|
|
ОглавлениеГлава 2. Методы и приборы для измерения давления Глава 3. Методы и приборы для измерения температуры Глава 4. Методы и приборы для измерения расхода Глава 5. Методы и приборы для измерения уровня Глава 6. Методы и приборы измерения геометрических размеров Глава 7. Методы и приборы для измерения вибрации Глава 8. Измерение параметров электромагнитной совместимости Глава 9. Методы и приборы измерения свойств вещества Глава 10. Методы и приборы измерения состава вещества Глава 11. Сопряжение датчиков с системами управления Часть 2. Технологические основы испытаний. Глава 12. Организация испытаний Глава 13. Испытания на воздействия факторов внешней среды Глава 14. Испытания изделий на воздействие внешних механических и гидрогазовых факторов Глава 16. Испытания трубопроводной арматуры Глава 18. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГлава 13. Испытания на воздействия факторов внешней среды13.1. Основные факторы, вызывающие повреждения элементов машин и приборовСовокупность факторов, воздействующих на ОИ во время его функционирования, обслуживания и хранения, определяет условия и режимы испытаний, а следовательно, и обнаружение дефектов и выявление причин повреждений и отказов. Число факторов, воздействующих на изделия в эксплуатации, велико, поэтому испытания в условиях обычной эксплуатации дают наиболее полную и достоверную информацию о продукции. Но их результаты дорогостоящи и требуют значительных затрат времени, что резко снижает значимость полученных данных об ОИ для разработчиков и изготовителей. Кроме того, в эксплуатационных испытаниях все воздействующие на работоспособность испытуемого изделия факторы хаотически переменны и крайне сложно фиксируются, что осложняет получение достаточно достоверной оценки как самого воздействующего фактора, так и реакции на него изделия. Поэтому испытания проводятся в регламентируемых НТД условиях, которые можно стабильно воспроизводить. Условия испытаний выбираются исходя их трех основных требований: –при испытаниях должны быть воспроизведены наиболее типичные условия эксплуатации изделия; –время испытаний должно быть минимальным, но достаточным для получения исчерпывающей характеристики испытуемого изделия; –затраты на испытания должны быть минимальными. Условия испытаний выбираются и обосновываются путем воспроизведения на полигонах, в лабораторных условиях, на стендах факторов, определяющих исследуемые характеристики изделия. К таким факторам относятся: уровень нагрузок и частота их приложения, состояние среды в контактах сопрягаемых деталей (смазка, абразив, химически агрессивные компоненты и т. п.), окружающая среда (температура, атмосферное давление, влажность, химическая агрессивность), время функционирования и др. При этом необходимо учитывать сведения об отказах, характере и причинах (факторах) их появления на испытуемом образце. Поэтому прежде чем приступить к разработке программы испытаний, необходимо определить зоны испытуемого объекта, предрасположенные к накапливанию повреждений под действием тех или иных факторов и приводящих к отказу изделия в целом. Далее необходимо выявить фактор (или их комплекс), вызывающий тот или иной вид повреждения и, наконец, принять оценочные критерии количественного влияния внешних воздействий с тем, чтобы обеспечить эквивалентность внешнего воздействия на объект испытаний эксплуатационному, и тем самым исключить появления при испытаниях нехарактерных для эксплуатации отказов. Как показывает анализ, накапливание повреждений в конструкциях большинства машин происходит под действием механических, термических и химических процессов взаимодействия элементов конструкции между собой и внешней средой. Косвенными признаками отказов механических изделий являются повышенные вибрации, различные заедания, заклинивания, повышенное искрение, оплавления, обрывы цепи, приваривания, различные протечки, разрывы труб и др. В табл. 13.1. приведены виды основных повреждений (отказов) и причин их появления для типовых элементов машино- и приборостроительных изделий, а также факторы, вызывающие эти повреждения. Из таблицы видно, что предельное состояние и отказы элементов машины при эксплуатации в большинстве случаев возникают в результате износа, приводящего к нарушению размера и формы деталей, их правильного взаимного положения, образования недопустимых по величине зазоров, снижения прочности, а также в результате усталости материала, приводящей к выкрашиванию рабочих поверхностей, и появлению глубоких трещин или нарушению целостности деталей. Помимо износа и усталости материала, машина разрушается из-за недостаточной статической прочности при перегрузках, из-за деформаций в результате действия высоких температур, влияния агрессивной среды, старения резинотехнических и пластмассовых изделий, которых в конструкции машин становится все больше. Для приборной продукции, кроме перечисленных факторов, усиливающих механизм отказов, существенное влияние оказывают перегрев, влажность, запыленность, химическая активность внешней среды, электромагнитные поля и пр. При этом для приборов характерны не явные, а постепенные скрытые отказы, обусловленные дрейфом параметров. Сложность учета всех этих видов повреждений при испытаниях усугубляется совместным действием разнородных факторов. Таблица 13.1 Виды основных повреждений
Износ — вид остаточной деформации изделий, представляющий собой процесс постепенного изменения их геометрических размеров, вызываемый механическими, химическими, температурными и другими видами внешних воздействий, которые возникают в процессе эксплуатации. Износ не следует путать с изменениями формы, поломками и разрушениями, которые происходят внезапно из-за перегрузок, тепловых ударов, дисбалансов и пр. Структура понятий, связанных с изнашиванием деталей из металла и других материалов показана на рис. 13.1 [33]. Рис. 13.1. Структура представлений об изнашивании изделий Основные виды изнашивания можно разделить на механические, молекулярно-механические и коррозионно-механические. Механическое изнашивание возникает в результате контактного силового взаимодействия тел и, как правило, носит абразивный, усталостный или кавитационный характер. Абразивный износ возникает в результате «царапающего» контакта твердых поверхностей и их перемещения относительно друг друга или через насыщенный абразивными частицами слой, находящийся между этими поверхностями. Такой вид изнашивания возникает при попадании абразивных частиц, например, в опору шарошки или сочления траков в гусеничных машинах. В случае попадания твердых механических частиц в поток жидкости или газа эти частицы за счет режуще-царапающего эффекта могут изменять форму омываемых этим потоком поверхностей и приводить к гидро- или газо-абразивному изнашиванию конструктивных элементов. Такому виду изнашивания, например, подвергаются трубопроводы, детали насосов, запорной арматуры, резьба бурильных труб и т. п. Кавитационный износ возникает при разрыве сплошности потока жидкости, омывающей поверхность тела. Самопроизвольная ликвидация появляющихся в результате разрыва гидравлической среды внутренних пустот сопровождается возникновением гидравлического удара, способного приводить к разрушению поверхности детали. Кавитационное изнашивание характеризуется высокой скоростью и приводит к выходу из строя элементов центробежных насосов, отводов, вертлюгов и др. Усталостный износ вызывается многократно повторяющимися знакопеременными нагрузками, действующими на поверхности контактирующих тел и имеющими абсолютное значение, меньшее предела прочности материала, из которого изготовлены эти тела. Многократность нагрузок приводит к возникновению дефектов атомных связей, что вызывает развитие поверхностных микротрещин, в результате накопления которых происходит скачкообразный откол частиц. Характерным примером усталостного изнашивания является выход из строя подшипников качения, у которых любая точка поверхности дорожки качения кольца испытывает при набегании тела качения напряжение сжатия, а при его уходе — напряжение растяжения. Молекулярно-механическое изнашивание вызывается взаимным механическим внедрением прижатых друг к другу поверхностей, а также адгезией (силами молекулярного сцепления) соприкасающихся тел (материалов). При повышенных температурах эти процессы особенно активны. Результатом такого изнашивания является появление задиров поверхностей и заклинивание перемещающихся деталей. В качестве примера этого вида изнашивания можно привести износ гильз цилиндров буровых насосов и тормозных шкивов буровых лебедок. Коррозионно-механическое изнашивание вызывается одновременным химическим и электрическим воздействием на трущиеся поверхности. При этом вследствие относительного перемещения поверхностей, продукты химической и (или) электрохимической коррозии удаляются, обнажая «чистую» поверхность металла. Этот процесс повторяется многократно. В случаях вибрационного воздействия на трущиеся поверхности процесс коррозионно-механического изнашивания называется фреттинг-коррозией. Такому изнашиванию подвергаются зубчатые колеса, детали втулочно-роликовых цепей и т. п. В практике расчета деталей машин на износ существует большое количество зависимостей, позволяющих оценить интенсивность износа в различных условиях на стадии проектирования, и, соответственно, оценить изменение размеров и формы детали в процессе работы машины в зависимости от ресурса. Предлагаемые теоретические зависимости, в ряде случаев предполагают учет среды изнашивания, однако не в полной мере учитывают особенности процесса эксплуатации, что не позволяет объективно оценить интенсивность износа в тех или иных условиях. Используемые при проектировании соотношения позволяют получить лишь ориентировочную интенсивность изнашивания детали, в зависимости от их формы, конструктивных особенностей трущихся поверхностей, состояния поверхностного слоя и т. д. Реально, процесс износа протекает под действием внешней среды характеризуемой случайно изменяемой нагрузкой в пятне контакта, наличием абразива в зоне трения и химически активных компонентов и др. Поэтому оценка условий испытаний на изнашивание должны, прежде всего, основываться на данных о фактических износах трущихся пар в тех или иных условиях, иначе оценка условий испытаний будет давать недопустимые погрешности. Поэтому оценку условий испытаний изделия на износ по интенсивности накопления этого вида повреждения получают экспериментальным путем на основе статистических данных ранее проведенных испытаний или путем специально поставленного эксперимента, в ходе которого определяется темп накопления износа на ограниченных участках в сравниваемых условиях. Для оценки условий испытаний на износ в рамках их планирования успешно применяется экспериментальный метод получения сравнительных характеристик, основанный на кратковременных исследованиях машины в стабильных условиях с одновременными измерением размеров деталей. В качестве примера использования метода рассмотрим структуру оценки условий износа элементов тормозных механизмов подъемно-транспортных устройств. Предварительно для исследования тормозных механизмов выбирают несколько эксплуатационных режимов, на которых предполагается вести испытания тормозов устройства на износ. Для каждого режима экспериментально устанавливают вариант движения (продолжительность и скорость движения, периодичность и интенсивность торможения и др.) Прохождение всех вариантов рассматривают как один цикл испытаний. Каждый цикл выполняется по схеме, приведенной на рис. 13.2. По разнице в размерах деталей оценивают величину износа. Отношение степеней износов при различных режимах и условиях испытаний дает значение удельного износа. Таким образом, приведенный метод определения влияния режимов и условий работы тормозных устройств на износ позволяет учесть при выборе условий испытаний степень их эквивалентности. Рис. 13.2. Структурная схема испытаний на изнашивание Усталостное разрушение элементов конструкции происходит вследствие колебаний массы машины при выполнении ею функциональной работы. Эти колебания происходят от неустановившихся режимов работы элементов машины, предрасположенных к усталостным разрушениям, которые с течением времени разрушаются и приводят к ее отказу. Хотя процесс изменения напряжений случаен, но имеющиеся в настоящее время методы позволяют его систематизировать и привести к гармоническому виду, для которого процессы развития усталостного повреждения неплохо изучены, и имеющиеся модели этого процесса позволяют с достаточной степенью точности формировать испытательные воздействия. Модель процесса усталостного повреждения детали основывается на основании учета ее свойств, а определение степени усталости и уровня переменных напряжений дает возможность оценить и сопоставить воздействия одного режима испытаний относительно другого. Первая попытка предсказать долговечность машины расчетным путем предпринята Ф. Вёлером. На основании анализа результатов испытаний осей железнодорожных вагонов Ф. Вёлер построил кривую зависимости механического напряжения в металле, приводящего к разрушению от числа циклов нагружения. Эта кривая послужила основной расчета долговечности деталей машин при циклических нагружениях. Кривая Велера описывается выражением: Ni(σi / σ–1)m = const, где Ni – количество циклов изменения напряжений i-го уровня при котором происходит разрушение элементов конструкции; σi – амплитуда напряжения i-го уровня, на которое производится расчет усталостной прочности деталей; σ–1 — амплитуда напряжения, ниже которого процесс накопления усталостного напряжения не происходит (предел усталостной прочности). Для деталей, изготовленных из металлов m ≈ 8. Кривая усталости материала под воздействием переменных нагрузок приведена на рис. 13.3. Рис. 13.3. Кривая Вёлера Из последнего уравнения видно, что долговечность (число циклов нагружения для определенного уровня σi) элементов конструкции определяется из выражения: . (13.1) В соответствии с представлениями о возникновении и развитии усталостного повреждения существует гипотеза, что уже при числе периодов нагружения ni, меньшем критического, Ni, при котором наступает разрушение, существует частичное повреждение Si ≈ ni/Ni. Если на конструктивный элемент действует нагрузка с различными амплитудами, то, согласно этой гипотезе, частичные повреждения от всех интервалов значений амплитуд должны суммироваться с целью получения результирующей степени повреждения S. . Предполагая, что результирующее повреждение не зависит от последовательности, с которой прикладываются знакопеременные нагрузки различной интенсивности, условие разрушения от усталости записывается в виде: , гдеNir — количество циклов до разрушения при непрерывном действий переменного напряжения на уровне r; r — количество различных уровней амплитуд. Значение Sk находится в пределах 0,8 ≤ Sk ≤1,4. Однако наблюдения деталей в реальных условиях эксплуатации показали, что S изменяется в еще больших пределах 0,5 ≤ Sk ≤ 2. Подстановка последнего условия в уравнение кривой усталости дает: , где Sk × const определяет нормативный ресурс детали. При эксплуатации или в условиях испытаний расходуется доля ресурса машины RP, являющаяся оценкой режима ее работы в этих условиях, и выражается в виде: . Учитывая, что механическое испытательное воздействие обычно имеет синусоидальную составляющую с некоторой постоянной частотой f0, в приведенных формулах можно перейти от числа циклов изменения нагрузки n ко времени воздействия переменных вибрационных нагрузок ti = ni / f0i . При линейно меняющихся шумоподобных, периодических, ударных и других циклических нагружениях характер накопления в элементах ОИ усталостных повреждений отличается от степени накопления повреждений при воздействии монохроматической вибрации. Поэтому оценку степени повреждения при таких испытательных воздействиях связывают с уровнем напряжений, возникающих в течение времени t с помощью коэффициентов повреждения k, т. е. например, выражение для израсходованного ресурса детали в этом случае будет иметь вид: . Коэффициент повреждения существенно зависит от вида испытательного воздействия и может отличаться для разных испытательных воздействий в десятки раз. Поэтому к упрощению методов проведения испытаний на усталостную прочность надо подходить очень осторожно, так как от выбора вида испытательного воздействия существенно зависит степень эквивалентности испытаний. Оценки долговечности деталей по приведенным выражениям носят приблизительный характер и не всегда могут быть использованы для оценки условий испытаний. Однако, если располагать сопоставимыми данными о долговечности детали при эксплуатации и в искусственных условиях, можно находить коэффициенты, которые компенсируют расчетные ошибки. Внимание! Авторские права на книгу "Испытания нефтегазового оборудования и их метрологическое обеспечение. Учебное пособие" (Под ред. Владимирова А.И., Кершенбаума В.Я.) охраняются законодательством! |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
