Прогнозування втомленості елементів конструкції електромагнітних клапанів при циклічному та імпульсному навантаженнях

Прогнозування втомленості елементів конструкції електромагнітних клапанів при циклічному та імпульсному навантаженнях

Ю.М.Рикуніч*;

О.Є.Ситніков*;

О.Г.Кучер**, д-р.техн.наук, проф.;

Г.Й.Зайончковський**,д-р.техн.наук, проф.

*КЦКБА; **Національний авіаційний університет

Однією з особливостей роботи пневматичних клапанів з електромагнітним приводом (ЕМК) є циклічність спрацьовування при ударному характері контактування рухомої і нерухомої систем. У зв'язку з цим в процесі функціонування клапана частина його елементів багаторазово піддається впливові інтенсивних імпульсних навантажень. Це призводить до того, що в зоні контактування деталі клапана зазнають впливу динамічних навантажень великої інтенсивності, внаслідок яких в матеріалі деталей виникають значні динамічні напруження. Такий характер навантаження сприяє розвитку різних процесів утомленості в елементах конструкції клапана і значно зменшує його ресурс. Характерними відмовами ЕМК в експлуатації є руйнування від утомленості стрижневих елементів - штоків, що реалізують кінематичний зв'язок ЕМП із виконавчим механізмом клапана [1].

Проведені раніше дослідження [1-7] показують, що основною передумовою таких відмовлень є недостатньо коректне урахування при проектуванні динамічних навантажень, що діють на елементи клапана при його спрацьовуванні на відкриття або на закриття. У першу чергу це стосується виявлення тих зон у деталях і вузлах ЕМК, в яких локалізуються напруги від динамічних навантажень, та визначення амплітуд місцевих динамічних напруг. Слід також зазначити, що в літературі з проектування пневматичних клапанів ці питання поки що не знайшли достатньо повного висвітлення. В [4] зазначається лише те, що елементи рухомої частини клапана ударно контактують з нерухомими елементами його конструкції. Наводяться найбільш імовірні значення коефіцієнтів динамічності. Проте наслідки контактної взаємодії елементів клапана і відповідні механізми формування зміни їх технічного стану в цій роботі авторами практично не розглядаються. До нашого часу ці питання залишаються актуальними, оскільки вирішення дає можливість прогнозувати зміни технічного стану клапанів в процесі експлуатації і їх ресурс, а також ще на стадії проектування розробляти ефективні заходи щодо удосконалення конструкції клапана.

Основними задачами проведених досліджень були:

провести аналіз фізичних процесів та відповідних змін технічного стану деталей ЕМК при циклічному функціонуванні внаслідок ударної контактної взаємодії рухомої системи клапана з нерухомими елементами його конструкції;

на основі прогнозування процесів втомленості обґрунтувати методику визначення коефіцієнтів динамічності для критичних елементів ЕМК.

За дослідний був вибраний ЕМК з двопозиційним поляризованим електромагнітним приводом розробки Київського центрального конструкторського бюро арматуробудування (КЦКБА) [8], схема якого наведена на рис.1.

Для вивчення відзначених процесів, що мають місце при циклічному імпульсному спрацьовуванні клапанів, були проведені спеціальні ресурсні випробування клапанів вибраного типу до їх повної відмови. В процесі випробувань періодично через кожні 20 тис. циклів (блок-цикл) спрацьовування контролювалися основні функціональні параметри клапана (напруга і час відкриття клапана, напруга і час його закриття) проводився мікрообмір деталей клапана і визначався хід золотника. Проводилися фотографування деталей клапанів після їх відмови і аналіз поверхонь контактів та місць руйнування шийки штока 3.

За результатами ресурсних випробувань було виявлено, що при відкритті клапана (переміщенні рухомої його частини від сідла) має місце:

ударне циклічне контактування повзуна 5 і шайби 9, що призводить до викришування від утомленості торцевих поверхонь контакту і зміни відносного положення деталей 5 і 9;

циклічне прикладення розподіленого імпульсного зусилля, нормального до площини контакту шайби 9 і голівки штока 3, що призводить до формозміни деталей 9 і 3 внаслідок накопичення однобічних пластичних деформацій, зміни взаємного положення деталей та накопичення мікропошкоджень в конструктивному матеріалі шийки штока 3;

ударне циклічне контактування повзуна 5 і верхнього стопа 2, що призводить до деградації макрорельєфу поверхонь контакту деталей 5 і 2.

При закритті клапана (переміщенні рухомої його частини до сідла) має місце:

- ударне циклічне контактування золотника 8 і сідла 7, що призводить до деградації макрорельєфу поверхонь ущільнення на золотнику;

- ударне циклічне контактування повзуна 5 і нижнього стопа 6, що призводить до деградації торцевих поверхонь контакту деталей 5 і 6.

Крім того, в процесі зворотно-поступального руху рухомої системи клапана має місце процес зносу циліндричних поверхонь повзуна 5 і розподільної трубки 10. Внаслідок цього спостерігається поступова деградація мікрорельєфу поверхонь тертя і збільшення сил тертя.

Аналіз отриманих експериментальних даних показує, що в процесі виробітку ресурсу має місце суттєве зменшення величини за рахунок зміни положення повзуна 5 відносно шайби 9 і штока 3 внаслідок виробітку кільцевої канавки на торцевій поверхні повзуна () та пластичної деформації деталей 3 і 9 на величину (рис.2):, а також збільшенню довжини камери під буферну пружину 4, що призводить до зменшення встановлювального і робочого зусилля пружини.

Такі зміни технічного стану клапана призводять до відповідних змін його функціональних параметрів: зменшуються напруга і час відкриття клапана та збільшуються напруга і час його закриття.

Наявність циклічних імпульсних динамічних напружень в матеріалі штока призводить при певній кількості спрацьовування до руйнування шийки штока внаслідок утомленості. Результати ресурсних випробувань, а також накопичений досвід експлуатації, показують, що величина знаходиться у відносно великому діапазоні (від 200 до 600 тис. циклів). Важливою задачею при оцінці імовірності неруйнування конструктивних елементів клапана під дією експлуатаційних навантажень є визначення амплітуди напруг, що виникають в конструктивних елементах ЕМК при їх циклічному спрацьовуванні. У загальному випадку визначається за формулою

,(1)

де- номінальна статична напруга в небезпечному перерізі; - коефіцієнт концентрації напруг [9];- коефіцієнт динамічності, що враховує характер навантаження.

При проектуванні ЕМК невизначеним до нашого часу є обґрунтований вибір значень коефіцієнта динамічності.

У ході досліджень, проведених у КЦКБА, встановлено, що коефіцієнт динамічності в стрижневих елементах поляризованих електромагнітних приводів може досягати величини 26 і більше. Дослідження В.П. Чегодаєва і А.М.Долотова [10] показали, що для окремих елементів пневмоагрегатів коефіцієнт динамічності досягає 70.

Аналітичні методи розрахунку величини, як правило, не дають надійних результатів. Тому для цілей інженерної практики найбільш доцільно використовувати значення, отримані в результаті експериментальних досліджень.

Дослідження зруйнованих деталей клапанів за допомогою металографічних і растрового електронного мікроскопів дозволили установити три стадії руйнування від утомленості штоків ЕМК, що знаходяться під впливом імпульсних циклічних навантажень: 1 - підготовчий, при якому відбувається пластичне деформування в поверхневих шарах штока з наробітком при циклічному навантаженні;2 - основний, що характеризується зародженням і накопиченням мікротріщин, а також злиттям деяких з них в одну магістральну тріщину; 3 - завершальну, зв'язану з інтенсивним розвитком процесів пластичного деформування і стрибкоподібним просуванням тріщин від утомленості, зменшенням робочого перетину штока, зростанням напружень, які значно перевищують, що призводить до миттєвого руйнування деталі - долому.

Отримані результати експериментальних досліджень показують, що концентрація напружень від динамічних навантажень в конструктивних елементів ЕМК має місце в зонах, що безпосередньо примикають до місць контакту рухомої системи клапана з нерухомою. При цьому вичерпання ресурсу ЕМП можна оцінити по величині розрахункової пошкоджуваності, викликаної дією силових випадкових навантажень з урахуванням стохастичної природи міцності матеріалу деталі.

З фізичної точки зору процес пошкоджуваності в матеріалі деталей клапана пов'язаний з накопиченням невідновних однобічних пластичних деформацій, розвитком процесів утомленості, зносу, наклепу та іншими необоротними змінами структури матеріалу. На розвиток цих процесів пошкоджуваності, в свою чергу, впливають зовнішні випадкові фактори - коливання умов роботи та змінність параметрів навантаження деталей в процесі експлуатації. При кожному впливі навантаження (випадковому чи регулярному) відбувається елементарний акт накопичення в матеріалі невідновних деформацій (прирощення пошкоджуваності), величина і характер якого є випадковою функцією механічних характеристик матеріалу, величин напружень, числа циклів та інших факторів. Процес накопичення пошкоджень у цьому випадку розглядається як результат статистичного підсумовування великої кількості рівномірно малих мікрострибків елементарних незалежних пошкоджуваностей.

Позначимо через величину пошкоджуваності в i-му елементарному циклі. Тоді за n циклів величина накопиченої пошкоджуваності буде подана сумою

.(2)

У цьому виразі величини n і, а також і випадкові. За деякий період часу, коли n досить велике, через центральну граничну теорему і зроблені припущення про характер навантажень накопичена пошкоджуваність збігається до нормального розподілу. Такий процес накопичення пошкоджуваностей можна розглядати як випадковий процес з незалежними прирощеннями, побудований за типом марковської послідовності.

За процес пошкоджуваності можна розглядати і непрямі параметри, які достатньо добре відтворюють характер зміни основних фізичних процесів пошкоджуваності матеріалу деталей, такі, як, наприклад, хід золотника клапана. У цьому випадку характеристики випадкового процесу пошкоджуваності можуть бути визначені, досліджені і прогнозовані статистичними методами.

Примітка - у зв'язку з тим, що при ресурсних випробуваннях клапанів періодичний контроль їх технічного стану проводився через 20 тисяч спрацьовувань, подальший аналіз процесів утомленості в елементах ПК проводився для блок-циклів з дискретністю 20 тисяч спрацьовувань.

За критерії втомленого руйнування в інженерних розрахунках широко використовуються деформаційні та енергетичні критерії. Їх відмінність полягає в тому, що в першому випадку пошкоджуваність від утоми обумовлена процесами, пов'язаними з циклічним деформуванням, а в другому - з необоротним розсіюванням енергії.

Використання деформаційних критеріїв втомленого руйнування дозволяє більш ґрунтовно підійти до гіпотези підсумовування пошкоджуваностей від утоми. Найбільш сприйнятливою є лінійна гіпотеза підсумовування пошкоджуваностей, відповідно до якої сума пошкоджуваностей Пi, які в цьому випадку є відносними довговічностями, дорівнює одиниці.

,

де - число циклів наробітку при напруженні; - довговічність при цьому ж рівні напруження у випадку стаціонарного навантаження; - параметр, що характеризує статистичне розсіювання міцнісних властивостей матеріалу деталі.

У кожному окремому циклі навантаження випадкова величина пошкоджуваності може набувати різних значеннь, які обумовлені різною інтенсивністю силових впливів та розсіюванням статистичних властивостей матеріалу. Однак при кожному спрацюванні клапана в процесі навантаження є відома частка регулярності. Чим вища якість матеріалу деталей та конструкції клапану, тим менший розкид характеристик та діючих навантажень в кожному циклі, а з цим і менше розсіювання пошкоджуваностей. Це дозволяє припустити, що ці випадкові величини пошкоджуваності підкоряються одному і тому самому закону розподілу. При статистично незалежних пошкоджуваностях за цикл описаний процес є однорідним випадковим процесом з незалежними прирощеннями.

Імовірнісні характеристики закону розподілу пошкоджуваності можна визначити за допомогою усереднення імовірнісних характеристик за k циклів навантаження.

Для найпростішого випадку навантаження штока клапана циклічними напруженнями різних рівнів, що підпорядковуються одному закону розподілу, пошкоджуваність за один блок-цикл навантаження деталі відповідно до лінійної гіпотези можна знайти за формулою

або за один цикл за формулою

,(3)

де - випадкові навантаження в блок-циклі

;

- випадкове число циклів в блок-циклі; - центрована випадкова величина, що характеризує розсіювання властивостей матеріалу

;

- функція витривалості матеріалу, що дозволяє знайти число циклів до руйнування деталі при стаціонарному рівні напруження.

Квазістатичне руйнування виникає у зв'язку з накопиченням в процесі малоциклового навантаження односторонніх пластичних деформацій, рівних деформаціям при однократному статичному руйнуванні. Руйнування від утоми з виникненням тріщин проходить внаслідок накопичення пошкоджуваностей втомленості.

Якщо експлуатаційні місцеві напруження від силових навантажень в конструкції визначені експериментально чи з рішення пружної або пружно-пластичної задачі, то незалежно від циклічних властивостей металів руйнуючі амплітуди напружень для конструкцій при заданому числі циклів до руйнування за критерієм утомленого руйнування (жорсткого навантаження) визначається за формулою [11]

(4)

де - модуль пружності; - відносне звуження площі поперечного перетину дослідного зразка;- границя витривалості при симетричному циклі навантаження (розтягнення-стиск); - границя міцності; відповідно коефіцієнти асиметрії циклу умовних пружних і дійсних навантажень; показник степеня - характеристика металу, яка для маловуглецевих сталей з границею міцності від 30 до 70 кгс/мм2 дорівнює 0,5.

Криву утомленості (4) можна виразити відносно числа циклів до руйнування у вигляді

,(5)

де, .

Імовірнісні моделі характеристик міцності матеріалів

Для імовірнісного опису характеристик міцності розглянуту детерміновану модель (5) слід доповнити параметрами, що характеризують імовірнісні властивості матеріалу [11, 12, 13]. У випадку степеневої залежності математичного очікування числа циклів до руйнування (5) стохастичні характеристики витривалості матеріалів можуть бути описані за допомогою трьох різних залежностей:

,(6)

, (7)

.(8)

Введений параметр є випадковою величиною із нульовим математичним очікуванням і дисперсією. В рівнянні (6) він визначає рівномірне розсіювання характеристик міцності навколо логарифму напружень, в моделі (7) - навколо логарифма числа циклів. Модель характеристик міцності (8) містить дві залежні випадкові величини в загальному випадку з різними дисперсіями та і визначає розсіювання характеристик навколо кривої витривалості. Слід зазначити, що якщо ці випадкові величини розподілені за нормальним законом, то число циклів до руйнування розподілено за логнормальним законом, що відповідає численним дослідженням.

На рис. 3 показана крива утомленості для штока клапана із матеріалу 08Х18Н10Т при симетричному циклі навантаження та імовірнісні моделі утомленості, , що побудовані за формулами (6), (7).

Криві і відповідають квантилям

.

Характеристики сталі та параметри циклу навантаження відповідно до заводських розрахунків мають значення [14, 15]: =205000 МПа, = 42,5, = 491 МПа, = 196 МПа,

= 0.

В простішому випадку функцію для багатьох матеріалів можна також описати степеневими залежностями вигляду

або(9)

,

де;

;(10)

.(11)

Аналіз отриманих результатів показує, що в межах похибок відповідні моделі (6)-(8) та (9)-(11) достатньо близькі (див. рис.4).

Розглянемо методику визначення коефіцієнта динамічного навантаження при циклічному імпульсному спрацьовуванні клапана.

На рис.5 подані геометричні параметри та розрахункова схема штока.

Коефіцієнт концентрації при заданих геометричних параметрах в зоні спряження голівки штока з шийкою, що визначається за формулою

,

дорівнює 2,94, площа шийки -

=4,9мм,

номінальне напруження -

6,53 МПа,

максимальне статичне напруження -

= 19,2 МПа,

мінімальне статичне напруження

З урахуванням десятикратного коефіцієнта запасу за числом циклів для кривої утомленості матеріалу штока відповідно до формули (4) амплітуди руйнуючих напружень при числі циклів N=120000 дорівнюють =180 МПа. Відповідні експлуатаційні максимальні напруження визначаться як МПа. Тоді динамічний коефіцієнт -

19.

На рис. 6 показана загальна схема навантаження деталі і імовірнісні характеристики міцності для степеневої функції (11).

Особливістю експлуатаційних навантажень пневматичних клапанів з електромагнітним приводом є значні циклічні динамічні навантаження, що виникають в конструктивних елементах клапанів в зонах, що безпосередньо примикають до місць контакту рухомої системи клапана з нерухомою.

Розроблена інженерна методика визначення коефіцієнтів динамічного навантаження для конструктивних елементів ЕМК.

Обґрунтована можливість використання статистичних моделей накопичення пошкоджуваностей в конструктивних елементах ЕМК для прогнозування їх ресурсу з урахуванням імовірнісних характеристик міцності конструктивних матеріалів.

Отримані результати досліджень рекомендується використовувати при проектуванні електромагнітних клапанів різного призначення.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

А.С. № 379806 (СССР). Электромагнитный клапан / В.Л.Кисель, Я.И.Лиховецкий, В.С.Погребинский, М.Т.Романенко. - Опубл. В Б.И.- 1970.

Ветров А.Н. Кучер А.Г. Вероятностные методы оценки остаточного ресурса конструктивных элементов авиационных ГТД в эксплуатации // Проблемы прочности.- 1989. - № 8. - С. 70-76.

Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. - Л.: Машиностроение, 1969. - 887 с.

Кармугин Б.В., Кисель В.Л., Лазебник А.Г. Современные конструкции малогабаритной пневмоарматуры. - Киев: Техніка, 1980. - 296 с.

Кучер А.Г. Вероятностное описание характеристик прочности жаропрочных сплавов //Диагностика и прогнозирование технического состояния авиационных ГТД: Межвуз.сб.научн.тр. - Киев: РИО КИИГА, 1985.

Кучер А.Г. Модель вероятностного суммирования повреждений при различных законах распределения повреждаемостей за полетный цикл // В зб. наук. праць “Надежность и долговечность деталей и узлов авиационной техники”. - Киев: РИО КИИГА, 1986. - С.41-44.

Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение,1981. - 272 с.

Петерсон Р. Коэффициенты концентраций напряжений. - М.: Мир,- 1977.

Расчеты прочности элементов конструкций при малоцикловом нагружении. Методические указания. / Махутов Н.А., Гусенков А.П., Гаденин М.М. - М.: МЦНТИ, 1987. - 42 с.

Рыкунич Ю.Н. Обеспечение запасов работоспособности при проектировании пневмоагрегатов систем летательных аппаратов // В збірнику наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. - Кіровоград:КДТУ, 2000. - Вип. 7. - С. 103 - 108.

Ситников А.Е. Прогнозирование технического состояния электромагнитных клапанов по функциональным параметрам // В зб. “Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”; Машиностроение. - Київ, 2000. - Выпуск 38. - Т. 2. - С. 189 - 191.

Хильчевский В.В., Ситников А.Е., Ананьевский В.А. Надежность трубопроводной пневмо- гидроарматуры. - М.: Машиностроение, 1989.

Чегодаев О.П. Гидравлические агрегаты и их надежность. - Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 1990. - 132 с.

Щучинский С.Х. Применение электромагнитов в качестве привода трубопроводной арматуры. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1989. - 44 с.

Щучинский С.Х. Электромагнитные приводы исполнительных механизмов. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.