Определение прочности изделий из чугуна методом свободных колебаний

Е. З. Коварская А. В. Антонов А. К. Голдобин

Метод_свободных_колебании_Звук_130-МПредставлены результаты экспериментальных исследований, выполненных при разработке методики акустического контроля отливок деталей тормозной системы, применяемой не железнодорожном транспорте, из чугуна марки СЧ 18, имеющих сложную геометрическую форму. Контроль производится методом свободных колебаний, возбуждаемых в изделии ударом, с использованием прибора«Звук-203М».

Ультразвуковаядефектоскопия и НК свойств чугунов различных марок осно­ваны на значительном изменении пара­метров акустических колебаний - скоро­сти распространения ультразвуковых ко­лебаний, частот собственных колебаний и коэффициента затухания в зависимости от структурных характеристик чугунов [1-6]. В основном изменение этих харак­теристик связано с формой и процентным содержанием графита в чугуне.

Зависимости между скоростью ультра­звука и структурой, а также прочностны­ми характеристиками установлены для разных видов чугунов и используются как для целей дефектоскопии, так и для оценки физико-механических свойств. При этом для высокоточных измере­ний скорости с погрешностью не более 0,5-1,0 % используются высокочастот­ные импульсные методы измерений, ко­торые требуют специальной подготовки поверхности контролируемого изделия для обеспечения качественного контак­та преобразователя.

Низкочастотный акустический метод, основанный на возбуждении и изме­рении частот собственных колебаний (ЧСК) изделий, позволяет проводить не-разрушающий экспресс-контроль тех же свойств, что и при ультразвуковых изме­рениях, но на отливках без специальной подготовки поверхности и без использо­вания контактных жидкостей. Такая воз­можность обусловлена тем, что связь между ЧСК и скоростью распростране­ния акустических волн Сl описывается формулой:

fiFiС1

где f i - частота собственных колебаний определенного вида i; Fi - коэффици­ент формы, зависящий от формы и раз­меров изделия, вида возбуждаемых колебаний и коэффициента Пуассона;

С l = (Е/р)1/2 - стержневая скорость зву­ка (скорость распространения продоль­ных упругих колебаний в бесконечно длинном тонком стержне); Е - модуль нормальной упругости; р- плотность.

Различие между скоростью распро­странения продольных ультразвуковых колебаний в бесконечной среде Сю и скоростью С l определяется коэффици­ентом Пуассона v, который, как прави­ло, незначительно изменяется в преде­лах одного материала:

С = E(1 - v)/[р(1 + v)(1 - 2v)]}1/2С l{(1 -v)/[(1 + v)(1 - 2v)]}1/2

Приразработкеметодикиконтроля методомсобственныхколебанийдолж­ныбытьрешеныследующиезадачи:

  • - выбор рабочего вида частот собствен­ных колебаний ЧСК, обеспечение усло­вий надежного измерения ЧСК этого вида (рабочей частоты) и их иденти­фикация (выбор схемы установки на измерительной позиции, оптимальных условий возбуждения и приема коле­баний, режимов измерения ЧСК);
  • - определение коэффициента формы для изделий номинальных размеров и его возможного отклонения в зависимости от допусков на размеры, влияющего на значения ЧСК данного типа, а также способа его корректировки;
  • - определение браковочных показате­лей (диапазона частот или скорости распространения акустических волн).

В настоящей статье приводятся ре­зультаты экспериментальных исследо­ваний, выполненных при разработке методики акустического контроля от­ливок деталей тормозной системы (де­талей корпуса 4314), применяемой на железнодорожном транспорте, из чугуна марки СЧ 18 с использованием прибора«Звук-203М» методом свободных коле­баний, возбуждаемых в контролируемом изделии ударом.

Определение браковочных показа­телей проведено на основании анализа и обработки статистических данных, по­лученных при выполнении совместных акустических измерений и разрушающих механических испытаний на образцах-свидетелях, имеющих форму стержней с круглым сечением, которые в коли­честве не менее трех штук отливаются с каждой партией отливок. Измерения ЧСК таких образцов проводилось в со­ответствии со стандартными методика­ми измерений частот продольных и (или) изгибных колебаний стержней с помощью прибора «Звук-203М», определение твердости по Бриннелю (НВ) и предела прочности на разрыв ов выполнялось в соответствии с действующими методи­ками (стандартами).

Метод свободных_колебаний_Звук-203М

Рис. 1. Градуировочная зависимость "Прочности на разрыв σв-Скорость звука С1" Предел Рис. 2. Градуировочная зависимость «Твердость НВ -Скорость звука С1» Рис. 3. Зависимость «Предел прочности на разрыв σв - Твердость НВ»

 

Таблица 1. Расчетные значения С1бр

Уравнение регрессии

(врассматриваемой серии)

Средне-квадратиче-

ское отклонение

Брако­вочныепоказатели подействующим нормативам

Соответ­ствующиезначения См/с

Соответ­ствующиезначения АСм/с

σв = 0,245 С1, - 774,2

Δов = 19,9 МПа

Δσв <180 МПа

3895

82

НВ = 0,0844 С,- 161,1

ΔНВ = 8,7

НВ < 170

НВ < 140

3920

3570

104

 

Накоплениеианализстатистических данныхдляпостроения градуировочныхзависимостей

С учетом действующей технологии и методик контроля прочностных ха­рактеристик для построения градуи­ровочных зависимостей накопление статистических данных проведено на образцах-свидетелях. Отбор образцов осуществлялся из технологических пар­тий по результатам контроля твердости НВ и предела прочности на разрыв ов аналогичных образцов (по 3 шт. от одной заливки для той же технологической пар­тии). На основании анализа данных ме­ханических испытаний из общего коли­чества образцов (68 шт.) были отобраны образцы с минимальными, максималь­ными и средними значениями механи­ческих характеристик, представляющие весь диапазон полученных значений.

На аналогичных образцах, не подвер­гавшихся механическим испытаниям, имеющих форму цилиндрических стерж­ней с предварительно исправленной формой торцов (38 шт.), по стандартной методике были проведены измерения частот собственных продольных колеба­ний f с помощью прибора «Звук-203М». По результатам измерений частот f определены значения скорости распро­странения акустических волн С,, которые использовались для построения градуи­ровочных зависимостей.

В результате получены корреляцион­ные зависимости и оценки погрешности определения параметров разрушающих испытаний по результатам акустического контроля (рис. 1 и 2). На этих же рисун­ках приведены результаты еще двух се­рий измерений - ранее полученные при предварительных испытаниях специаль­но отобранных образцов и полученные позднее при повторных контрольных испытаниях. Видно, что результаты контро­ля образцов, полученные в разное вре­мя, практически находятся в одной и той же области значений характеристик.

На основе полученных эксперимен­тальных данных дополнительно рассмо­трена связь результатов механических испытаний σв и НВ и совпадение соот­ветствующих браковочных показателей (рис. 3).

Значения браковочных показателей по С1, (табл. 1) могут быть установлены по полученным уравнениям регрессии для соответствующих браковочных показа­телей по НВ и σв.

В процессе отработки методики кон­троля с целью оптимизации риска изго­товителя (перебраковки) и потребителя (пропуск брака) рекомендуется прово­дить дополнительный анализ НВ и ов на образцах со значениями С1, в интервалах (С|бр±ΔС,)или(С|бр±2ΔС|).

Разработка методики контроля отливок корпуса 4314

При разработке методики контроля изделий сложной формы необходимо выбрать такие условия измерений и та­кую рабочую частоту, при которых уда­ется обеспечить наиболее простой и на­дежный способ проведения измерений.

Изделие «отливка корпуса 4314» пред­ставляет собой сложную конструкцию, которую можно приближенно моделиро­вать как комбинацию двух относительно тонкостенных цилиндров с переменным сечением, поэтому в спектре ЧСК этого изделия можно ожидать комбинацию частот, близких к изгибным колебаниям стержня, и частот типа плоских колеба­ний цилиндра с осевым отверстием.

В процессе исследования спектра ЧСК отливок были получены три наиболее устойчиво и надежно воспроизводимые частоты. Их значения для образцов де­талей из партии, ранее переданных для опробования возможности контроля, представлены в табл. 2. Там же приведе­ны соотношения между этими ЧСК.

На первой стадии экспериментов ис­пользовались измерения ЧСК f3,однако, исходя из простоты и удобства измере­ний, предпочтительно использование ЧСК f1; (рис. 4).

При отработке методики измерения была учтена необходимость работы в помещении с высоким уровнем шума, поэтому также была опробована воз­можность проведения измерений с ис­пользованием внешнего приемника (пьезопреобразователь из комплекта измерителя частот собственных колебаний типа«Звук-130»).

Рис. 4. Измерение ЧСК типа f1 с внутренним микрофоном (a), с внешним приемником (á)Звук_203-М_прибор купить

Результаты много­кратных измерений ЧСК с внешним при­емником и внутренним микрофоном для деталей с минимальным и максималь­ным значениями соответствующих ча­стот приведены в табл. 3.

Значение коэффициента формы для выбранных видов колебаний может быть получено из формулы (1) по результатам измерения ЧСК и известным значениям Cl.

При разработке методики использовались два способа определения :

  • по результатам расчета по уравне­ниям регрессии, установленным на образцах-свидетелях, для значений НВ, измеренных на представленных образцах отливок корпуса;
  • по результатам измерения ЧСК и опре­деления Cl на части изделия, имеющей форму, для которой может быть прове­ден расчет спектра ЧСК по известным зависимостям или формулам.

В первом случае при контроле деталей в производственных условиях на одной из отливок с измеренными значениями твердости HB = 156 и f3 = 7055 Гц про­ведено исследование однородности и определение Cl на образцах колец, вы­резанных из этой детали. Расположение вырезанных колец показано на рис. 5. Результаты измерений и расчетов при­ведены в табл. 4.

Значение Cl(fd) рассчитывается по фор­муле (1): Cl(fd) = fd/Fd, где fd - частота пло­ских колебаний; Fd = λ/d - коэффициент формы, λ - безразмерный параметр.

Таким образом, значение коэффици­ента формы для частоты f3 отливки кор­пуса 4314 может быть рассчитано как F3 = f3/Cl( fd)сред = 7055/3983 = 1,77 м-1. С учетом существенной неоднородности этого участка по Cl( fd) значение коэффи­циента формы для частоты f3 колеблется в пределах от 1,73 до 1,81 м-1.

 

Табл. 2. Твердость и ЧСК образцов деталей

N

НВ, ед

f1, Гц

f2, Гц

f3, Гц

f2/f1

f3/f2

f3/f1

1

229

2642

3446

7752

1,30

2,25

2,93

2

163

2440

3163

7127

1,30

2,25

2,92

3

201

2623

3393

7682

1,29

2,26

2,93

4

207

2588

3390

7523

1,31

2,22

2,91

5

167

2468

3243

7184

1,31

2,22

2,91

Среднее значение:

1,30

2,24

2,92

Максимальное отклонение от среднего:

± 0,01

± 0,02

± 0,01

Табл. 3. Результаты многократных измерений нижних частот спектра, Гц

N измере­ния

Деталь N1

Деталь N2

Встроенный микрофон

Внешний приемник

Встроенный микрофон

Внешний приемник

1

2638

2641

2436

2439

2

2641

2641

2438

2439

3

2640

2636

2438

2438

4

2640

2639

2438

2438

5

2639

2640

2438

2439

6

2639

2639

2436

2440

7

2638

2641

2437

2441

8

2640

2640

2437

2438

9

2639

2640

2438

2438

10

2640

2640

2437

2439

Среднее значение

2639

2640

2437

2439

Размах

3

5

2

3

 

Рис.5. Расположение колец, вырезанных из отливки при исследовании однородности и определении Clприбор_Звук_130-М_купить по низкой цене

 

 

Во втором случае значение Cl для этой же детали, полученное при ис­пользовании построенной по резуль­татам контроля образцов-свидетелей градуировочной зависимости ÍÂ от Cl, для ÍÂ = 156 ед. составляет 3757 м/с, и соответствующий коэффициент фор­мы F3 = 7055/3757 = 1,88 м-1, для ÍÂколец ср = 145 ед. составляет 3627 м/с и соответствующий коэффициент формы F3 = 7055/3627= 1,95 м-1.

 

Полученные разными способами зна­чения коэффициента формы имеют до­статочно близкие значения, которые отличаются на 4-5 %. Таким образом, значение коэффициента формы мо­жет быть уточнено в дальнейшем при отработке методики контроля и более тщательном анализе возможной не­однородности деталей. На данном этапе для последующих измерений и проек­та методики закладывается величина F3 = 1,88 м-1, полученная на основе обработки достаточно большого числа статистических данных при построе­нии градуировочных зависимостей для образцов-свидетелей.

Соответствующие значения коэф­фициентов формы для других состав­ляющих спектра определяются с учетом их соотношений, установленных при экспериментальном анализе (табл. 3): F1 = 0,644 м-1 и F2 = 0,837 м-1.

Табл. 4. Определение коэффициента формы для используемых частот

Наименование

Результаты измерения

Средние значения и результаты расчетов

Номер кольца

1

2

3

1

2

3

HB, ед

140 145 150

150 152 143

133 140 148

145

148

140

Диаметр

наружный D,

мм

56,2-56,5

56,2-56,4

46,5-46,9

56,4

56,3

46,7

Диаметр

отверстия d,

мм

31,6-33,0

31,0-32,5

31,7-32,8

32,3

31,8

32,2

Высота h, мм

-

20,3

10,5

 

 

 

fd, Гц

11118- 10873

10863- 10639

8444-8662

10950

10750

8553

d/D

 

 

 

0,573

0,565

0,690

λ(d/D)

 

 

 

0,0867

0,0875

0,0695

Fd, 1/м

 

 

 

0,002684

0,002752

0,002158

Cl ( fd), м/с

 

 

 

4079

3907

3963

Cl ( fd)сред, м/с

 

 

 

3983 ± 64

 

 

На рис. 6 показаны значе­ния НВ и Cl для всех трех ука­занных партий отливок (зе­леный треугольник - партия ¹ 256, коричневый - партия ¹ 254 (грунтованные), голу­бой - отобранные заранее), нанесенные на градуиро-вочную зависимость (синие ромбики), построенную по ре­зультатам контроля образцов-свидетелей. Дополнительно были проведены измерения твердости некоторых образ­цов, для которых значения

Табл. 5. Граничные значения контролируемых параметров для сортировки отливок

Контроли­руемый параметр

Значения величин при сортировке

Брак (без про­верки твер­дости)

Дополнитель­ный контроль твердости

Годные - кон­троль выборки по действую­щей методике

Cl , м/с

Менее 3465

От 3465 до 3780

Выше 3780

f1 , Гц

Менее 2230

От 2230 до 2435

Выше 2435

НВ, ед

Менее 131

От 131 до 158

Выше 158

σВ, МПа

Менее 76

От 76 до 153

Выше 153

Табл. 6. Граничные значения контролируемых параметров для образцов-свидетелей

Контроли­руемый параметр

Значения величин при сортировке

Брак

(без проверки

твердости)

Дополнитель ный контроль твердо­сти

Годные - кон­троль выборки по действую­щей методике

Cl , м/с

Менее 3815

От 3815 до 4130

Выше 4130

f1 , Гц

Менее 2460

От 2460 до 2660

Выше 2660

НВ, ед

Менее 160

От 160 до 187

Выше 187

σВ, МПа

Менее 162

От 162 до 239

Выше 239


На основе проведенных испытаний на период опытной эксплуатации методики предложены временные браковочные показатели, позволяющие минимизиро­вать риск потребителя и оптимизировать риск изготовителя.

В качестве градуировочных зави­симостей на этом этапе использова­лись зависимости, установленные на образцах-свидетелях рассмотренной се­рии измерений. Браковочные границы рассчитываются с учетом данных табл. 1 следующим образом:

  • для заданных браковочных показа­телей по твердости НВ (НВ = 140 ед.) определяется соответствующее значе­ние скорости Cl и ΔCl , рассчитываются граничные значения Cl бр1 = Cl - ΔCl, и Cl бр2 = Cl + 2ΔCl;
  • для работы в режиме индикации ча­стоты рассчитываются соответствующие значения рабочей частоты f3, для справки рассчитываются соответству­ющие значения НВ и σВ. Установленные таким образом гра­ничные значения контролируемых пара­метров при НВ = 140 ед. для сортировки отливок корпуса 4314 по результатам акустического контроля на время опыт­ной эксплуатации приведены в табл. 5, а значения при НВ = 170 ед. для контроля образцов-свидетелей - в табл. 6.

Опробование методики неразрушающего акустического контроля отливок корпуса 4314 с использованием прибо­ра «Звук-203М» проводилось при сплош­ном контроле по частоте f1 двух техноло­гических партий отливок в количестве 300 и 173 штук: партии ¹ 256 и ¹ 254 (грунтованные), а также отливок, зара­нее отобранных по значениям твердости в широком диапазоне.

Отливки рассортированы на группы с различными значениями частот. Далее из проверенных акустическим методом отливок отобрано максимальное количе-твердости оказались существенно выше ожидаемых по результатам акустическо­го контроля.

Как следует из этого рисунка, все от­ливки (7 шт.) со значениями Cl < Cl бримеют твердость НВ < 140 ед., т. е. ниже допустимой, и должны быть забракова­ны. Все отливки (около 27 шт.) со значе­ниями Cl > Cl бр2имеют твердость НВ > 140 ед., т. е. выше нижнего предела, и должны быть признаны годными.

Отливки, имеющие значения в интер-распределяются имеют твердость НВ < 140 ед., т. е. ниже допустимой, и должны быть забракованы - 8 шт.; имеют твердость НВ > 140 ед., т. е. выше нижнего предела, и должны быть при­знаны годными - 24 шт. При этом из этих 24 шт. значение Cl в интервале Cl бр + ΔCl < Cl < Cl бр2 имели 8 шт. годных и 1 шт. со значением НВ = 140 ед.

Рис. 6. Результаты контроля изделий, отобранных из разных партий при опробования методики в производственных условиях

Метод_свободных_колебании_Звук_130-М

 

Выводы:

1. Разработанная методика позволяет обеспечить стопроцентный НК и разбра­ковку отливок в партии с применением измерителя частот собственных колеба­ний «Звук-203М».

2. Использование внешнего приемни­ка - контактного пьезопреобразователя из комплекта прибора «Звук-130» - позволяет вести измерения в производственных условиях с повышенным уровнем шума.

3. Установленная на образцах-свидетелях градуировочная зависимость может быть использована для контроля отливок. По мере накопления статисти­ческих данных за период опытной экс­плуатации может быть откорректирована градуировочная зависимость и уточнены браковочные показатели.

Пожалуйста введите ваши данные


Нажимая на кнопку "Отправить" вы даете свое согласие на обработку Ваших персональных данных, см. Политика конфиденциальности

Обратная связь




Код проверки

Нажимая кнопку "Отправить" вы даете свое согласие на обработку Ваших персональных данных, см. Политика конфиденциальности