ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ

EXPERIMENTAL STUDY OF THE RATE OF CHANGE OF ULTRASONIC OSCILLATIONS IN UNIAXIAL TENSION

Alexander Alekseev

doctor of Technical Sciences, Professor of the Northern (Arctic) Federal University. M.V. Lomonosov,

Russia, Arkhangelsk

Ivan Milchenko

ph.D., Associate Professor of the Northern (Arctic) Federal University. M.V. Lomonosov,

Russia, Arkhangelsk

Alexey Alabyshev

graduate student of the Northern (Arctic) Federal University. M.V. Lomonosov,

Russia, Arkhangelsk

АННОТАЦИЯ

Согласно действующей нормативно-технической документации круглые плоские пилы для распиловки древесины должны изготавливаться из инструментальной стали 9ХФ. При этом особую роль при изготовлении пилы необходимо уделять процессу контроля плоскостности диска, так как данный параметр оказывает непосредственное влияние на качество распиливаемой поверхности. Существующие методы контроля плоскостности круглых пил морально и технически устарели, предлагается применение акустической тензометрии для контроля плоской формы равновесия диска. В работе описывается экспериментальное исследование по научному обоснованию метода акустической тензометрии контроля остаточных напряжений в инструментальных сталях, предназначенных для изготовления дереворежущих пил. Для проведения эксперимента, из круглых пил, были изготовлены специальные образцы по ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение», тип 2. Однородность химического состава проверялась оптико-эмиссионным и рентген флуоресцентным методом, использовались спектрометры Oxford Arc-Met 8000 и Innov Delta X DP-2000. Испытание проводилось на электромеханической универсальной машине WDW-200E, скорость натяжения принималась постоянной, и составляла 2 мм/мин. Максимальное усилие растяжения равнялось 80 кН, что соответствует пределу текучести данной стали, шаг натяжения 20 кН. Тип эксперимента принимался однофакторным.

ABSTRACT

Under the current regulatory and technical documentation round flat saws for cutting wood must be made with instrumental steel 9HF. A special role in the manufacture of saws should be given to the flatness of the disk control process, as this parameter has a direct impact on the quality of the sawn surface. Existing methods of monitoring the flatness of circular saws are morally and technically obsolete, the use of acoustic strain gauge to monitor a flat shape of the disk balance is offered. In the article the experimental study on the scientific substantiation of the method of acoustic tensometry of residual stresses control in instrumental steel for the manufacture of saw blades is described. For the experiment, special samples are made from circular saws according to GOST 1497-84 “Tensile test methods”, type 2. The homogeneity of the chemical composition is tested by optical emission and X-ray fluorescence method, spectrometers Oxford Arc-Met 8000 and Innov Delta X DP-2000 are used. The test is conducted on an electromechanical universal machine WDW-200E, tension speed becomes constant and is 2 mm/min. The maximum tensile force equals to 80 kN, that corresponds to the yield strength of the steel, pace tension is 20 kN. The type of the experiment is unifactor.

Ключевые слова: химический анализ, ультразвуковые колебания, плоские образцы, одноосное растяжение, круглые пилы, акустическая тензометрия.

Keywords: chemical analysis, ultrasonic vibrations, flat samples, uniaxial tension, circular saws, acoustic strain measurement.

Перед проведением основных экспериментов был поставлен однофакторный эксперимент по исследованию изменения скорости распространения ультразвуковых колебаний. Зависимость между первым главным механических напряжением и изменением скорости распространения ультразвуковых колебаний описывается уравнением 1 [2; 3]/

                                                                 (1)

где: А – акустоупругий коэффициент;

V_i – скорость распространения ультразвуковых колебаний при нагружении, м/с;

V₀ – скорость распространения ультразвуковых колебаний при нулевой нагрузке, м/с.

В качестве объекта эксперимента была выбрана инструментальная сталь 9ХФ, предназначенная для изготовления плоских круглых дереворежущих пил по ГОСТ 980-80. Перед проведением эксперимента был проведён химический анализ образцов оптико-эмиссионным и рентген-флуоресцентным методом. Оптико-эмиссионный анализ проводился спектрометром Oxfrod ArcMet 8000. При ренгтен-флуоресцентном анализе использовался спектрометр Innov Delta X. Также измерялась твердость образцов по методу Роквелла, значения твердости составили для первой группы 42 HRC, для второй и третьей соответственно 41 и 43 HRC.

Таблица 1.

Результаты спектроскопии и замеров твердости

В таблице 1 представлены средние значения химического состава материала дереворежущих пил, на каждой пиле проводилось по 10 замеров. Исходя из приведенных данных химического состава данной стали видно, что поэлементный химический состав имеет приблизительно одинаковые значения, поэтому в ходе эксперимента принималось, что принималась гипотеза об однородности химического состава исследуемых образцов.

Из пил вырезались плоские образцы по ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение», тип 2. Ширина образца 30 мм, длина рабочей части 100 мм, толщина образца 2,8 мм. Образцы вырезались из трех разных пил одинаковых размеров. После черновой обрезки боковые грани рабочей поверхности образца обрабатывались на шлифовальном станке, образовавшиеся на ребрах заусенцы снимались напильником [1].

Испытания проводились на универсальной испытательной машине Time WDW-200E, с электромеханическим приводом. Растяжения проводилось в диапазоне от 0 до 90 кН. Скорость нагружения составляла 2 мм/мин. Перед проведением основного эксперимента проводилась разведывательная серия опытов с целью определения характера распределения. Серия состояла из 50 измерений, нормальность распределения проверялась по критерию асимметрии и эксцесса. Значения асимметрии 0,461≤0,989, поэтому асимметрия правосторонняя, значения эксцесса -1,002≤2,988, распределение является плосковершинным. По результатам проверки было принято решение нормальности данного распределения.

Рисунок 1 – Графическая интерпретация экспериментальных данных: 1 – кривая экспериментальных данных; 2 – спрямленная графическая зависимость; σ₁ – первое главное напряжение; V_i – скорость распространения й ультразвуковых колебаний в i-й точке

Представленная на рисунке 1 графическая зависимость иллюстрирует измерение скорости распространения ультразвуковых колебаний при одноосном растяжении в диапазоне от 5840 до 5930 м/с, возбуждаемые с частотой 5 МГц. Вдоль оси ординат приведены значения измерения первого главного механического напряжения в диапазоне от 100 до 1100 МПа. Вдоль оси абсцисс приведены значения первого главного механического напряжения создаваемых в образце при статическом нагружении.

Коэффициент корреляции экспериментальных данных равен 0,95, из чего делаем что характер зависимости имеет линейный характер. Среднее значение 5883,15 м/с, дисперсия выборки 4780,91, среднее квадратичное отклонение 67,56, коэффициент вариации 2,4 %. Математическое ожидание находится в диапазоне от 5863,19 до 5902,36 м/с.

Используя формулу 1 определяем значение коэффициента акустоупругости А, равный 70720,77.

Список литературы:

1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. – М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1976. 608 с.
2. Венгринович В.Л. Принципы и практика диагностики напряженно-деформированного состояния конструкций, изделий и сварных соединений // В мире неразрушающего контроля. 2005. № 1 (27). С. 4–9.
3. Клюев В.В. Неразрушающий контроль: справочник. В 7 т. Т. 3. Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге под общ. Ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2004. 864 с.