of technological remaining tensions in littlehard rings by development and research of new method of measuring of linear deformations (moving), that built on the electric measuring of unelectric sizes. On the basis of analysis of the known methods of measuring of moving perspective of creation of new method is well-proven with an enhanceable sensitiveness and exactness. The theoretical aspects of application of the offered method are resulted. The mathematical model of deformation of ring is got: dependence of inflexibility from a moment inertia transversal a cut, forces of clamp, chart of fixing. By experimental research validified the developed mathematical model. The results of experimental researches of the module of resiliency of the powder-like sintered materials are resulted. The examples of application of method of measuring of physical sizes (linear moving, deformation, force) are resulted at determination of remaining tensions.

Keywords: linear moving, measuring chart, linear deformations, littlehard rings.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку приладобудування, робототехніки та інших галузей промисловості України актуальними є необхідність отримання високоточних результатів вимірювань лінійних деформацій, що потребує розробки нових підходів до створення ефективних методів та засобів вимірювання переміщень, деформацій в цілях підвищення точності та швидкодії, а також їх метрологічної атестації.

Кільцеві деталі з високоточними поверхнями і складним профілем, що широко застосовуються у машинобудуванні та приладобудуванні, мають конструктивно малу жорсткість. На експлуатаційні характеристики маложорстких кілець із порошкових спечених матеріалів разом з такими геометричними параметрами, як відхилення від циліндричності, соосності, площинності, круглості, впливають і фізико-механічні параметри: твердість, лінійні переміщення від деформації та залишкові напруження.

Відомі методи та засоби вимірювання лінійних деформацій та переміщень цих кілець малопродуктивні та не задовольняють сучасним вимогам по точності і швидкодії. Тому розробка нових методів та засобів вимірювання лінійних деформацій високоточних деталей малої жорсткості у формі кілець зі складними просторовими поверхнями, здатних забезпечувати високу точність і швидкодію, є актуальною задачею.

Особливості задач вимірювання механічних величин, таких як переміщення, залишкові напруження, лінійні деформації у кільцях пониженої жорсткості із порошкових спечених матеріалів для крутильних і прядильних машин, висувають підвищені вимоги до методів та систем обробки інформаційних сигналів.

Розв'язання цих задач можливо на основі створення нового механічного методу з використанням універсального динамометра для трикоординатних вимірювань переміщень, що ґрунтується на визначенні електричними методами неелектричних величин і дозволяє суттєво підвищити точність вимірювань переміщень у маложорстких кільцях.

У зв'язку з цим дисертаційна робота є актуальною і присвячена вирішенню важливої науково-технічної задачі підвищення точності трикоординатних вимірювань переміщень маложорстких кілець на основі розробки механічного методу з використанням універсального динамометра.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась відповідно до науково-дослідної тематики кафедри інтегрованих технологій машинобудування і автомобілів та технології машинобудування Чернігівського державного технологічного університету, згідно постанов Міністерства освіти і науки України відповідно до Закону України № 433-IV "Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні", зокрема за напрямом "Приладобудування, як основа високотехнологічного оновлення всіх галузей виробництва ". Автор дисертації був виконавцем частин держбюджетних і госпдоговірних науково-дослідних тем: "Розробка та дослідження партії кілець" (шифр теми 286, 1990-1992 рр.); № 68/08 "Розробка наукових основ та нових способів шліфування цілеспрямованим керуванням схрещування осей інструменту та деталі" (Наказ Міністерства освіти і науки України № 1044 від 27.11.2007 р.); № 72/10 "Розробка теоретичних основ робочих процесів та нових способів шліфування зі схрещеними осями інструмента та деталі" (Наказ Міністерства освіти і науки України № 686 від 22.07.2009 р.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення точності тримірних вимірювань переміщень у маложорстких кільцях на основі розробки механічного методу з використанням універсального динамометра.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

1. Проаналізувати існуючі методи вимірювання лінійних переміщень у маложорстких кільцях та обґрунтувати доцільність застосування механічного методу вимірювання.

2. Удосконалити механічний метод вимірювання переміщень шляхом введення додаткової координати вимірювання та компенсації похибки вимірювання при застосуванні цього методу.

3. Дослідити вплив механічних властивостей кільця на похибку визначення лінійних переміщень маложорстких кілець при деформації.

4. Розробити методику автоматизованого вимірювання залишкових напружень в кільцях пониженої жорсткості з використанням тензометричних перетворювачів.

5. Розробити алгоритм визначення залишкових напружень у маложорстких кільцях.

6. Розробити математичну модель процесу вимірювання лінійних переміщень з урахуванням розміру і положення досліджуваної ділянки кільця і довжини жорсткого подовжувача.

Об'єкт дослідження - процес взаємодії чутливого елемента з маложорстким кільцем.

Предмет дослідження - методи та засоби трикоординатних вимірювань переміщень в кільцях пониженої жорсткості під дією деформації.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використані такі методи: на основі методів теорії вимірювань, тензометрії проведено теоретичні дослідження процесу вимірювання залишкових напружень в маложорстких кільцях; методи математичного аналізу для отримання математичної моделі процесу вимірювання залишкових напружень; методи статистичної обробки результатів вимірювань для експериментальних досліджень; експериментальні методи та моделювання на ПК для перевірки достовірності теоретичних досліджень.

Експериментальні дослідження виконувались на розроблених здобувачем установках із використанням сучасного контрольно-вимірювального обладнання кафедри технології машинобудування Чернігівського державного технологічного університету. Результати, висновки і рекомендації підтверджені обчислювальними експериментами з використанням алгоритмів, розроблених здобувачем.

Наукова новизна одержаних результатів. Найбільш суттєві результати одержані особисто автором визначаються наступними положеннями:

1. Вперше розроблено механічний метод вимірювання тривимірних переміщень рухомого краю кільця за трьома координатами, який відрізняється від раніше відомих введенням третьої координати вимірювань і дозволяє підвищити точність вимірювання лінійних деформацій до 0,5 мкм.

2. Вперше розроблено математичну модель процесу вимірювання переміщень кільця, яка на відміну від відомих раніше враховує розмір і положення досліджуваної ділянки кільця і довжини жорсткого подовжувача, що дозволяє підвищити точність вимірювання лінійних переміщень на 15% та швидкодію до 2 с.

3. Вдосконалено механічний метод визначення залишкових напружень у кільцях пониженої жорсткості із порошкових спечених матеріалів на основі видалення поверхневих шарів кільця та пошаровому вимірюванні деформацій, який на відміну від існуючих, має підвищену точність і дозволяє компенсувати інструментальну складову похибки вимірювань.

4. Розроблено методику автоматизованого вимірювання лінійних переміщень на базі використання тензометричних перетворювачів з високими метрологічними характеристиками, що сприяє підвищенню точності та швидкодії вимірювання.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає у наступному:

1. Створено механічний метод вимірювання залишкових напружень шляхом введення третьої координати вимірювання переміщень.

2. Розроблено методику визначення залишкових напружень в кільцях пониженої жорсткості, що дозволяє встановити переваги метрологічної схеми і підвищити достовірність експериментально-розрахункової інформації.

3 Розроблено алгоритм вимірювання лінійних переміщень, що забезпечує достовірність результатів вимірювання, який пройшов апробацію на експериментальній установці в ДП "Чернігівстандартметрологія" для дослідження процесу вимірювання механічних величин (переміщень).

4. Розроблено макетний зразок стенду для проведення вимірювань лінійних переміщень, який на відміну від відомих забезпечує підвищення швидкодії вимірювання до 2 с.

5. Розроблені і впроваджені у виробництво практичні рекомендації щодо використання наукових розробок на:

*ДП "Чернігівстандартметрологія", м. Чернігів - "Спосіб вимірювання технологічних залишкових напружень у маложорстких кільцях із пористих спечених матеріалів та "Методика розрахунку технологічних залишкових напружень у кільцях крутильних і прядильних машин ", акт від 27.11.2009 р.;

*ВАТ "Чернігівське Хімволокно", м. Чернігів - "Спосіб вимірювання технологічних залишкових напружень у маложорстких кільцях із пористих спечених матеріалів " та "Методика розрахунку технологічних залишкових напружень у кільцях крутильних і прядильних машин ", акт від 25.12.2009 р.

Загальний економічний ефект від впровадження результатів науково-технічної роботи склав 26 тис. грн. Результати дисертації впроваджено у навчальному процесі на кафедрі технології машинобудування Чернігівського державного технологічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, у розробці методики визначення залишкових напружень, які виконані автором самостійно. Окремі результати отримані у співавторстві, у цих випадках особистий внесок автора у роботах такий: [1] - запропоновано метод вимірювання залишкових напружень, заснований на визначенні неелектричних величин електричними методами; [2] - розроблений алгоритм розрахунку технологічних залишкових напружень у маложорстких кільцях; [7] - здійснено математичне моделювання переміщень кільцевих зразків з врахуванням їх геометричних характеристик; [12] - розроблено оснащення для виключення недоліків метрологічної схеми, яка використовувалась раніше і підвищення достовірності експериментально-розрахункової інформації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені та обговорені на таких міжнародних конференціях: IV Міжнародній науково-практичній конференції "Техніка для хімволокон" (м. Чернігів, 2005 р.); І Міжнародній науково-практичній конференції "Інтегровані інформаційні технології та системи (ІІТС - 2008)" (м. Київ, 2008 р.); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Інтегровані інтелектуальні робото-технічні комплекси (ІІРТК - 2009)" (м. Київ, 2009 р.); IX Міжнародній науково-технічній конференції "АВІА - 2009" (м. Київ, 2009 р.); дев'ятій Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції "Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво" (м. Запоріжжя, 2009 р.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на кафедрі технології машинобудування Чернігівського державного технологічного університету.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових праць, серед них 5 статей у виданнях, що входять до переліку ВАК України, 6 тез доповідей на конференціях та одна заявка на патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків, додатків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 152 сторінки, включаючи 55 рисунків, 5 таблиць, 9 додатків на 22 сторінках, та список використаних джерел, що містить 112 найменувань на 11 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі відзначено актуальність теми дисертаційної роботи, напрямок, мета і задачі дослідження. Викладено основні положення, які виносяться на захист, наукова новизна і практичне значення досліджень, відомості про апробацію та публікацію основних результатів роботи, її обсяг та структуру.

У першому розділі проведено аналіз методів вимірювання залишкових напружень у маложорстких деталях, напрямки підвищення їх точності та швидкодії вимірювання, проаналізовано вплив залишкових напружень на відхилення від форми та взаємного розташування поверхонь маложорстких деталей. Проведено порівняльний аналіз способів вимірювання залишкових напружень. Визначено особливості, що окреслюють переваги застосування механічного методу вимірювання серед інших, а саме: у формі зразків (або деталей, якщо зразки не вирізуються); у припущеннях щодо закону розподілу залишкових напружень, які витікають з теоретичного аналізу деформацій при виготовленні; у способі вимірювань деформацій зразка або реакцій опор, здатних компенсувати ці деформації.

Показано, що підвищення точності вимірювання переміщень з мінімальною похибкою потребує розробки нового механічного методу вимірювання. Визначено доцільність і напрями вдосконалення механічного методу вимірювання залишкових напружень.

У другому розділі проведено теоретичні дослідження, спрямовані на вдосконалення процесу вимірювання залишкових напружень, розробку методу вимірювання рухомого краю кільця за трьома координатами, розробку алгоритму розрахунку залишкових напружень та його інформаційне забезпечення.

В цілях вдосконалення існуючого методу вимірювання залишкових напружень в крутильних кільцях, в якості базового, вибрано спосіб вимірювання залишкових напружень з використанням двокоординатного пристрою для вимірювання малих переміщень. Досліджуване кільце розрізають вподовж твірної, один із кінців жорстко закріплюють, а інший може вільно переміщуватися в просторі. Встановлено, що в процесі травлення при видаленні шарів матеріалу з ділянки АВ (рис. 1) разом з ними усуваються і залишкові напруження, які в них існували. В результаті цього відбувається зміна радіусу кривизни ділянки АВ, що приводить до переміщення рухомого краю консольно закріпленого кільця у просторі.

Рис. 1. Схема можливих переміщень досліджуваного кільця

Враховуючи, що радіуси кривизни сегментів SA та BC залишатимуться постійними, можна визначити координати точки С' і величину переміщення рухомого краю СС'. На основі відомих математичних залежностей визначаються залишкові напруження, які існували в кільці до його розрізання.

Показано, що цей спосіб є достатньо точним при дослідженні кільцевих зразків з симетричним поперечним перерізом, оскільки згинання буде проходити тільки в площині кільця. В обладнанні для легкої промисловості переважно застосовуються кільця з несиметричним поперечним перерізом, які мають різну жорсткість. При травленні таких кілець згин не буде відбуватися в одній площині і траєкторією переміщення рухомого краю стає просторова крива (рис. 2), а отже вимірювання переміщень краю жорсткого подовжувача за двома координатам буде недостатньо точним.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Варіанти можливої деформації кілець

Запропоновано для високоточного розрахунку залишкових напружень підвищити точність вимірювання переміщень рухомого краю досліджуваного кільця шляхом введення третьої координати, яка дозволяє проводити вимірювання за трьома взаємно перпендикулярними осями. Точність вимірювання переміщень не залежатиме від орієнтації системи координат відносно напрямку вимірювання переміщень, оскільки при будь-якому її положенні відносно досліджуваного кільця, вимірювана величина переміщення рухомого краю кільця буде постійною за рахунок вимірювання складових переміщень за трьома взаємно-перпендикулярними осями. Вимірювання переміщення СC' проводиться за трьома координатами, тому що величина переміщення однозначно визначається в залежності від координат X, Y і Z, незалежно від положення самої системи координат у просторі (рис. 3, 4).

Рис. 3. Схема вимірювання переміщень за трьома координатами

Рис. 4. Траєкторія переміщень рухомого краю кільця

Для реалізації цього положення запропоновано використовувати три тензодатчики переміщень, які розташовані за трьома взаємно-перпендикулярними осями та реалізовано за допомогою використання універсального динамометра, що дозволяє вимірювати зусилля за трьома координатами. Точка С 1 рухомого краю жорсткого подовжувача або кільця матеріалізована сферою. Це забезпечує можливість визначення координат х, y і z за рахунок дії сферичної поверхні на передавальні ланки вимірювального пристрою.

Встановлено, що розмір і положення дуги (ділянки) АВ (рис. 5) вимірювання напружень визначається центральним кутом Дц і кутовою відстанню ц0 від точки S.

Деформацію кільця можливо представити у вигляді трьох частин: SА - нерухомого сегменту постійного радіусу r величиною ц0 з центром у точці О; АВ' - рухомого сегменту змінного радіусу ri величиною Дц з центром у точці М ; ВС - рухомого сегменту постійного радіусу r величиною ц' з центром у точці О.

Координати початку локальної системи координат ХМAYМ в абсолютній системі координат OXY (координати точки А) визначено за формулами

xa = r ·sinц0; ya = r ·cosц0; za = 0. (1)

Координати точки В в системі координат ХМАYМ визначено за формулами



Рис. 5. Визначення координат кінця рухомої дуги В'С'

; ; . (2)

Кут Дц' можна визначити з пропорції (довжина дуги залишається постійною в процесі дослідження):

Дц·rлк = Дц'·ri = const.

Координати кінця дуги вимірювання напружень (точки В') у центральній системі координат XОY (рис. 5), координати точки В' у системі координат ХМАYМ і кут повороту системи координат ХМАYМ щодо системи XОY визначено з використанням матриці повороту. Встановлено, що через нерівномірну жорсткість площини поперечного перерізу досліджуваного зразка можлива поява додаткового переміщення в просторі його вільного краю при консольному закріпленні кільця. Це переміщення зумовлене зняттям залишкових напружень, що існували в стравленому шарі на ділянці АВ. Рухома дуга (постійного радіусу r) ВО повернеться в просторі по відношенню до нерухомої дуги (також постійного радіусу r) SА на деякий кут л (рис. 4).

Вперше отримано рівняння для визначення координати точки В', що повернута в просторі по відношенню до нерухомого сегменту (постійного радіусу r) SА на деякий кут л, у системі координат ХМАYМ

Rмв' = Rмв·Аoyл,

де Rмв' - радіус-вектор точки В'; Rмв - радіус-вектор точки B в системі координат ХМАYМ; Аoyл - матриця повороту навколо осі oy на кут л. В матричній формі рівняння має вид

(3)

Або

; ; . (4)

Аналогічно (3, 4) при умові, коли відомі координати точки А в системі координат XОY, розраховано координати точки В' у системі координат XОY за формулами:

Rв' =А + Rмв' · Аozц',

де Rв' - радіус-вектор точки В' у системі координат XОY; Rмв' - радіус-вектор точки В' у системі координат ХМАYМ; А - радіус-вектор точки А в системі координат XОY; Аozц' - матриця повороту навколо вісі oZ на кут ц'.

; ;

(5)

Визначено координати точки С' рухомої дуги В'С' з рівнобедреного трикутника В'О'С' (рис. 4). Після перетворень маємо трансцендентне рівняння для визначення координати точки С' по вісі ХТ у системі координат XОY:

. (6)

Трансцендентне рівняння (6) розв'язано методом половинного ділення. Для визначення координати точки С' по вісі YТ використано рівняння:

;

. (7)

Аналогічно з (3) визначаємо координату точки С' по вісі Z та, використовуючи матрицю повороту навколо вісі ОY, отримаємо

.

У системі координат тензодатчика формули для визначення координат точки С' рухомої дуги В'С' приймуть вигляд

xТ = xс', yТ = ус' - R - ДyТ, zТ = zс' - R - ДyТ,

де ДyТ - довжина вимірювального наконечника, що визначається відстанню від центра тензометра до точки С.

Деформація від прогину кільця при зтравлюванні досліджуваної ділянки на глибину hi визначається як геометрична сума координат

. (8)

Проведено теоретичне моделювання деформації кілець при різних схемах закріплення зразка та запропоновано математичну модель його деформації. Незалежні змінні, інтервали та рівні їх варіювання вибрані після формалізації апріорних відомостей.

Розв'язано трифакторну задачу за допомогою методу планування експерименту - повного факторного експерименту (ПФЕ) типу 23.

Таблиця 1 Результати розрахунку математичної моделі на ПК

Параметри	Значення
Дисперсія параметра оптимізації Sкв.	0,2983685433864594
Розрахункове значення критерія Кохрена Gр.	0,4531526863574982
Табличне значення критерія Кохрена Gт	0,6330000162124634
Gр.<Gт., гіпотеза про однорідність дисперсій підтверджується
Табличне значення критерія Стьюдента t	2,309999942779541
Розрахункове значення критерія Фишера Fр.	1,57215118408203
Табличне значення критерія Фишера Fт.	2,799999952316284
Fp.<Fт., отже модель є адекватною

У ході обробки результатів обчислювального експерименту на ПК для ПФЕ отримано значення коефіцієнтів регресії. Після перевірки за допомогою критерію Стьюдента деякі з них були відсіяні як незначимі. Перевірено однорідність дисперсій за критерієм Кохрена.

Визначено ступінь впливу технологічних факторів (таких як сила, схема закріплення, геометричні характеристики поперечного перерізу) на жорсткість кілець при виготовленні і експлуатації шляхом побудови математичної моделі на основі функції відклику C = f (I, n, P), де C - жорсткість кільця; І - момент інерції поперечного перерізу; n - кількість точок закріплення; Р - сила затиску.

На основі даних побудовано графіки залежності жорсткості від моменту інерції поперечного перерізу кільця та зусилля затиску (рис. 6). Підтверджено наявність лінійної залежності деформації від зусилля затиску.

а) б)

Рис. 6. Графічна інтерпретація повного факторного експерименту типу 23:

а) залежність жорсткості від моменту інерції поперечного перерізу кільця;

б) залежність жорсткості від зусилля затиску

Р - сила затиску; Iy - момент інерції поперечного перерізу; n - кількість опорних точок.

Після отримання розрахованих значень коефіцієнтів регресії і відсіву з них незначимих, отримано наступне рівняння регресії:

y = 1,69+0,22x1 +0,81x2 +0,46x3 +0,13x1x2 +0,28x2x3, (9)

де x1 = Р - сила затиску; x2 = І - момент інерції поперечного перерізу; x3 = n - кількість опорних точок.

При перевірці адекватності математичної моделі за критерієм Фішера встановлено, що отримане рівняння регресії адекватне для 5%-го рівня значущості.

При встановленні кілець в обладнання можливе (в залежності від жорсткості кільця) одержання різних значень величини деформації, в тому числі і з перевищенням допустимих відхилень від круглості та циліндричності. Виявлено, що момент інерції поперечного перерізу та кількість і розташування опорних точок в закріпленні кільця справляють найбільший вплив на його жорсткість.

У третьому розділі вперше розроблено методику вимірювання переміщень рухомого краю кільця за трьома координатами, методику вимірювання жорсткості кільця та визначено порядок проведення експериментальних досліджень.

Розроблено нову структуру експериментальних досліджень процесу вимірювання залишкових напружень в маложорстких кільцях, яка на відміну від раніше відомих передбачає використання високотехнологічного обладнання без зміни значень вимірюваного параметру, що зменшує складову інструментальної похибки.

Рис. 7. Загальний вид установки для вимірювань переміщень у маложорстких кільцях

Досліджуване кільце розрізається вподовж твірної з тим, щоб виявити зміну його конфігурації після зняття залишкових напружень. Один з кінців кільця закріплюється жорстко, а інший має можливість вільно переміщуватися (рис. 7). На вільному кінці встановлюється вимірювальний наконечник зі сферою, який через конусне з'єднання контактує з чутливим елементом динамометра УДМ-100.

Для підсилення сигналів тензорезисторів при вимірюванні деформацій використовується тензометричний чотирьохканальний підсилювач типу УТ 4-1 (рис. 8), який реєструє підсилений сигнал магнітоелектричним осцилографом або іншим самопишучим приладом та включає в себе генератор і чотири самостійних канальних підсилювача.

Рис. 8. Функціональна схема установки для вимірювань переміщень у маложорстких кільцях

Запропоновано порядок проведення досліджень, згідно якому попередньо визначено деформацію кільця, пов'язану з прогином під час розрізання кільця вздовж твірної.

Визначено деформацію кільця fі, пов'язану з прогином під час травлення поверхневого шару кільця на деяку глибину, шляхом контролю переміщень розрізаного кільця при стравлюванні чергового і-го шару за даними вимірювання контактної сили на кінці вимірювального наконечника по трьох взаємно-перпендикулярних напрямах. За отриманими значеннями переміщень рухомого краю кільця при обраній метрологічній схемі визначено залишкові напруження.

Показано, що величина переміщення залежить від механічних властивостей матеріалу, габаритних розмірів кільця, а також від розмірів досліджуваної ділянки. Для кільцевих зразків використано метрологічну схему та математичну залежність, за якою визначають зсув краю вимірювального наконечника у відповідному напрямі.

Встановлено, що загальна похибка проведених вимірювань Д містить похибку засобів вимірювання Дзв, методичну похибку Дм, похибку відмінності умов вимірювання від нормальних Ду і похибку оператора Дсп.

Враховано, що похибка засобів вимірювання Дзв (інструментальна похибка) при вимірюванні зусиль за трьома взаємно-перпендикулярними осями складається з похибки встановлення самого універсального динамометра, похибки розташування вимірювального наконечника, похибки просторової орієнтації гальванічної ванни. Отримана похибка вимірювання для діапазону до 100 кгс складає Дзв 1 = 0,0040 і є випадковою.

Встановлено, що похибка складових елементів встановлення вимірювального наконечника не залежатиме від орієнтації локальної системи координат відносно напрямку вимірювання переміщень, оскільки при будь-якому її положенні відносно досліджуваного кільця вимірювана величина переміщення рухомого краю кільця буде постійною за рахунок вимірювання складових переміщень за трьома взаємно-перпендикулярними вісями.

Показано, що відхилення від площинності нижньої площини гальванічної ванни не повинно перевищувати 0,001 мм. Отримаємо Дзв 2 = 1 мкм.

Відхилення від перпендикулярності жорсткого подовжувача до чутливого елементу універсального динамометра: довжина жорсткого подовжувача змінюється в межах h = (40 - 90) мм, кут нахилу б - малий кут, отримаємо tgб = б/h = h, то Дзв 3 = 4 мкм.

Нерівності установочної плити - відхилення від площинності дає похибку, що має випадковий характер, отже нею можна знехтувати.

Встановлено, що методичні похибки (Дм) можуть виникати через невідповідності реальної методики виконання вимірювань ідеальним теоретичним положенням, на яких ґрунтуються вимірювання. Ці похибки поділяють на дві групи:

а) похибки через припущення і спрощення - прийняті при вимірюванні або обробці результатів, а також використані у ході вимірювального перетворення похибки через невідповідності процесу вимірювального перетворення його ідеальній моделі; дані похибки через прийнятих допущень надто малі, і тому їх не враховано;

б) некоректна ідеалізація об'єкту вимірювання - похибки через невідповідності об'єкту вимірювання моделі, що ідеалізується, яку покладено в основу процесу вимірювання.

Показано, що величинами, які впливають на похибку відмінності умов вимірювання від ідеальних або від нормальних (Ду) можуть бути: температура, вологість, тиск і т. д. Вони не впливають на похибку вимірювання, якщо дослідження проводяться за нормальних умов, тобто ці похибки прямуватимуть до нуля Ду> 0.

Встановлено, що суб'єктивні похибки (Дсп) включають похибки відліку і похибки маніпулювання засобами вимірювань та вимірювальним об'єктом.

При вимірюванні похибки відліку виникають у результаті використання аналогового засобу вимірювання з пристроєм видачі вимірювальної інформації. При положенні покажчика між мітками шкали відлік відбувається або з округленням до ближчої поділки, або з інтерполяцією частки поділки візуально.

Показано, що похибка округлення результату до цілої поділки становить не більше половини ціни поділки розрахункового пристрою, а при інтерполяції частини поділки, похибка відліку стає ще менше, і становить не більше 1/10 частини ціни поділки, що інтерполюється: Двідл. = 2мкм. Це випадкова похибка і нею нехтують (вважається, що ніяких грубих маніпуляцій над засобом вимірювання і об'єктом не відбувалось).

Визначено значення похибки Д, яка виникає при даному вимірюванні. При значеннях: Дзв = 4 мкм, Дм = 1 мкм, Ду> 0, Дсп = 2 мкм загальна похибка вимірювання складає мкм.

У четвертому розділі проведено експериментальні дослідження та розглянуто практичне використання методу вимірювання залишкових напружень. Експериментально визначено жорсткість кільця, модуль пружності порошкового спеченого матеріалу.

Для визначення жорсткості поперечного перерізу кільця на згин ЕІy розраховано момент інерції поперечного перерізу Iy відносно осі ОY1 (яка проходить через центр мас поперечного перерізу, відносно цієї осі відбувається згин кільця) (рис. 9). Радіус інерції R - це відстань від осі OY кільця до центру маси його поперечного перерізу.

Рис. 9. Ескіз кільця у вибраній системі координат

Момент інерції Iy та радіус інерції R кільця обчислено за допомогою системи КОМПАС - 3D V7 - розробки компанії "Аскон".

Таблиця 2 Результат розрахунку за допомогою системи КОМПАС-3D V7

Параметри, одиниці вимірювання	Значення
Радіус інерції R, мм	74,848851
У заданій системі координат
Осьові моменти інерції Jx, мм 4 Jy, мм 4	2949,038264 910668,018528
У центральній системі координат
Осьові моменти інерції Jx, мм 4 Jy, мм 4	249,981827 59,937348
У головній центральній системі координат
Осьові моменти інерції Jx, мм 4 Jy, мм 4	250,061015 9,858160

Визначено жорсткість кільця Ш 146 мм при закріпленні у пристрої (рис. 10)

. (10)

При значеннях Е = 0,15 МПа, Jy = 59,937 мм 4, R = 74,85 мм 4 жорсткість кільця становитиме C = 192.

Проведено експериментальні дослідження для перевірки адекватності теоретичних розрахунків. Розроблено пристрій, принцип роботи якого полягає у тому, що досліджувані кільця навантажувалися силою через елемент "гвинт - гайка", який переміщувався у втулці (рис. 10). Сила стискання реєструвалася динамометром, а переміщення - індикатором часового типу ІЧ-1.

За допомогою розробленого пристрою виміряна деформація у маложорстких кільцях, при різних схемах закріплення.

Рис.10. Пристрій для вимірювання деформацій у кільцях

У результаті проведення досліджень за експериментальними даними побудовано графіки залежності переміщення по кожній з трьох координат від часу травлення (рис. 11).

а) б) в)

Рис. 11. Траєкторії переміщень консольного краю кільця

а) переміщення по осі X; б) переміщення по осі Y; в) переміщення по осі Z;

1 - зразок після механічної обробки; 2 - зразок після термічної обробки; 3 - зразок після доводки

Знаючи складові переміщення рухомого краю по кожній з трьох координат, визначено загальне переміщення fi

, (11)

де xi, yi, zi - переміщення рухомого краю кільця по кожній координаті.

При відомій залежності глибини стравленого шару металу від часу (за допомогою тарировочного графіка), визначено деформацію (переміщення), пов'язану з прогином кільця при стравлюванні досліджуваної поверхні на глибину hi (рис. 12).

Деформація, пов'язана з прогином кільця при його розрізанні, fв визначається наступним чином. Перед стравлюванням кільце жорстко фіксується відносно динамометра, у зв'язку з чим після розрізання вздовж твірної динамометр зафіксує певні складові сили по трьох координатах. Перевівши ці значення в переміщення (за допомогою тарировочного графіка), отримуємо складові переміщення за трьома координатами. По аналогії визначено сумарне переміщення, пов'язане з прогином кільця при його розрізанні:

, , ,

де f1, f2, f3 - переміщення рухомого краю кільця по кожній з трьох координат у результаті розрізу вподовж твірної зразків відповідно після механічної обробки, термічної обробки та після доводки.

Рис. 12. Деформації кілець в залежності від глибини травлення

1 - зразок після механічної обробки; 2 - зразок після термічної обробки; 3 - зразок після доводки

Отримана математична залежність для визначення залишкових напружень у кільцях, виготовлених із порошкових спечених матеріалів

, (12)

де уі - тангенціальні залишкові напруження, що існували у вилученому i-ому шарі кільцевого зразка (спрямовані по дотичній до його вісі); Е - модуль пружності; fв, fi -деформація, що пов'язана з прогином кільця при його розрізанні та при стравлюванні досліджуваної поверхні відповідно;

D - середній діаметр кільця; Н - висота поперечного перерізу кільцевого зразка; hi - товщина вилученого шару; ky - коефіцієнт підсилення прийнятої метрологічної схеми.

У формулі (12), на відміну від раніше відомих математичних залежностей по визначенню залишкових напружень у кільцях, відсутній доданок , який враховував відносне подовження вподовж вісі зразка при його вирізці з труби.

Дослідження проводились на кільцях із порошкових спечених матеріалів. Після операції доводки проведено розрахунок залишкових напружень на внутрішній поверхні кільця з діаметром Ш 146 мм, середній діаметр D = 149,5 мм, висота поперечного перерізу Н = 5,4 мм, модуль пружності матеріалу (марки ПЖ 4М 3) Е = 0,15 МПа.

Розраховано коефіцієнт підсилення прийнятої метрологічної схеми для виміру зсуву краю жорсткого подовжувача, спрямованого по нормалі, при консольному закріпленні другого краю зразка, виходячи з заданих початкових умов проведення експерименту при відомих геометричних параметрах кільцевого зразка: середній діаметр D = 149,5 мм довжина вимірювального наконечника ly = 65 мм, кут між краями розрізаного кільцевого зразка цy = 00, кут дуги ділянки, яка зтравлюється ц0 = .

(13)

При вище вказаних значеннях .

Визначено деформації, пов'язані відповідно з прогином кільця при його розрізанні та стравлюванні досліджуваної поверхні на глибину hi = 70 мкм: fв = -4,59 мм, fі = 4,82 мм.

Тоді при значеннях D = 149,5 мм, Н = 5,4 мм, Е = 0,15 МПа, hi = 70 мкм,

fв = -4,59 мм, fі = 4,82 мм залишкові напруження на глибині 70 мкм від поверхні кільця складатимуть .

Залишкові напруження уі, що існують в поверхневих шарах, є функцією від глибини стравленого шару hi, результати розрахунку якої представлено у вигляді епюр (рис. 13).

а) б) в)

Рис. 13. Епюри залишкових напружень в поверхневих шарах кілець:

а) після механічної обробки; б) після термічної обробки; в) після доводки

На експериментальних епюрах показано, що найбільша величина залишкових напружень спостерігається в кільцях, які пройшли стадію термічної обробки.

У додатках до дисертації наведені акти впровадження, подані результати експериментальних досліджень і лістинги програмного забезпечення методик розрахунку моменту інерції та математичної моделі жорсткості кільця.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, яка полягає в підвищенні точності трикоординатних вимірювань переміщення маложорстких кілець на основі розробки механічного методу з використанням універсального динамометра. В результаті виконаних досліджень одержано нові, науково обґрунтовані теоретичні і практичні результати:

1. Проаналізовано існуючі методи вимірювання залишкових напружень у поверхневих шарах маложорстких кілець. Встановлено, що більшість відомих засобів вимірювання мають недостатньо високу точність та швидкодію, що накладає обмеження на застосування методу для вимірювання лінійних деформацій маложорстких кілець з високоточними поверхнями і складним профілем.

2. Обґрунтовано, що запропонований метод з використанням універсального динамометра для трикоординатних вимірювань переміщень, базується на визначенні електричними методами неелектричних величин та дозволяє суттєво підвищити точність вимірювань переміщень для визначення залишкових напружень у маложорстких кільцях.

3. Розроблено механічний метод вимірювання трикоординатних переміщень рухомого краю кільця, який відрізняється від раніше відомих введенням третьої координати вимірювань і дозволяє підвищити точність вимірювання лінійних деформацій до 0,5 мкм. Розроблено математичну модель жорсткості кільця, яка у порівнянні з відомими враховує вплив модуля пружності порошкових спечених матеріалів і технологічних факторів (таких як сила, схема закріплення, геометричні характеристики поперечного перерізу) та дозволяє підвищити точність вимірювання на 15% і швидкодію до 2 с. Удосконалено механічний метод визначення залишкових напружень шляхом вимірювання переміщень за додатково введеною координатою, що підвищує точність вимірювання на 15%.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Чередніков О.М. Застосування УДМ - 600 для вимірювання залишкових напружень / О.М. Чередніков, П.Л. Ігнатенко, І.О. Чередніков // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2006. - № 25. - С. 69-74. Здобувачем запропоновано метод вимірювання залишкових напружень, що ґрунтується на визначенні неелектричних величин електричними методами.

2. Ігнатенко П.Л. Удосконалення методу вимірювання технологічних залишкових напружень / П.Л. Ігнатенко, І.О. Чередніков // Вісник Інженерної академії України. - 2007. - № 1. - С.145-150. Здобувачем розроблено алгоритм розрахунку технологічних залишкових напружень у маложорстких кільцях.

3. Ігнатенко П.Л. Розподіл залишкових напружень в крутильних кільцях з порошкових спечених матеріалів / П.Л. Ігнатенко // Вісник Інженерної академії України. - 2009. - № 2. - С.209-212.

4. Ігнатенко П.Л. Побудова математичної моделі жорсткості кільця / П.Л. Ігнатенко // Вісник Інженерної академії України. - 2009. - № 3-4. - С.215-218.

5. Квасніков В.П. Математична модель розподілу похибок вимірювання / В.П. Квасніков, П.Л. Ігнатенко // Вісник Інженерної академії України. - 2010. - № 1. - С.240-242. Здобувачем обґрунтовано порядок встановлення математичної моделі розподілу похибок вимірювання.

6. Заявка на патент України МКП G 01B 5/30. М.С. Кулик, В.П. Квасніков, О.М. Чередніков, П.Л. Ігнатенко. Спосіб визначення залишкових напружень. Заявл. 01.02.2010 р.

7. Чередніков О.М. Моделювання деформацій крутильних кілець / П.Л. Ігнатенко, І.О. Чередніков // Техника и технология химволокон: V международная научно-практическая конференция 15 - 19 мая 2006 г.: Сборник докладов, - Чернигов, 2006. - С. 210. Здобувачем здійснено математичне моделювання переміщень кільцевих зразків з врахуванням їх геометричних характеристик.

8. Ігнатенко П.Л. Підвищення ефективності вимірювання технологічних залишкових напружень в маложорстких кільцях / П.Л. Ігнатенко // Інтегровані інформаційні технології та системи (ІІТС - 2008): перша міжнародна науково-практична конференція 19-23 травня 2008 р.: тези доп. - Київ, 2008. - С. 145.

9. Ігнатенко П.Л. Просторова модель вимірювання залишкових напружень / П.Л. Ігнатенко, І.О. Чередніков, О.О. Борисов // АВІА - 2009: IX Міжнародна науково - технічна конференція 21 - 23 вересня, 2009 р.: - Київ: Національний авіаційний ун-т, 2009. - Т. 1. - С. 3.77.

10. Ігнатенко П.Л. Похибка вимірювання технологічних залишкових напружень в маложорстких кільцях / П.Л. Ігнатенко // Інтегровані інтелектуальні робото-технічні комплекси (ІІРТК - 2009): друга міжнародна науково-практична конференція 25-28 травня 2009 р.: тези доп. - Київ, 2009. - С. 372.

11. Игнатенко П.Л. Закономерности формирования технологических остаточных напряжений в маложестких спеченных кольцах из порошковых композиций / П.Л Игнатенко // Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво: дев'ята Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція 26-27 листопада 2009 р.: тези доп. - Запоріжжя, 2009. - С. 145.

12. Чередников О.Н. Технические требования к крутильным и прядильным кольцам. Оснастка для исследования остаточных напряжений / О.Н. Чередников П.Л Игнатенко, И.О Чередников // Техника для химволокон: IV международная научно-практическая конференция 23 - 27 мая 2005 г.:Сборник докладов в 2-х частях, - Чернигов, 2005. - Ч.І - С. 239.

Размещено на Allbest.ru

...