«Из инженерного завещания»

Моим милым внукам — Катюше, Агуше и Генрюше

ПОСВЯЩАЮ

Жизнь ведь тоже только миг,

Только растворенье

Нас самих во всех других,

Как бы им в даренье.

          Б.Л.Пастернак

УДК 621.81: 539.4

Неcколько рекомендаций для повышения точности определения расчётной усталостной долговечности оборудования тяжёлого машиностроения

Проф., докт. техн. наук Б.Н.Поляков

 

Дается описание особенностей системы проектирования в тяжёлом машиностроении с позиции оценки надёжности обрудования, преимуществ и недостатков созданной расчётно-экспериментальной методологии оценки усталостной долговечности, вновь обосновывается нецелесообразность применения методов схематизации нагружённости, приводятся конкретные рекомендации, направленные на повышение точности идентификации факторов образующих методологию и точности оценки долговечности, в том числе,  на совершенствование ГОСТ’а по методике проведения усталостных испытаний

Проектирование   оборудования   индивидуального   тяжелого   машиностроения происходит   в   специфических   условиях   ограниченности   исходной   информации, что можно   объяснить   следующими   причинами:

  1. Часто отсутствует возможность   натурной  экспериментальной проверки   принципиальных   технологических  и  кинематических  схем  и  конструкций   машин, а  при  малых   мощностях   испытательных  стендов   и  экспериментальных   цехов, в  лабораторных  условиях  невозможно   воспроизвести   реальную   картину   технологической  нагружённости оборудования,  из-за  многообразия  случайных   факторов,   действующих   в  реальных условиях   металлургического   производства,  а  также   масштабного  фактора   при   исследовании,  например,  термопластических  состояний  уникальных  по  габаритам   несущих   деталей.
  2. Невозможно применить основные положения и методы теории массового обслуживания к  оценке   надежности  и  срока  службы  оборудования, поскольку  сложно  скомпоновать   представительные   статистики,  содержащие   систематизации   внезапных  или   постепенных   отказов   однородных   деталей,  из-за  большого  разнообразия технологического   оборудования   и  различий  в  условиях  его  монтажа,  обслуживания  и эксплуатации ( отсутствие  классификации  и  статистических  оценок  нагруженности ), а также   их  малой  информативности для проектирования. Применение  методов “классической” теории  надежности (  оценка  вероятности  безотказной   работы  по  интенсивности   потока   отказов )   по  аналогичным  причинам   тоже  не  позволяет  управлять   показателями   качества   на   стадии   проектирования. Например, невозможно  научно   обосновывать   форму, параметры и материал деталей с необходимыми механическими  свойствами, с  требуемыми  прочностными   или   другими   служебными   характеристиками, что  особенно  важно  для  конструкторов.

Таким  образом,  решение   проблемы  оценки   надежности   оборудования   тяжелого   машиностроения   имеет   ряд   особенностей,   вытекающих   из  индивидуального  характера  проектирования,  изготовления  и  монтажа   уникальных   машин ( весьма сложных технических систем ),  крайне  ограниченных  экспериментальных   возможностей,  стохастических    свойств   технологических   процессов и материала крупногабаритных деталей  и, как следствие, случайного характера  их  нагружения.  Объективной   интегральной   характеристикой    надёжности  конструкции является  функция   распределения   её   случайной    долговечности  или  технического ресурса,  информация  о  которой  решает  и  многие  важные  производственные  задачи: установление  периодичности  и объема  ремонтных  работ, формирование   экономически   обоснованного   количества   запасных   частей  и т.д., но и при проектировании создает условия  для   управления   конструктивными  и  технологическими  решениями —  повышая  надежность   при  снижении  металло —  и  трудоемкости.

Принимая  во внимание существующие объективные особенности создания уникальных    машин [1], считаем, что единственно возможным способом  получения функции  распределения  долговечности ( ресурса ) несущей  тяжелонагруженной  детали  является расчетно – экспериментальная  методология. Статистические   характеристики   нагруженности  и  усталостных  свойств  материалов, принимаемые  при проектировании, предопределяют  и  последовательный  статистический  подход  к  методикам  расчета плотности  распределения  долговечности, а  значит,  вероятности  разрушения  и  ресурса.

На Уралмашзаводе, бывшем ( к большому сожалению) индустриальном гиганте отечественного тяжёлого машиностроения – заводе огромного и высочайшего конструкторского, научного и инженерного интеллекта, на основе  статистической теории прочности и теории случайных функций ( теории выбросов), в 70-е годы прошедшего столетия была сформирована современная расчётно — экспериментальная методология и создан пакет компьютерных программ для оценки в вероятностном аспекте на стадии проектирования случайной долговечности ( ресурса ) при  усталостном разрушении несущих деталей и сложных конструкций прокатного оборудования [1]. Работоспособность и информативность  методологии и программного обеспечения убедительно доказаны при решении ряда сложных конструкторских и практических производственных проблем ( см., например,[ 2] ).

Применение различных статистических методов обеспечили следующие преимущества расчётной  методологии:

  1. нагружённость несущей детали ( или конструкции) рассматривается как случайный процесс ординат случайных напряжений в прямом его истолковании и идентифицируется корреляционной функцией, расчёт которой полностью обеспечивается известными компьютерными программами, а её погрешность определяется только погрешностью датчика измерения параметра нагружения;
  2. как следствие п.1 полностью исключается применение методов схематизации процесса нагружения, предусматривающих выполнение различных графических, ручных и трудоёмких, сугубо приближённых операций. Мои первые публикации (с соавторами) о применении теории случайных процессов, спектрального и корреляционного анализов к исследованию нагружённости и расчёту усталостной долговечности датируются 1975-1976гг.[3], где доказывается, что различные методы схематизации – это инженерные попытки свести реальный стохастический процесс к детерминированному описанию некоторого схематизированного процесса, который по уровню накопленного в детали усталостного повреждения должен быть эквивалентен реальному процессу,  что приводят   к 5 ÷ 8 — кратным отличиям в расчетных  величинах усталостной  долговечности.  А, если  найден  уровень  накопленного  усталостного повреждения  от  случайного  процесса  нагружения ( что  составляет   конечную  цель  расчета ), то  нет   необходимости и  в  его  схематизации, в  противном  случае  теряет  смысл  и  остается неизвестной   оценка   эквивалентности. Кроме того, в период 80-х годов даже был разработан и действует ГОСТ 25.101-83, устанавливающий «методы схематизации случайных процессов нагружения, возникающих в условиях эксплуатации или испытаний«. Прошло почти 40 лет и вновь появляются работы, в том числе и диссертационные, с применением методов схематизации (см. Интернет ). Налицо удивительная восприимчивость ( а точнее — невосприимчивость) отечественной науки «всего нового и передового».

Я не верю, что исследование  случайного процесса нагружённости (СПН) строгими методами корреляционного и спектрального анализов может быть адекватно по точности различным моделям  приближённой  схематизации, не могущих иметь ( по определению) оценок точности ( ибо любое преобразование информации – это всегда потеря какой-то доли информации и внесение погрешности ). Любой метод схематизации СПН не может учитывать весь спектр амплитуд и частот случайного процесса  за временной период какой — либо продолжительности! Да и зачем  в настоящее время мощных современнейших компьютеров заниматься разработкой и применением методов схематизации?  Это в 60-е- 70-е годы прошедшего столетия нам было необходимо  нескольно недель и чаще — месяцев, чтобы вручную подготовить исходную информацию ( выполнить квантование процесса нагружённости  по времени и по уровню, отображённого на  бумажной осциллограмме ) и рассчитать на ЭВМ «Урал- 4» или «Минск- 22» по собственным программам корреляционные функции и спектральные плотности. Но в сегодняшнее время для этих процедур необходимо всего несколько минут! Так зачем же левое ухо чесать правой рукой?! Зачем продолжать сочинять и применять искусственные различные методы схематизации, когда имеются строгие математические методы и компьютерные программы анализа узко – и широкополостных случайных процессов! Да и пора уже осовременить ГОСТ 25.101-83, наполнив его компьютерным содержанием. Итак, в разработанной методологии предусматривается полная компьютеризация подготовки эксприментальной информации о нагружённости, её спектральный и корреляционный анализ с известными оценками погрешности;

  1. все основные параметры усталостных свойств материала детали ( предел ограниченной выносливости, угол наклона и абсцисса точки перелома кривой усталости ) рассматриваются только как случайные величины, с известными функциями распределений и их параметрами и представляются в виде полных вероятностных диаграмм усталости, обладающих высокими статистическими надёжностью и точностью для любой задаваемой вероятности разрушения;
  2. образование расчётной методологии в форме пакета компьютерных программ, предусматривающих возможность представления исходной информации о нагружённости в виде отдельных реализаций ординат напряжений или деформаций ( временных рядов ) и широкой гаммы статистических характеристик, допускающих вариацию всех параметров диаграмм усталости ( как в детерминированном, так и в статистическом аспекте),              позволяет эффективно их применять при проектировании, что убедительно доказано конструкторской практикой создания прокатного оборудования на Уралмашзаводе.

Таким образом два экспериментальных фактора: нагружённость и усталостные свойства, корректно представлены в  математической модели усталостной долговечности своими надёжными статистическими оценками с известной погрешностью. И единственным фактором  не имеющим никаких оценок точности,  вносящим существенную неопределённость и  повышающим погрешность искомой величины, это параметр, характеризующий процесс накопления повреждений, который при том абсолютно не отражает физическую природу разрушения. В некоторой мере, именно поэтому современные расчётные модели долговечности предоставляют более надёжные качественные оценки, и менее точные – количественные, при сниженных  частоте и областей их применения.

Итак, что же следует предпринять, т.е. какие необходимо выполнить исследовательские работы ( с нашей точки зрения) для того, чтобы значительно приблизить результаты расчёта случайной долговечности ( вероятности разрушения и ресурса ) к преемлемой инженерной погрешности. Прежде всего, целесообразно продолжить  параметрические исследования, а также на основе методов теории чувствительности, необходимо определить численные величины коэффициентов влияния ( существенности или точностных характеристик ) каждого фактора на функцию долговечности и ранжировать их, с целью получения оценок тех допустимых величин погрешностей  идентификации факторов, которые обеспечат преемлемую для практики точность оценки долговечности. Первый опыт приближённой оценки чувствительности, для  случая  исследования  долговечности несущих деталей главного привода прокатного стана, показал высокую информативность созданной методологии [1]. В частности, подтверждено, что  увеличение  дисперсии  напряжений  ведет  к росту   вероятности   разрушения  и  сокращает  срок службы  оборудования, при  этом понижение   математического   ожидания   напряжений  вызывает   почти  пропорциональное уменьшение вероятности разрушения, кроме того, при приближении математического ожидания    напряжений   к  пределу   выносливости, вероятность   разрушения  определяется только  их  величинами  и  в  меньшей  степени   зависит   от   дисперсии   напряжений ( подробнее см. [ 1 ] ).

По  диаграммам усталости имеются две рекомендации. Проведённые на Уралмашзаводе уникальные исследования усталостных свойств образцов, вырезанных из крупногабаритных заготовок четырёх марок стали, позволили получить громадный объём экспериментальной информации* статистическая обработка которой обеспечила построение полных вероятностных диаграмм усталости ( уравнений регрессии ) с очень высокими величинами коэффициентов множественной корреляции — в диапазоне 0,94-0,97, следовательно, коэффициенты детерминации находятся в диапазоне 0,88-0,94, т.е. 6-12% факторов не отражаются параметрами уравнений регрессии, которые, по нашему мнению, должны характеризовать структурную  неоднородность материала, являющуюся ( по результатам металлографических исследований усталостных разрушений деталей металлургического оборудования ) одной из главных причин зарождения усталостных трещин [4]. Поэтому, с целью дальнейшего увеличения информативности и достоверности диаграмм усталости предлагается: во-первых, проводить усталостные испытания с компьютерным контролем параметров микроструктуры  поверхности разрушения образцов ( что, конечно увеличивает  трудоёмкость и стоимость экспериментов ) и, во-вторых, испытания следует проводить не при детерминированном циклическом нагружении, а при последнем, реализующим корреляционную функцию и тот  __________

* Одному моему заочному потенциальному оппоненту, которого смущает  словосочетание – «экспериментальная информация» (« не очень удачное…»), сообщаю, что  корректность этого выражения подтверждается 4.940.000 (!) источниками в Интернете; также рекомендую обратиться к Википедии и Большой Энциклопедии Нефти и Газа (см. Интернет ).

спектральный диапазон частот, соответствующий идентификации зафиксированного исходного временного ряда случайного процесса нагружённости ( например, моделироваться на INSTRON’ах).

Так как в дальнейшем, без сомнения, будут усложняться и повышаться  стоимость усталостных испытаний, считаем целесообразным на основе методов   оптимального   планирования  экспериментов, разработать  методику  и   решить  задачу поиска   плана    эксперимента, который  управлялся бы от компьютера и обеспечил  бы существенное  сокращение  общего объёма  испытаний  для  каждой  марки  стали, для решения которой большие возможности предоставляют результаты вышеупомянутых  статистических  исследований  усталостных свойств четырёх марок сталей.

Относительно закономерности накопления повреждений. В общем случае возникновение необратимых повреждений и их объединение зависит от особенностей  нагружённости и структуры исследуемого материала, т.е. процесс накопления повреждений в какой-то момент и приводит к  образованию усталостной трещины и поломки. Значит результаты усталостных испытаний должны служить основой и для формирования статистической закономерности накопления повреждений ( ибо их «природа» одна и та же: одно является следствием другого ).

Большой  объём  исходной информации ( более 800 (!) измерений  с  учётом  пробных  образцов ), полученный при экспериментальных исследованиях усталостных свойств  четырёх  марок  сталей,  позволяет, применяя  известные   математические  методы  идентификации [5] и статистического моделирования,  получить  оценки ( в том числе  и  статистические ) процесса накопления усталостных повреждений в исследованных  сталях, т.е. проверить  и  уточнить  гипотезу  суммирования и меру повреждений.  В частности, можно предложить следующие постановку и решение задачи идентификации.  Корректируем математическую модель долговечности для условий проведённых усталостных испытаний — введя параметры циклического нагружения,  представляем математическое выражение гипотезы суммирования повреждений как степенную функцию с показателем степени «» отношения числа  циклов  нагружения  на  — м   участке  к числу  циклов   до разрушения, и тогда задача сводится к идентификации коэффициента  «» на основе экспериментальной информации: — уровень напряжений — число циклов до разрушения ( — экспериментальная долговечность) – — вероятность разрушения,  определённая  по интегральной эмпирической  функции нормального распределения  . Точность процедуры идентификации коэффициента «» определяется по отклонению расчетной величины  долговечности  от замеренной ,  вычислением относительного отклонения . Таким образом,  идентификация коэффициента «» заключается в минимизации функции  с задаваемой погрешностью (по аналогии с [6] ). Построив итерационный алгоритм реализации этой постановки, только для вероятностной диаграммы усталости при заданной вероятности разрушения, можно получить функции распределения коэффициента  «» при различных уровнях нагружения: предполагаем, что на уровне максимальных напряжениях его средняя величина будет близка к единице и имеет место линейная связь с , при средних уровнях  будет иметь место параболическая зависимость, а на уровнях близких к пределу выносливости — гиперболическая. Возможно удасться получить статистически надёжную и точную связь коэффициента  «» с уровнем напряжений и вероятностью разрушения ( а в будущем — и с параметрами микроструктуры материала ), тем самым можно существенно уточнить гипотезу накопления повреждений. Таким образом, решая задачу идентификации или применяя другие компьютерные методы определения статистических оценок закономерности суммирования повреждений ( с известной  погрешностью )  по экспериментальным  данным усталостных испытаний, можно существенно повысить точность расчёта долговечности для каждой марки стали. Так что    существующий ГОСТ 25.504-82 — «Расчеты и испытания на прочность. Методы
расчета характеристик сопротивления усталости»,  необходимость совершенствования которого объективна и целесообразна,  рекомендуем дополнить методами определения статистических оценок закономерности суммирования повреждений.

И  наконец, последняя рекомендация. Для того, чтобы окончательно убедиться в том, что корреляционный и спектральный анализ случайного процесса представляет собой наиболее адекватный метод для исследования стохастической нагружённости, предлагается для большого разнообразия корреляционных функций, представленных в работе  [4], рассчитать усталостную долговечность, сравнив результаты с аналогичными расчётами, но только с использованием  схематизации нагрузок  ( от метода размахов до метода «дождя» ). Убеждён, что возможный диапазон различий в оценках будет в диапазоне минимум 10-15 %! Так что, выполнение точностной оценки диапазона колебаний усталостной долговечности для различных корреляционных функций нагружённости и для различных методов схематизации  будет мощнейшим достижением и основанием для широкого применения теории случайных процессов в расчётной практике при проектировании.

Будем оптимистами и будем надеяться, что в  будущем появится многоинформативная и высокой точности компьютерная методика расчёта усталостной долговечности несущих деталей, которая  будет даже обосновывать требования к  структуре и усталостным свойствам необходимой для конструкции марки стали. Тем не менее, в ближайшее десятилетие для обеспечения гарантированного срока службы оборудования сохраняется актуальность традиционных методов повышения долговечности на стадии проектирования, когда предпочтение  следует отдавать поиску новых конструкторских решений и применять соответствующие технологические методы,  например, формирование при термообработке  фона сжимающих остаточных напряжений в зонах повышенных нагрузок, применение поверхностного пластического деформирования или лазерного  упрочнения и т.п.

Библиографический  список

  1. Поляков Б.Н. Повышение    качества   технологий   и   долговечности  оборудования         прокатных   станов.  Екатеринбург:  Изд — во  Урал. гос. проф.- пед. ун — та, 1994.  Ч.2.  192 с.
  2. Макаров Ю.Д., Поляков Б.Н., Ронин И.Л. Выбор мощности главных приводов унифицированного блюминга // Сталь. 1987. № 4. С. 53-55.
  3. Определение долговечности деталей машин при усталостном разрушении / Ю.В.Денисов, М.Л.Комиссарова, Б.Н.Поляков и др. // Изв. Вузов. Машиностроение. 1975. № 10. С. 50-55.
  4. Нагруженность, несущая  способность  и  долговечность  прокатного  оборудования /       Б.Н.Поляков, Ю.И.Няшин, И.Ф.Волегов, А.Ф.Трусов .М.:  Металлургия, 1990. 320 с.
  5. Райбман Н.С. Что такое идентификация? М.: Наука, 1970. 119с. с ил.
  6. Макаров ЮД. Идентификация и статистические оценки энергосиловых параметров процесса холодной прокатки полос из стали 08Ю на стане 1700 ОАО «Северсталь».Инженерное образование: электронный журнал. «Наука и образование». #5 мая 2008.< http://technomag.stack.net/doc/91816.html>.

 

The some recommendations for increase of accuracy of definition of rated fatigue longevity of the equipment of heavy mechanical engineering

(« From the engineering testament »)

Prof., Technical sciences Doctor B.N.Poliakov

The description of features of system of design in heavy mechanical engineering from a position of an assessment of reliability of the equipment, advantages and lacks of the created settlement-experimental methodology of an assessment of fatigue longevity are given, аgain inexpediency of application of methods of a schematization stress loading proves, the specific recommendations which have been directed on increase of accuracy of identification of factors forming methodology and accuracy of an assessment of longevity, including, on perfection of GOST ’a on a procedure of carrying out of fatigue tests are resulted

 

События Крыма ipkrim.ru/faq - Блоги в Крыму Клубы в Крыму