CC BY
11
тических центральных колеса 1, 2 и плавающие сателлиты 3. Оба центральных колеса имеют одинаковое число зубьев. Технический результат - разгрузка опор вала ротора.
Возможен также вариант N=3, М=3, К=6, показанный на рисунке 5, и другие варианты: N=4, М=4, К=8; N=5, М=5, К=10 и т.д. Однако смысла в увеличении числа волн свыше N=M=2 пока не видно.
Рисунок 4 - Роторная гидромашина (N=2, M=2, K=4) [4]
Рисунок 5 - Роторная гидромашина (N=3, М=3, К=6)
Работоспособность предлагаемых конструкций обеспечивается особой, нестандартной формой зубьев колес планетарного механизма. Изготовление соответствующих некруглых зубчатых колес в настоящее время реально с использованием 2Д-технологий (лазерная, гидрообразив-ная, электро-эррозионная резка листового материала).
Новые планетарно-роторные гидромашины могут применяться в насосах для перекачки нефти и мазута, в насосах для воды (буровых и пожарных), в насосах-дозаторах для различных жидкостей, в насосах и двигателях гидроприводов, в пневмодвигателях, в вакуумных насосах низкого вакуума.
Список литературы
1 Синтез, геометрические и прочностные расчеты планетарных
механизмов с некруглыми -зубчатыми колесами роторных гидромашин: автореф. дис. ... б-ра техн. наук. Томск, 2001. 35 с.
2 WO 0166948. A positive-displacement machine of gear type / Zhang
Quan, опубл. 13.09.01.
3 Пат. 2513057 РФ. Роторная гидромашина /Волков Г.Ю.,
№ 2011137057/11; заявл. 11.07.2012; опубл. 20.04.2014, Бюл. № 11. 14 с.
4 Заявка на полезную модель № 2014113740. Роторная гидромашина /
Волков Г.Ю., Курасов Д.А.; заявл. 08.04.13.
УДК 631.3.004.67:620.179.18
А.А. Иванов, С.Г. Тютрин
Курганский государственный университет
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО СВЕТОВОДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ИЗ ОЛОВЯННОЙ ФОЛЬГИ
Аннотация. Описаны результаты эксперимента по инструментальному контролю усталостных датчиков из оловянной фольги в процессе их циклического деформирования. Применен оптоэлектронный световодный преобразователь для бесконтактного контроля поверхности. Работа нацелена на обеспечение объективности результатов экспресс-диагностики уровня циклических напряжений деталей при малых затратах на изготовление датчиков.
Ключевые слова: оптоэлектронный световодный преобразователь, усталостный датчик.
A.A. Ivanov, S.G. Tyutrin Kurgan State University
THE USE OF OPTOELECTRONIC LIGHTGUIDE TRANSFORMER IN MONITORING FATIGUE LIFE GAUGES MADE OF TIN FOIL
Abstract. The article describes the experimental results of instrumental control of tin foil fatigue life gauges under cyclic deformation. The optoelectronic lightguide transformer was used for noncontact surface gauging. The paper focuses on ensuring objective results during fast testing the elements' cyclic stresses with low cost sensors.
Index terms: optoelectronic lightguide transformer, fatigue life gauge.
ВВЕДЕНИЕ
Предложенные в работе [1] усталостные датчики представляют собой фрагменты алюминиевой фольги, которые наклеиваются на контролируемую поверхность детали, деформируются вместе с нею, в результате чего в датчике накапливаются повреждения, появляются дислокации, микротрещины и другие проявления усталости, по которым, используя калибровочную кривую, можно определить размах действовавших циклических напряжений в реальных условиях эксплуатации.
Исследование [2], по сути, является прямым продолжением работы [1]. В нем рассмотрены эффекты образования следов скольжений и увеличения шероховатости поверхности алюминиевой фольги при использовании ее в качестве усталостного датчика в широком диапазоне температур (до +400°С). Предложено контроли-
ровать напряжения путём бесконтактного измерения шероховатости поверхности фольги. С этой целью был применен измеритель Mitsutoyo Surftest 101. Действие данного прибора основано на взаимосвязи шероховатости и отраженного от поверхности объекта света, который измеряется с помощью оптоволоконного преобразователя. Усредненная величина шероховатости на осевой линии измеряется в пределах круговой зоны диаметром 1,5 мм без повреждения поверхности. Показано, что точность такого способа определения напряжений с использованием алюминиевых усталостных датчиков составляет около 5 МПа. Для сравнения также был использован измеритель шероховатости механического типа.
Целью проведения настоящего исследования было оценить применимость оптоэлектронного световодного преобразователя для контроля усталостных датчиков из оловянной фольги.
1 Оптоэлектронные световодные преобразователи конструкции A.A. Иванова
A.A. Ивановым изготовлен портативный прибор для контроля усталостных датчиков, работа которого основана на использовании отраженного от поверхности датчика светового потока. Данное устройство выполнено на базе оптоэлектронного световодного преобразователя и обеспечивает измерение с помощью оптического щупа, соединённого световодом (через электрический кабель) с блоком преобразователей. При этом в оптический канал вводится инфракрасное излучение, а отражённое от датчика излучение через световод поступает на фотоприёмник, сигнал которого усиливается и направляется на индикатор.
Принципиальная схема данного прибора описана в работе [3], а его различные варианты исполнения были успешно применены ранее для контроля алюминиевых и медных датчиков.
Отличительной особенностью настоящей конструкции является утопленный торец световода вовнутрь щупа. Кроме того, прибор оснащен индикацией разряженнос-ти батареи. В качестве световода применён изготовленный по спецзаказу волоконно-оптический жгут, в котором волокна, используемые для освещения контролируемой поверхности, располагаются по периметру жгута коаксиального типа, а все остальные волокна используются для контроля отражённого потока. Диаметр световода составляет 3 мм. В качестве источника инфракрасного излучения использован светодиод AË107A (обеспечивает длину волны 953 нм, мощность - 5,5 мВт). В качестве фотоприёмника применен фотодиод ФД256Б. Схема работы световода представлена на рисунке 1.
1 2
1 - оптоволоконный жгут; 2 - латунная втулка;
3 - контролируемая поверхность Рисунок 1 - Схема работы оптического канала Как известно, отражение света может быть зеркаль-
ным и рассеянным. Для шероховатой поверхности зеркальная составляющая отражённого излучения увеличивается с увеличением длины волны света и угла падения [4]. Именно поэтому в описываемом приборе применяется инфракрасный свет при относительно малом (по отношению к диаметру световода) зазоре между оптоволоконным жгутом и контролируемой поверхностью.
2 Процедура тестирования оптоэлектронного световодного преобразователя
Предварительное тестирование прибора было проведено на фрагменте алюминиевой фольги «Саянская стандартная». Применение этой и подобной ей алюминиевой фольги весьма удобно, поскольку она имеет явно различающиеся блестящую и матовую поверхности. По результатам предварительного тестирования описанного оптоэлектронного световодного преобразователя были выявлены следующие его особенности:
1) наличие опорной латунной втулки 2 (рисунок 1) обеспечивает постоянство зазора между контролируемой поверхностью 3 и поверхностью оптических волокон 1, устраняет подсветку от внешнего освещения, но приводит к повреждению поверхности фольги;
2) абсолютные показания прибора с течением времени существенно изменяются (наблюдается дрейф показаний прибора).
В связи с этим щуп прибора был дооснащён капроновой насадкой, что обеспечивало возможность установки щупа на контролируемой фольге без её повреждения при нулевом зазоре между опорной латунной втулкой и фольгой, а также повышало устойчивость положения щупа на плоской контролируемой поверхности (рисунок 2).
\
Рисунок 2 - Оптоэлектронный световодный преобразователь
Для минимизации влияния дрейфа абсолютных показаний прибора фиксировали его относительные показания (по отношению к опорному уровню, полученному на эталонной поверхности). Данные каждого контроля получались в результате трёх замеров: эталонной поверхности, исследуемой поверхности и снова эталонной поверхности. При этом в качестве опорного уровня использовали усредненное значение двух замеров эталонной поверхности.
Тестирование прибора на блестящей поверхности указанной алюминиевой фольги (при использовании в качестве эталонной поверхности её матовой стороны) показало среднее значение прибора +88 при среднем отклонении 2. Тестирование прибора на матовой поверхности той же фольги (при использовании в качестве эталонной поверхности её блестящей стороны) показало
6
ВЕСТНИК КГУ, 2014. № 2
среднее значение прибора -87 при среднем отклонении 4. Интересно отметить, что с помощью прибора вих-ретокового контроля не удаётся установить существенного различия при контроле такой фольги со стороны блестящей или со стороны матовой поверхности.
3 Усталостные датчики из оловянной фольги и результаты их контроля
Впервые использовать оловянную фольгу для применения её в качестве усталостных датчиков предложено в работе [5]. В ней исследовалась проблема повышения чувствительности усталостных датчиков, был предложен критерий поиска усталостных датчиков высокой чувствительности. С помощью данного критерия для всех металлов таблицы Д.И. Менделеева был сделан прогноз о возможности их использования в качестве усталостных датчиков. В частности, согласно прогнозу [5], изготовление усталостных датчиков из олова должно значительно повысить их чувствительность к циклическим деформациям.
Подтверждение высокой чувствительности датчиков из олова получено в работах [6-9]. В соответствии с патентом [6] оловянное металлопокрытие напаивалось на контролируемую поверхность детали. В работе [7] использовалась оловянная фольга, изготовленная «по специально разработанной технологии». В работе [8] использовалась оловянная фольга, раскатанная из исходной фольги промышленного производства толщиной 50 мкм до толщины 15-20 мкм. А в работе [9] использовалась готовая оловянная фольга промышленного производства толщиной 20 мкм.
Основными проблемными моментами при оценке применимости оптоэлектронного световодного преобразователя для контроля усталостных датчиков из оловянной фольги были: 1) в зависимости от типа источника света (лампа накаливания или светодиод), цветности и угла падения светового луча на контролируемую поверхность оловянной фольги появляющиеся следы дислокаций на ней могут быть не только более тёмными, но и более светлыми по сравнению с исходным фоном; 2) в зависимости от направления освещения контролируемой поверхности оловянной фольги (вдоль или поперёк следов дислокаций) появляющиеся следы дислокаций на ней могут быть более заметными или менее заметными на исходном фоне.
Испытания усталостных датчиков из оловянной фольги были проведены на калибровочном образце (сталь 40ХН, твёрдость поверхности 45 ИРО) с квадратным поперечным сечением рабочей части [10]. Эксперимент был проведён по схеме изгиб с вращением на машине МУИ-6000 при частоте 200 об/мин. Использовались усталостные датчики размером 7х21 из оловянной фоль-
ги промышленного производства толщиной 20 мкм с дополнительным отжигом при 200°С. Перед началом испытаний поверхность датчиков полировалась алмазной пастой. А эталонный образец в виде фрагмента алюминиевой фольги был наклеен на испытуемый стальной образец матовой стороной наружу. (Величины действующих напряжений на поверхности образца были ниже повреждающих напряжений для алюминиевой фольги.)
Результаты эксперимента приведены в таблице 1 в виде усреднённых величин замеров. Амплитуда напряжений на поверхности образца (при симметричном цикле) составляла 102,8 МПа. Вид датчика после 10 тыс. циклов нагружения показан на рисунке 3.
Рисунок 3 - Следы дислокаций на оловянном усталостном датчике (слева - миллиметровая бумага)
Приведённые в таблице 1 результаты показывают, что оптоэлектронный световодный преобразователь реагирует на изменение состояния поверхности оловянных усталостных датчиков, начиная с ранней стадии их циклического деформирования. Ввиду имеющегося разброса показаний уверенная фиксация изменения поверхности датчиков достигается после значительных внешних повреждений, видимых острым зрением человека на фоне полированной поверхности при хорошем освещении. Данный метод является несколько более оперативным по сравнению с вихретоковым методом контроля усталостных датчиков [8] и расширяет возможности применения усталостных датчиков [11; 12] в условиях эксплуатации и ремонта машин и механизмов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Описанный оптоэлектронный световодный преобразователь позволяет контролировать изменение диа-
К, цикл А V Примечание
среднее значение среднее отклонение
50 +1,9 4,4 Следы дислокаций трудно различимы при увеличении 98х
100 -2,5 2,6 Следы дислокаций легко различимы при увеличении 98
250 -6,2 0,8 Следы дислокаций трудно различимы невооружённым глазом (в лабораторных условиях)
500 -7,8 2,4 Следы дислокаций легко различимы невооружённым глазом (в лабораторных условиях)
1000 -6,6 1,3
3000 -20,3 6
5000 -31,5 3,8
10000 -37,1 5
Таблица 1 - Изменение показаний ДУ оптоэлектронного световодного преобразователя при контроле поверхности оловянного усталостного датчика
г-ностических параметров оловянных усталостных датчиков в зависимости от амплитуды действующих напряжений и числа циклов нагружения.
Применение усталостных датчиков и бесконтактного метода их контроля обеспечивает объективность результатов диагностики уровня циклических напряжений деталей машин и механизмов при малых затратах на изготовление датчиков.
Список литературы
1 Fricke W. G, jr. Fatigue Gages of Aluminum Foil // Proceedings of the
American Society for Testing and Materials. V. 62 (1962). P. 268-269.
2 Nagase Y., Nakamura T., Nakamura Y. Fatigue Gauge Utilizing Slip
Deformation of Aluminum Foil (Slip Initiation and Surface Roughening Phenomena under Uniaxial Stressing) // JSME International Journal. Series I. Vol. 33. 1990. No. 4. R 506-513.
3 Кузнецов B.П., Сызранцев B.H., Иванов A.A. Применение
оптоэлектронного световодного преобразователя для оценки состояния плёночных датчиков деформации //Датчики электрических и неэлектрических величин (Датчик-93): тез. докл. I Meждунаp. конф. Барнаул: Aлтайcкий гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, 1993. Ч. 1. С. 49-50.
4 Справочник технолога-оптика: справочник /И.Я. Бубис,
B.A. Beйдeнбаx, И.И. Духопел и др.; под общ. ред.
C.M. Кузнецова и M.A. Окатова. П.: Mашиноcтpоeниe, Пенингр. отд-ние, 1983. 414 с.
5 ^трин С.Г. Aнализ условий работы материала датчика усталости
в системе датчик-образец. Курган: Курганский гос. ун-т, 1999. Деп. в BИHИTИ 14.12.99, N3685-B99.
6 Пат. 2197722 RÔ, MПK G 01 N 3/32, C 23 C 2/08. Способ определения
амплитуды циклической деформации детали/ ^трин С. Г., Tютpин П. С. (RÔ); Курганский государственный университет (RÔ). №2000124502/28; заявл. 25.09.2000; опубл. 27.01.2003. Бюл. №3.
7 Tpоцeнко ДЛ., Давыдов A.К., Писихин И.B., Зайцев A.H. Hовый
датчик деформаций интегрального типа //Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: материалы научно-технической конференции «Датчик-2004». M.: MИЭM, 2004. С. 198-199.
8 ^трин С.Г., Mанило И.И., Городских A.A., Герасимов C.B.
Усталостный датчик из оловянной фольги // Tpактоpы и сельхозмашины. 2013. №9. С. 82-84.
9 ^трин С.Г. Оловянная фольга как инструмент эксплуатационного
контроля //Tpуды ГOCHИTИ. M.: ГOCHИTИ. 2013. T. 113. С. 169-172.
10 ^трин С.Г. Калибрование усталостных датчиков при
асимметричных циклах напряжений работы деталей сельскохозяйственной техники // Tpактоpы и сельхозмашины. 2012. №4. С. 39-41.
11 Tютpин С.Г., ^трина Ë.H. Texничecкая диагностика
металлическими покрытиями // Becтник Курганского государственного университета. Серия «Texничecкиe науки». 2010. Bbm. 5. №1(17). С. 11-12.
12 ^трин С.Г. Aнализ эксплуатационных напряжений деталей машин
с помощью теоремы Байеса //Becтник Курганского государственного университета. Серия «Texничecкиe науки». 2013. Bbm. 8. №2(29). С. 20-21.
УДК 621.86.065.4+531
C.B. Марфицын, В.П. Марфицын
Общество с ограниченной ответственностью
«ДЕЛЬТА»
МОДЕРНИЗАЦИЯ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ УСТЬЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Аннотация. В статье рассматривается вопрос о модернизации стенда для испытания устьевого оборудования. При испытании требуется завинчивание большого количества гаек большого диаметра, что очень трудоемко. Предлагаемая конструкция стенда позволяет избежать этой операции за счет применения патента RU 2416751C1.
Kлючeвыe слова: испытания, устьевое оборудование, преимущества.
S.V. Marfitsyn, V.P. Marfitsyn Kurgan State University
MODERNIZATION OF THE WELL HEAD EQUIPMENT TEST STAND
Abstract. The article considers the problem of modernization of the well head equipment test stand. For the test a large number of big diameter nuts must be screwed on, which is very time consuming. The offered design of the stand allows avoiding this operation through the use of RU 2416751C1 patent.
Index terms: testing, wellhead equipment, advantages.
Особенностью устьевого оборудования является то, что оно работает при больших давлениях порядка 14-140 МПа [1]. Поэтому многие требования, предъявляемые к сосудам под давлением, справедливы для устьевого оборудования. При испытаниях в заводских условиях устьевое оборудование имеет корпус и крышку, то есть представляет собой фактически сосуд под давлением. При этом оно имеет устройство фланцевого соединения с крепежными элементами (шпильки). Завинчивание шпилек с резьбой М42х3-М76х4 даже с помощью гайковерта - очень трудоемкая операция. Обращаясь к аналогии сосудов и аппаратов под давлением, можно сказать, что можно применить быстродействующий затвор. В работе [2] сказано: «Характерной чертой, делающей затвор быстродействующим, является совмещение всех операций открывания и закрывания крышки в одну или две». К таким затворам относятся байонетные затворы, применяемые в сосудах и аппаратах под давлением не один десяток лет. Их недостатком является то, что они применяются для давлений не более 10 МПа. В байонет-ных затворах закрывание и открывание крышки производится за две операции: поворот крышки и прижатие крышки. Однако они неудобны в тех случаях, когда требуется сравнительно часто производить разъем соединения.
Альтернативным вариантом байонетным затворам сосудов под давлением является изобретение RU 2416751C1 [3], в котором закрывание и открывание крышки производится не за две операции, а за одну, в том числе и сжатие прокладки усилием, необходимым для герметичности, которое в устьевых устройствах достигают больших величин.
На рисунке 1 изображен фрагмент стенда с использованием вышеупомянутого изобретения. При вращении зубчатого колеса 5 через резьбу 4 передается усилие наружному силовому кольцу 2, которое, воздействуя через клин, заставляет поворачиваться захват 1 вокруг своей оси. Захват в свою очередь действует на фланец испытуемого устьевого устройства 6, который прижимается к фланцу испытательного стенда.
Для примера рассмотрим фланцевое соединение йу = 350мм; Ру= 35МПа [3], где йу - условный диаметр, Ру - условное давление.
Внутренняя расчетная площадь фланца:
nd® тгО.ЗЗГ
S = —=---= 0,1140 V.
4 4
Сила давления на крышку:
F = 35МПа. Ч 0,1140 = 3914514 Н.
Расчетная сила, действующая на захваты 3,914 МН.
Число захватов - 16.
Сила, приходящаяся на один захват:
в
ВЕСТНИК КГУ, 2014. № 2
