RU2209412C2

RU2209412C2 - Method of manufacture of strain gauge to check cyclic deformations

Info

Publication number: RU2209412C2
Application number: RU2001106711A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Сызранцев
Original assignee: Сызранцев Владимир Николаевич
Priority date: 2001-03-11
Filing date: 2001-03-11
Publication date: 2003-07-27

Abstract

FIELD: measurement of deformations and stresses on surfaces of parts of machines subjected to cyclic deformation. SUBSTANCE: method of manufacture of strain gauges to check cyclic deformations consists in that electrolytic foil of plastic homogeneous material, for instance, copper, aluminum, nickel, silver or gold, is cut into separate plates which are subjected to cyclic deformation under known functions of change of stress amplitude along and transverse to plate till emergence of response of plate material to maximum stress amplitude is visualized when boundary of areas of variable damage of plate material and first black spots on plate surface achieves certain location while shifting along plate surface in process of measurement of checked cyclic deformations. EFFECT: reduced labor input to examination of state of parts, increased accuracy of method. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для решения задач измерения деформаций и напряжений на поверхностях деталей машин, подвергаемых циклическому деформированию, и задач прогнозирования ресурса деталей и металлоконструкций машин. The invention relates to measuring equipment and is intended to solve the problems of measuring deformations and stresses on the surfaces of machine parts subjected to cyclic deformation, and the tasks of predicting the life of parts and metal structures of machines.

Известен способ изготовления датчиков для контроля циклических деформаций методом гальванического меднения (а. с. SU 1191730 А, опубликованное 15.11.1985, G 01 B 7/18, 3 стр.), заключающийся в том, что металлическую пластинку подвергают гальваническому меднению в электролите, содержащем 125-250 г/л CuSO₄•5Н₂О и 20-70 г/л H₂SO₄, при плотности тока от 100 А/м² до предельной катодной диффузионной плотности тока и температуре 3...40^oС для получения покрытия толщиной 5...30 мкм, снимают с пластины полученное покрытие и разрезают его на части, которые используют в качестве датчиков деформаций для реализации способов измерения напряжений.A known method of manufacturing sensors for monitoring cyclic deformations by galvanic copper plating (a.s. SU 1191730 A, published 11/15/1985, G 01 B 7/18, 3 pages), which consists in the fact that the metal plate is subjected to galvanic copper plating in an electrolyte, containing 125-250 g / l CuSO ₄ • 5Н ₂ О and 20-70 g / l H ₂ SO ₄ , at a current density of 100 A / m ² up to the limiting cathodic diffusion current density and a temperature of 3 ... 40 ^o С for to obtain a coating with a thickness of 5 ... 30 microns, remove the resulting coating from the plate and cut it into parts that are used as yes strain gauges for implementing stress measurement methods.

При измерении напряжений датчиками деформаций они наклеиваются на исследуемое место детали, которая подвергается циклическому деформированию. В результате воздействия циклических деформаций структура материала датчика изменяется и на его поверхности возникает реакция в виде "темных пятен". Момент появления первых "темных пятен" и первых зерен измененной структуры материала датчика, а также их плотность и размеры коррелируют с числом циклов и амплитудой циклических деформаций (Сызранцев В.Н. Методы экспериментальной оценки концентрации циклических деформаций и напряжений на поверхностях деталей машин. Учебное пособие. - Курган: КМИ, 1993. - С.22-32). When measuring stresses with strain gauges, they are glued to the part under study, which undergoes cyclic deformation. As a result of cyclic deformation, the structure of the sensor material changes and a reaction in the form of "dark spots" occurs on its surface. The moment of appearance of the first "dark spots" and the first grains of the changed structure of the sensor material, as well as their density and size, correlate with the number of cycles and the amplitude of cyclic deformations (Syzrantsev V.N. Methods of experimental estimation of the concentration of cyclic deformations and stresses on the surfaces of machine parts. . - Kurgan: KMI, 1993. - P.22-32).

Датчики деформаций, изготовленные по описанному способу, имеют следующие недостатки. По всей поверхности датчиков, изготовленных из покрытия, чувствительность их к амплитуде циклических деформаций является величиной постоянной. При измерении напряжений и прогнозировании ресурса с помощью таких датчиков необходимо зафиксировать момент появления на датчиках реакции (например, первых "темных пятен"), что в процессе эксплуатационных испытаний детали реализовать сложно, а в ряде случаев, невозможно по условиям испытаний. Возникновению реакции на датчике всегда предшествует период циклического деформирования детали с датчиком, продолжительность которого заранее определить сложно, поскольку она может изменяться, в зависимости от априори неизвестного уровня напряжений, от нескольких тысяч до нескольких миллионов циклов деформирования. Deformation sensors made by the described method have the following disadvantages. Over the entire surface of the sensors made of the coating, their sensitivity to the amplitude of cyclic deformations is a constant value. When measuring voltages and predicting the life using such sensors, it is necessary to fix the moment of appearance of the reaction (for example, the first "dark spots") on the sensors, which is difficult to implement in the process of operational testing, and in some cases is impossible according to the test conditions. The reaction on the sensor is always preceded by a period of cyclic deformation of the part with the sensor, the duration of which is difficult to determine in advance, since it can vary, from a priori unknown stress levels, from several thousand to several million deformation cycles.

Для снижения трудоемкости проведения исследований деталей по информации с датчиков и повышения точности оценки их реакции применяют следующий способ получения датчиков. To reduce the complexity of conducting research on parts according to information from sensors and improve the accuracy of evaluating their reactions, the following method of obtaining sensors is used.

Электролитическую фольгу из пластичного однородного материала, например из меди, алюминия, никеля, серебра или золота, разрезают на отдельные пластины. Пластины подвергают циклическому деформированию при известных функциях изменения амплитуды напряжений вдоль и поперек пластины до возникновения реакции материала пластины на максимальную амплитуду напряжений. Эта операция аналогична процессу тарировочных испытаний датчиков, например, путем циклического деформирования на машине усталостных испытаний МУИ-6000 цилиндрических образцов, на конической рабочей части которых помещены датчики (Сызранцев В.Н. Методы экспериментальной оценки концентрации циклических деформаций и напряжений на поверхностях деталей машин. Учебное пособие. - Курган: КМИ, 1993. - с.22-28). О реакции материала пластины судят по достижению определенного местоположения границы областей переменной повреждаемости материала пластины и первых "темных пятен" на ее поверхности. То есть пластины, датчики контроля циклических деформаций, изготовленные по предлагаемому способу, на части своей поверхности уже имеют границу реакции, а на остальной поверхности имеют накопленные повреждения, определяемые на основе известных при изготовлении датчиков числе циклов нагружения и законов изменения напряжений вдоль и поперек пластины (Сызранцев В.Н., Добрынько А.В. Методы прогнозирования долговечности деталей по показаниям датчиков деформаций интегрального типа: Учебное пособие. Курган: КМИ, 1993. - с.46-54). Отмеченное отличие датчиков позволяет при их использовании обеспечить регистрацию реакции в любой момент прерывания испытаний исследуемой детали путем фиксирования величины смещения границы реакции по поверхности датчика по мере циклического деформирования детали. При этом полностью исключается инкубационный период работы датчика, имеющий место для прототипа. Вместо многократного осмотра датчиков прототипа во время проведения исследований нагруженности и ресурса деталей на предмет установления реакции, предлагаемый датчик позволяет получить информацию, по существу, за одно прерывание испытаний, что коренным образом снижает трудоемкость экспериментальных работ. Поскольку граница реакции на датчике имеется уже до начала исследований, то погрешность регистрации напряжений по показаниям датчиков, присущая прототипу, связанная с необходимостью четкой фиксации числа циклов нагружения, соответствующего появлению реакции на датчике, отсутствует, что влечет за собой увеличение точности измерений. An electrolytic foil of a plastic homogeneous material, for example of copper, aluminum, nickel, silver or gold, is cut into individual plates. The plates are subjected to cyclic deformation with known functions of changing the amplitude of the stresses along and across the plate until the reaction of the plate material to the maximum amplitude of the stresses. This operation is similar to the process of calibration tests of sensors, for example, by cyclic deformation of a cylindrical specimen on the MUI-6000 fatigue testing machine, on which the sensors are placed on the conical working part (Syzrantsev V.N. Methods of experimental evaluation of the concentration of cyclic deformations and stresses on the surfaces of machine parts. allowance .-- Kurgan: KMI, 1993. - p.22-28). The reaction of the plate material is judged by reaching a certain location of the boundary of the areas of variable damage to the plate material and the first "dark spots" on its surface. That is, plates, cyclic deformation control sensors made by the proposed method, already have a reaction boundary on a part of their surface, and accumulated damage on the rest of the surface, determined on the basis of the number of loading cycles and the laws of stress changes along and across the plate (known in the manufacture of sensors) Syzrantsev V.N., Dobrynko A.V. Methods for predicting the durability of parts according to the readings of integral type strain sensors: Textbook. Kurgan: KMI, 1993. - p. 46-54). The marked difference between the sensors allows, when used, to ensure the registration of the reaction at any time of interruption of the test of the investigated part by fixing the magnitude of the displacement of the reaction boundary along the surface of the sensor as the part is cyclically deformed. This completely eliminates the incubation period of the sensor, which takes place for the prototype. Instead of repeatedly inspecting the sensors of the prototype during the study of the loading and resource of parts for the establishment of a reaction, the proposed sensor allows you to obtain information essentially for one interruption of the tests, which radically reduces the complexity of the experimental work. Since the reaction boundary on the sensor exists already before the start of research, there is no error in registering stresses according to sensor readings inherent in the prototype, which is associated with the need to clearly fix the number of loading cycles corresponding to the appearance of a reaction on the sensor, which entails an increase in measurement accuracy.

Пример реализации способа изготовления датчиков контроля циклических деформаций с переменной (обеспечиваемой на этапе изготовления датчиков) поврежденностью. В качестве исходной для датчиков использовалась алюминиевая фольга (пластина размером 45•45 мм), подвергнутая специальной термомеханической обработке, обеспечивающей одинаковую чувствительность фольги к амплитуде циклических деформаций (напряжений) в пределах всей поверхности пластины. Пластина была разрезана на полоски шириной 4 мм и длиной 45 мм, представляющие собой датчики контроля циклических деформаций. Датчики с помощью клея Циакрин-ЭО были закреплены на плоских образцах, изготовленных из стали 08Ю. Форма образцов, условия их циклического деформирования обеспечили в продольном направлении изменение поврежденности датчика в соответствии с графиком, показанным на чертеже. An example of the implementation of the method of manufacturing sensors for monitoring cyclic deformations with a variable (provided at the stage of manufacturing sensors) damage. An aluminum foil (a plate with a size of 45 • 45 mm) was used as a source for the sensors. It was subjected to special thermomechanical processing, which ensures the same sensitivity of the foil to the amplitude of cyclic deformations (stresses) within the entire surface of the plate. The plate was cut into strips 4 mm wide and 45 mm long, which are sensors for monitoring cyclic deformations. Sensors using glue Tsiakrin-EO were fixed on flat samples made of steel 08Yu. The shape of the samples, the conditions of their cyclic deformation provided in the longitudinal direction a change in the damage of the sensor in accordance with the schedule shown in the drawing.

Процесс предварительного нагружения датчика осуществлялся до тех пор, пока граница первых "темных пятен" (реакция датчика), появившаяся на левом конце датчика, не распространилась на 5 мм от этого конца. Величина поврежденности датчика, соответствующая реакции на нем в виде первых "темных пятен", составляет П_д=0,405. Остальная часть датчика, характеризуемая изменением продольной координаты х от 5 до 45 мм, имеет переменную поврежденность от П_д=0,405 при х=5 мм до П_д=0,114 при х=45 мм в соответствии с чертежом.The process of preloading the sensor was carried out until the boundary of the first "dark spots" (sensor response), which appeared on the left end of the sensor, did not extend 5 mm from this end. The magnitude of the damage to the sensor, corresponding to the reaction on it in the form of the first "dark spots", is P _d = 0.405. The rest of the sensor, characterized by a change in the longitudinal coordinate x from 5 to 45 mm, has a variable damage from P _d = 0.405 at x = 5 mm to P _d = 0.114 at x = 45 mm in accordance with the drawing.

После отмачивания в ацетоне полоски алюминиевой фольги (датчики с переменной по длине поврежденностью) с плоских образцов снимались и использовались для определения амплитуды напряжений в процессе циклического нагружения элемента рамы, изготовленной из стали 08Ю. Датчики на исследуемое место элемента рамы наклеивались с помощью клея Циокрин-ЭО. Элемент рамы подвергался циклическому деформированию в течение N=2094 числа циклов. Граница реакции на датчике (граница первых "темных пятен") переместилась от х=5 мм до х=10,2 мм. В результате реализации методики обработки информации с датчиков получено, что в исследуемом месте элемента рамы действовало напряжение σ=186,0 МПа. Для проверки достоверности полученного результата, испытания элемента рамы были продолжены и еще раз остановлены при числе циклов N=5213. Граница реакции на датчике распространилась до х=15,5 мм, что дает величину напряжений σ=183,6 МПа. Этот результат отличается не более чем на 3%. Аналогичные исследования были проведены на втором элементе рамы, который циклически деформировался при более высоком уровне нагрузки. Через число циклов нагружения N=2245 граница реакции на датчике переместилась от х=5 мм до х=14,7 мм. Рассчитанная при этом величина напряжений оказалась равной σ=236,8 МПа. After soaking in acetone, strips of aluminum foil (sensors with variable length damage) were removed from flat samples and used to determine the stress amplitude during cyclic loading of a frame element made of 08Yu steel. Sensors on the studied place of the frame element were glued with glue Tsiokrin-EO. The frame element underwent cyclic deformation for N = 2094 number of cycles. The reaction boundary on the sensor (the boundary of the first "dark spots") has moved from x = 5 mm to x = 10.2 mm. As a result of the implementation of the methodology for processing information from sensors, it was found that a voltage of σ = 186.0 MPa acted in the studied location of the frame element. To verify the reliability of the result obtained, the tests of the frame element were continued and stopped again with the number of cycles N = 5213. The reaction boundary on the sensor extended to x = 15.5 mm, which gives a stress value of σ = 183.6 MPa. This result differs by no more than 3%. Similar studies were carried out on the second frame element, which cyclically deformed at a higher load level. After the number of loading cycles N = 2245, the reaction boundary on the sensor moved from x = 5 mm to x = 14.7 mm. The calculated stress value turned out to be equal to σ = 236.8 MPa.

Таким образом, предварительное циклическое деформирование материала датчика при известных функциях изменения амплитуды напряжений как вдоль, так и поперек датчика до возникновения на нем реакции на максимальную амплитуду напряжений, позволяет создавать датчики, реакция на которых может быть зафиксирована в любой момент прерывания испытаний. Достигаемый эффект существенно расширяет область использования датчиков для оценки нагруженности и ресурса изделий в условиях эксплуатации. Возможность целенаправленного управления величиной поврежденности по поверхности датчика совместно с простотой регистрации его реакции в любой момент прерывания испытаний изделий создают условия для широкого применения разработанных датчиков в исследовательской практике. Thus, preliminary cyclic deformation of the sensor material with the known functions of changing the voltage amplitude both along and across the sensor until a reaction to the maximum voltage amplitude appears on it, allows you to create sensors, the reaction to which can be recorded at any time the test is interrupted. The achieved effect significantly expands the field of use of sensors for assessing the load and resource of products in operating conditions. The ability to purposefully control the amount of damage along the surface of the sensor, together with the simplicity of recording its reaction at any time when the product tests are interrupted, create conditions for the widespread use of the developed sensors in research practice.

Claims

A method of manufacturing sensors for controlling cyclic deformations, namely, that an electrolytic foil of a plastic homogeneous material, for example, of copper, aluminum, nickel, silver or gold, is cut into individual plates, characterized in that these plates are subjected to cyclic deformation with known change functions stress amplitudes along and across the plate until the reaction of the plate material to the maximum stress amplitude, which is judged upon reaching a certain location the boundary of the regions of variable damage to the plate material and the first dark spots on the surface of the plate, shifting along the surface of the plate during the measurement of controlled cyclic deformations.