Определение напряжений в экстремальных условиях методом хрупких тензочувствительных покрытий

Одним из основных условий обеспечения прочности, надежности и долговечности разрабатываемых несущих конструкций и рабочих органов изделий на стадиях их проектирования и отработки является подробный и точный анализ общего и местного напряженно-деформированного состояния (НДС), как регулярных, так и нерегулярных зон конструкций. Это достигается использованием современных численных методов, мощной вычислительной техники с проведением комплексной программы экспериментальных исследований на образцах, моделях и натурных конструкциях с применением различных методов и средств определения полей деформаций и напряжений. Наиболее широкое распространение среди этих методов получила натурная тензометрия. Однако, использование одного лишь этого метода не всегда позволяет получить полную информацию о НДС конструкции и выявить зоны действия максимальных напряжений, так как каждый тензодатчик дает лишь точечную информацию о уровне деформации в месте его установки. Поэтому при анализе НДС сложных конструкций наряду с тензометрией целесообразно использовать методы, дающие интегральную картину распределения деформаций и напряжений: хрупкие и фотоупругие покрытия, метод муаровых полос и голографическую интерферометрию. Как показал практический опыт проведения исследований машиностроительных конструкций и энергооборудования в ходе их натурных и стендовых испытаний, наиболее эффективным является метод хрупких тензочувстви-тельных покрытий. Сущность метода заключается в получении в тонком слое тензочув-ствительпого покрытия картин трещин (Рис.1), отражающих поле наибольших главных напряжений, возникающих на поверхности конструкции в процессе ее нагружения. Анализируя образующиеся в хрупком покрытии картины тре1цин можно не только оценить нагруженность различных зон исследуемой конструкций и установить там направления действия главных напряжений, но и с применением характеристик тензо-чувствительности используемого покрытия определить уровень этих напряжений с погрешностью не большей 20−25%.

Наибольшее распространение, как у нас в стране, так и за рубежом получили хрупкие канифольные покрытия лакового и порошкового способов нанесения. Исследования с применением этих покрытий при проектировании и доводке машиностроительных конструкций по условиям прочности и снижения металлоемкости отражены в работах Н. И. Пригоровского, В. К. Панских, А. Дюрелли, Г. Эллиса и других авторов.

В Институте машиноведения работы по совершенствованию и применению хрупких покрытий велись, начиная с 1941 г., под руководством профессора Н. И. Пригоровского. Основным недостатком канифольных покрытий является высокая их чувствительность к температуре и влажности среды. При испытаниях температура должна быть в пределах 10−40°С, а влажность 20−90%. К тому же средой испытания может быть только воздух или вакуум, не содержащий паров масла и влаги. Разработанные в Институте машиноведения оксидные покрытия менее чувствительны к климатическим условиям и среде испытания, и могут быть использованы для проведения экспериментов в достаточно широком температурном диапазоне от -200°С до +200°С. Выращиваемые на алюминиевой фольге, посредством ее электрохимического анодирования, оксидные покрытия весьма сложны в получении на криволинейных поверхностях. Это обстоятельство стало препятствием их широкому использованию при исследовании НДС элементов изделий, работающих в экстремальных условиях при криогенных и высоких температурах, в высокоскоростных потоках рабочей среды, сильных электромагнитных полях. Такие условия например, имеют место при работе роторных деталей турбонасосных агрегатов (ТНА) реактивных двигателей, в элементах конструкций термоядерных установок типа «Токамак». Поэтому актуальной задачей являлась разработка хрупких тензочувстви-гельных покрытий технологически простых в получении, и пригодных для проведения исследований в экстремальных условиях испытаний.

Для проведения исследований полей деформаций и напряжений в экстремальных условиях испытаний наиболее интересны хрупкие покрытия на основе легкоплавких стекол. Эти покрытия имеют достаточно высокую температуру размягчения, не менее 400 °C, и химически устойчивы к воздействию большинстваслабоагрессивных сред, в том числе к воде, маслу и их парам. Разработке хрупких тензочувствительных стекло-эмалевых покрытий (ХТСП) для исследования полей деформаций и напряжений на поверхности деталей в широком диапазоне температур от -250°С до +400°С, в условиях воздействия на покрытие высокоскоростных потоков жидкости или газа, и посвящена настоящая работа.

Работа выполнялась по заказу предприятий ракетно-космической промышленности для проведения исследований при криогенных и высоких температурах роторных деталей ТНА жидкостных реактивных двигателей системы «Энергия-Буран». Разработанные покрытия и методика их применения могут быть использованы для анализа НДС и других конструкций, находящихся при работе в экстремальных условиях.

Таким образом, целью настоящей работы являлась разработка нового типа хрупкого покрытия — ХТСП, и методики его применения для анализа полей деформаций и напряжений в конструкциях, работающих при температурах от -250°С до +400°С, в условиях воздействия на покрытие высокоскоростных потоков жидких или газообразных сред, в том числе сжиженных газов, воды, масла и их паров. В соответствии с этим в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработаны составы легкоплавких стекол для получения ХТСП на деталях из жаростойких сталей, титановых и никелевых сплавов, а также любых других жаростойких материалов с коэффициентами теплового расширения от 8.10~61/°С до 16.10−61 /°С в температурном диапазоне -250 +400°С.

2. Разработана технология получения стеклоэмалевых тензопокрытий с заданными характеристиками на образцах и деталях из жаростойких материалов.

3. Развита методика определения значений деформаций и напряжений на поверхности деталей по полученным в ХТСП картинам трещин с применением различных характеристик тензочувствительности хрупкого покрытия.

4. Изучены тепловые и физико-механические характеристики стеклоэмалевых тензопокрытий, установлены зависимости характеристик тензочувствительности ХТСП от технологических параметров, параметров внешней среды и длительности приложения нагрузки.

5. Разработана методика и проведены исследования НДС роторов ТНА реактивных двигателей при разгонных, криогенных и гидравлических испытаниях.

Содержание выполненной работы изложено в пяти главах данной диссертации.

В первой главе дан анализ известных типов хрупких покрытий. Рассмотрены возможности их использования для проведения исследований полей деформаций и напряжений в экстремальных условиях испытаний. На основании анализа опубликованных работ и выполненных поисковых исследований выбрано покрытие наиболее полно отвечающее требованиям ири испытаниях в экстремальных условиях, и имеющее наиболее простую и дешевую технологию изготовления. Показано, что в наибольшей степени этим требованиям отвечают стеклоэмалевые покрытия. Рассмотрен характер изменения термоупругих напряжений, возникающих в стеклоэмалевом покрытии после обжига при охлаждении от температуры стеклования (Tg) до температуры проведения испытаний (Ти). Исходя из равенства деформаций в покрытии и детали на границе их скрепления, и используя уравнения термоупругости, были получены зависимости, связывающие главные напряжения в покрытии с напряжениями на поверхности детали. Анализ последних позволил установить, как влияет расхождение значений коэффициентов теплового расширения эмали покрытия и материала детали в диапазоне Ти — Tg на уровень начальных напряжений в покрытии. Исходя из требований, предъявляемых к стеклоэмалям хрупких покрытий, условий их применения, технологии эмалирования и особенностей поведения жаростойких сталей и сплавов при повышенных температурах, определены свойства, которыми должны обладать стекла для получения ХТСП.

Во второй главе рассмотрены стекла, разработанные для получения ХТСП на образцах и деталях из жаростойких сталей, титановых и никелевых сплавов, а также других жаростойких материалов с коэффициентом теплового расширения от 8.10~61/°С до в диапазоне 20 * 400 °C. Приведены составы и теплофизические характеристики разработанных серий стекол. Показана возможность регулирования теплофизиче-ских характеристик стекол за счет изменения их состава. Рассмотрена технология изготовления стекол, получения стеклопорошков и нанесения их на эмалируемую поверхность образцов и деталей. На примере получения стеклоэмалевого тензопокрытия на поверхности колеса насоса ТНА изложена технология обжига и охлаждения эмалируемых деталей для формирования ХТСП с требуемыми свойствами и характеристиками.

В третьей главе рассмотрены тепловые и механические характеристики ХТСП. На основании полученных экспериментальных данных установлены границы интервала согласования коэффициентов теплового расширения стекла ХТСП и материала детали, в котором возникающие в покрытии начальные напряжения сжатия не приводят к закрытию трещин при снятии нагрузки с подложки, а напряжения растяжения не вызывают самопроизвольного их образования при снижении температуры покрытия ниже Tg. Эксперименты, проведенные по замеру прогибов тонких эмалированных полос показали, что коэффициент теплового расширения стеклоэмалевого покрытия на (5−6)-10″ 7 1/°С больше коэффициента теплового расширения стекла, используемого для его получения. Рассмотрен процесс разрушения хрупкого покрытия от момента образования первых трещин в ХТСП до начала отслаивания стеклоэмали. Установлены расчетно-экспери-ментальные зависимости между характеристиками тензочувствительности ХТСП: величиной пороговой деформации 80, пороговым напряжением а0, напряжением отслаивания С7е и численностью трещин? в покрытии. Показана зависимость характеристик тензочувствительности ХТСП от соотношения главных напряжений в подложке. Изучено влияние технологических параметров, а также параметров внешней среды и длительности приложения нагрузки на характеристики тензочувствительности.

В четвертой главе рассмотрена методика проведения исследований с применением сгеклоэмалевых тензопокрытий, технология детектирования трещин в ХТСП. Выполнен анализ погрешностей, возникающих при оценке значений наибольших главных напряжений по картинам трещин в ХТСП с применением характеристик тензочувствительности покрытия. Рассмотрены причины возникновения ошибок при определении характеристик тензочувствительности покрытия на поверхности исследуемой детали по результатам тарировочных испытаний ХТСП на образцах. Изложена методика оценки характеристик тензочувствительности покрытия на поверхности исследуемой детали. На примере исследования НДС плоских дисков по результатам их разгонных испытаний проведена оценка точности определения наибольших главных напряжений с применением ХТСП.

В пятой главе рассмотрены некоторые примеры применения хрупких стеклоэмале-вых тензопокрытий для исследования НДС роторов турбонасосных агрегатов от действия центробежных сил, гидродинамической и тепловой нагрузок. Эксперименты проводились в ходе стендовых испытаний роторов, в т. ч. разгонных, криогенных и гидроиспытаний в составе ТНА при прокачке модельной среды. При этих испытаниях моделировались инерционные, гидродинамические и тепловые нагрузки, имеющие место на режимах работы ТНА в составе реактивного двигателя. По результатам проведенных экспериментов выполнен анализ напряженного состояния в зонах трещи-нообразования ХТСП. Проведено сопоставление выявленной с применением ХТСП информации о распределении наибольших главных напряжений в наиболее нагруженных зонах исследованных конструкций с результатами, полученными в ходе динамического тензометрирования и расчета роторов численными методами. На основании полученных с применением ХТСП данных были выявлены наиболее вероятные места разрушения и определены предельные скоростные режимы работы роторов.

В заключении приведены основные научные и практические результаты, выполненных по теме диссертации работ. Отмечено, что использование разработанных покрытий и методики их применения не ограничивается рассмотренными в диссертации типами конструкций и, очевидно, имеет более широкую область приложения.

Научная новизна заключается в следующем:

1) разработаны новые составы хрупких стеклоэмалевых покрытий и технология их применения для определения деформаций и напряжений в деталях из жаростойких материалов в широком диапазоне температур;

2) исследованы тепловые и физико-механические свойства, а также характеристики тензочувствительности разработанных хрупких покрытий;

3) получены новые данные об особенностях напряженно-деформированного состояния конструкций роторов ТНА ракетных двигателей от действия различного вида нагрузок.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные хрупкие стеклоэмалевые тензопокрытия расширили область применения метода хрупких покрытий, сделав возможным анализ деформаций и напряжений в конструкциях, работающих в экстремальных условиях при криогенных и высоких температурах, в условиях воздействия на покрытие высокоскоростных потоков жидкости или газа. Разработанная методика определения напряжений и деформаций по картинам трещин в ХТСП с использованием различных характеристик тензочувствительности расширила объем информации, получаемой с помощью тензопокрытий, сделала возможным количественный анализ НДС по результатам одного испытания. Стеклоэмалевые тензопокрытия были использованы для анализа напряжений и деформаций в конструкциях роторов ТНА реактивных двигателей при их стендовых испытаниях, в том числе разгонных, криогенных и гидравлических.

По материалам диссертации опубликовано семь научных работ [113, 115−117, 131 133], получено два авторских свидетельства [95, 98] и патент на изобретение [134].

Автор благодарен чл.-кор. РАН H.A. Махутову, докт. техн. наук Б. Н. Ушакову за научную, техническую и организационную поддержку на всех этапах выполнения работы. Автор отмечает особый вклад проф., докт. техн. наук Н. И. Пригоровского в постановку и организацию проведения исследований по теме настоящей диссертации, а также канд. техн. наук В. К. Панских, чья инициатива существенно содействовала проведению данной работы.

Настоящая работа выполнена в Лаборатории исследования полей деформаций Института машиноведения РАН, под научным руководством чл.-кор. РАН H.A. Махутова и докт. техн. наук Б. Н. Ушакова.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 .Разработаны хрупкие тензочувствительные стеклоэмалевые покрытия и методика их применения для проведения исследований напряженно-деформированного состояния деталей машин в экстремальных условиях испытаний. Стеклоэмалевые тензопокрытия позволили расширить область применения метода хрупких покрытий, сделали возможным его использование в высокоскоростных потоках жидкости или газа при температурах от -250°С до +400°С. Разработанная методика использования получаемой с применением ХТСП информации расширила возможности метода хрупких покрытий. Это позволило получить новые сведения о напряженно-деформированном состоянии и прочности роторных Деталей турбонасосных агрегатов в условиях ограниченного количества проводимых экспериментов.

2.Разработаны две серии легкоплавких стекол для получения ХТСП на деталях из жаростойких сталей, титановых и никелевых сплавов, а также других жаропрочных материалов с коэффициентами теплового расширения от 8Т0−61/°С до 16Т0−61/°С в диапазоне -250-ь400°С. Разработана технология получения стеклоэмалевых тензопокрыгий на образцах и деталях с заданными свойствами и характеристиками.

3.Изучены тепловые и физико-механические характеристики стеклоэмалевых тен-зопокрытий. Установлены расчетно-экспериментальные зависимости между характеристиками тензочувствительности ХТСП и уровнем напряжения сг, на поверхности детали, а также соотношением главных напряжений в подложке. Установлены зависимости характеристик тензочувствительности ХТСП от технологических параметров, параметров внешней среды и длительности приложения нагрузки.

4.Разработана методика проведения исследований напряженно-деформированного состояния сложных натурных деталей с применением стеклоэмалевых покрытий. Разработана методика выявления трещин в ХТСП с применением электростатически заряженных частиц эпоксидной смолы.

5.Выполнен анализ погрешностей, возникающих при определении значений наибольших главных напряжений по картинам трещин в ХТСП с применением характеристик тензочувствительности. Изложена методика определения характеристик тензочувствительности стеклоэмалевого покрытия на поверхности исследуемой детали и произведена оценка точности их определения по этой методике.

6.С применением разработанных тензопокрытий и методики их применения выполнены исследования напряженно-деформированного состояния роторных деталей ТНА ракетных двигателей от действия центробежных сил, гидродинамических и тепловых нагрузок. Эксперименты проводились в ходе стендовых испытаний роторов, в т. ч. разгонных, криогенных и гидроиспытаний в составе ТНА. Получены новые данные о распределении и концентрации напряжений в наиболее нагруженных зонах исследованных конструкций. Проведено сопоставление выявленной с применением ХТСП информации о распределении наибольших главных напряжении с результатами динамического тензометрирования и расчета роторов численными методами. Наибольшее расхождение напряжений, установленных по данным хрупких покрытий и тензометрии, не превышало 20% от значений последних, тогда как расхождение между расчетными и экспериментальными значениями напряжений достигало 25−30%.

7.Разрабоганные хрупкие покрытия и методика их использования были внедрены в производственный цикл работ, выполняемый в КБХА при прочностной отработке роторных деталей ТНА, а также применены при исследовании образцов и деталей спецконструкций на стендах ЦНИИМАШ и НИИХИММАШ. Следует отметить, что ХТСП и методика их применения, очевидно, может быть использована для анализа полей деформаций и напряжений не только рассмотренных в настоящей диссертации типов конструкций, но и любых других элементов изделий из жаростойких материалов, если испытания проводятся при температурах от -250°С до +400°С, а средой испытания не являются сильные кислоты и щелочи.