Non-destructive inspection of the state of a helical cylindrical compression spring

Full Text

Введение

В современном машиностроении широко распространены различные узлы и механизмы, в которых рабочим элементом является винтовая пружина. В основном это цилиндрические пружины сжатия.

При эксплуатации пружин происходит их циклическое нагружение «сжатие-растяжение», в результате которого наступает постепенное снижение упругих свойств и работоспособности, образуются микротрещины, и происходит разрушение пружин [1–5]. Причем, если это пружины клапанного механизма ДВС, то они подвергаются нагреву, что усиливает процессы потери упругости и разрушения, т.е. после определенного количества циклов работы пружины необходимо проконтролировать её упругие свойства, работоспособность и наличие опасных микротрещин.

На практике контроль пружины зачастую сводится к её — внешнему осмотру, оценке геометрических параметров и динамическому испытанию. Последнее требует наличия дорогостоящего оборудования и продолжительного времени на само испытание.

Выделяют два основных признака потери работоспособности пружины: разрушение одного из витков и деформирование пружины (осадка) [6, 7]. Обнаружение первого признака происходит в основном визуально и дальнейшая эксплуатация пружины невозможна. Второй признак возникает по причине появления пластических деформаций и микротрещин в материале пружины и требует для его выявления наличия специализированного оборудования. Пружина при этом дефекте может быть восстановлена на некоторый период времени посредством растяжения и последующего контактного заневоливания [8–10], если число микротрещин небольшое.

Цель исследований

Совершенствование метода неразрушающего контроля для определения состояния винтовой цилиндрической пружины посредством нового технического решения на уровне патентоспособности.

Материалы и методы

Наличие микротрещин и их рост в ходе циклического нагружения приводит к изменению микроформы поперечного сечения витка пружины, что влияет на электротехнические свойства пружины, в частности, на её электрическое сопротивление.

Поэтому определение работоспособности пружины сводится к определению числа и объема микротрещин.

Измерение микрогеометрии пружины может быть произведено при помощи высокочувствительного микроомметра с ценой деления не менее 10^-6 Ом.

Пружина состоит из трёх частей — верхней и нижней опорных неподвижных и средней рабочей подвижной. Опорные части выполнены из клинообразно отшлифованного витка с меньшим или нулевым шагом для лучшего контактирования пружины с рабочей плоской частью опоры. В опорной части пружины возникают, в основном, местные контактные напряжения, т.е. данная часть практически не работает, и её можно исключить из исследований по изменению сопротивления.

В рабочих витках пружины, особенно на «внутреннем волокне витков» [12], возникают наибольшие касательные напряжения в процессе ее работы. Следовательно, внутреннее волокно рабочих витков пружины более подвержено образованию микротрещин.

Так если при осадке пружины количество микротрещин минимально, то изменение сопротивления по виткам не будет обнаружено и целесообразно ее восстановить различными технологиями и эксплуатировать далее. При обнаружении значительного изменения сопротивления по виткам можно судить о наличии большого количества микротрещин и ее восстановление будет не рационально даже при минимальной осадке и визуальной целостности витков [11].

Для реализации данного метода необходимо провести измерения электрического сопротивления в рабочих витках новой пружины в ненапряженном состоянии, при растяжении и сжатии. В ходе измерений устанавливается величина сопротивления пружины, и она должна быть постоянна при всех силовых воздействиях. Это говорит о целостности витков пружины и отсутствии в них микротрещин. Затем измеряется изношенная пружина, и сравниваются полученные значения, по которым можно судить о ее качестве и пригодности к восстановлению. Также изменение значений сопротивления изношенной пружины в ненагруженном состоянии и при растяжении и сжатии напрямую указывает об ее износе. Указанная процедура является методом интегрального неразрушающего контроля технического состояния пружины. Для более точного определения значений следует проводить трехкратное измерение сопротивления пружины. Анализ состояния пружины можно делать как всей в целом, так и каждого витка в отдельности, что позволит дифференцировать значения сопротивления и узнать место концентрации и развития микротрещин.

Результаты исследований

Для реализации предлагаемого метода неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины необходимо устройство, включающее микроомметр-измеритель и силовую конструкцию механического типа для её растяжения и сжатия [13].

Силовая конструкция состоит из рамы 7, включающей в себя горизонтальную опорную плиту 8, на которой жёстко закреплены вертикальные стойки 9 и 10 и два симметрично поперечных элемента — верхний 11 и средний 12, между которыми закрепляется испытуемая пружина 1. Данные элементы выполнены с возможностью перемещения вдоль оси вертикальных стоек для фиксации и сжатия-растяжения разных типоразмеров пружин. Элементы разделяют раму на верхнюю и нижнюю части (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема устройства для неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины: 1 — цилиндрическая пружина; 2 — микроомметр; 3 и 4 — клеммы; 5 — динамометр на растяжение; 6 — динамометр на сжатие; 7 — рама; 8 — опорная плита; 9 и 10 — вертикальные стойки; 11 — верхний поперечный элемент; 12 — средний поперечный элемент; 13 — диэлектрические прокладки.

Fig. 1. Scheme of a device for non-destructive inspection of the state of a helical coil spring: 1: cylindrical spring; 2: microohmmeter; 3 and 4: terminals; 5: tensile dynamometer; 6: compression dynamometer; 7: frame; 8: base plate; 9 and 10: vertical racks; 11: upper transverse element; 12: middle transverse element; 13: dielectric spacers.

 

Контроль на растяжение пружины осуществляется динамометром 5, закреплённым в верхней части, а на сжатие динамометром 6, соответственно, в нижней части.

Причём между поперечными элементами и основанием рамы установлены диэлектрические прокладки 13, которые выполнены с учетом возможности их временного закрепления на опорных витках испытуемой пружины. Клеммы от микроомметра для измерения сопротивления закрепляются на испытуемых витках пружины.

Измерение электрического сопротивления в пружине осуществляется следующим образом. Сначала замеры проводят в ненагруженном состоянии пружины, полученному значению сопротивления присваивается значение R₁. Затем пружину растягивают статически прикладываемой нагрузкой Р в разработанном устройстве и получают значение R₂. Далее пружину статически сжимают такой же, как и при растяжении прикладываемой нагрузкой Р и определят значение сопротивления R₃.

После замеров, полученных трех значений сопротивлений, происходит их сравнение. В случае если все три значения сопротивления приблизительно равны R₁~R₂~R₃, то можно судить о целостности пружины и отсутствии микротрещин, что определяет ее дальнейшее восстановление или использование. Но при получении значений существенно отличающихся друг от друга R₁ ≠ R₂ или R₁ ≠ R₃, можно судить об износе пружины и наличии микротрещин, следовательно, о её непригодности для восстановления и эксплуатации в механизмах.

Кроме того, анализируя данные показатели, можно судить о степени износа пружины λ_р, которая оценивается выражениями λ_р = R₂ – R₁ или λ_с = R₃ – R₁. В ходе эксплуатации пружины величина представленных выражений будет только возрастать, и свидетельствовать об износе и разрастании микротрещин.

Для подтверждения предлагаемого метода неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины проведем эксперимент. Использовать будем пружины клапана марки 240-1007046-А5 двух дизельных двигателей Д-240 с различной наработкой 2000 и 6500 мото-часов, а также одну новую пружину, как эталон (рис. 2).

 

Рис. 2. Пружины клапана внутренние 240-1007046-А5: а — наработка 2000 мото-часов; b — наработка 6500 мото-часов.

Fig. 2. The 240-1007046-A5 internal valve springs: а: after 2000 running hours; b: after 6500 running hours.

 

Из рис. 2 видно, что после определенной наработки высота пружин разная. Это подтверждает усадку пружин и её возможные повреждения после определённого числа циклов срабатывания.

Статически прикладываемую нагрузку Р на сжатие и растяжение возьмём равной величине сжатия внутренних клапанных пружин до рабочей высоты, которая составляет 74 Н. Следует отметить, что данный параметр выбирается для каждой марки пружины индивидуально и согласно паспортным значениям.

Измерим сопротивление новой эталонной пружины мультиметром без учёта сопротивления его проводов. При выбранной шкале 200 Ω отображаемое значение составляет 0.9 Ом (рис. 3). Далее измерим все исследуемые пружины без нагрузки, затем при сжатии и растяжении.

 

Рис. 3. Значение мультиметра.

Fig. 3. Measured value at the multimeter.

 

В ходе эксперимента установлено, что все пружины с наработкой 2000 мото-часов имели такое же значение сопротивления, как и у новой пружины независимо от прикладываемой нагрузки Р на сжатие и растяжение. Исходя из этого можно судить об отсутствии в данных пружинах микротрещин.

В четырех пружинах с наработкой 6500 мото-часов значение сопротивления без нагрузки составило 1.4 Ом. При растяжении данный параметр у них составил 1.8 Ом, а при сжатии 1.5 Ом, соответственно, что свидетельствует об образовании микротрещин. Поэтому восстановление таких нецелесообразно.

У оставшихся четырёх пружин с наработкой 6500 мото-часов значение сопротивления без нагрузки составило 0.9 Ом, а при нагрузке на сжатие и растяжение 1.0–1.1 Ом, что указывает на только возникающие микротрещины. Дальнейшее восстановление таких пружин тоже нежелательно.

В ходе эксперимента подтверждено, что определение величины сопротивления новой пружины и последующий контроль в процессе эксплуатации позволит выявлять неисправный элемент на более ранней стадии и установить целесообразность восстановления пружины.

Заключение

Предложенное техническое решение упрощает проведение контроля состояния всей пружины без её разрушения, снижает время контроля ее состояния в целом, уменьшает энергоемкость данного процесса.

Дополнительная информация

Вклад авторов. Р.В. Павлюк ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, экспертная оценка, утверждение финальной версии; А.В. Захарин ― редактирование текста рукописи; П.А. Лебедев ― редактирование текста рукописи, создание изображений. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один внешний рецензент, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Additional information

Author contribution: R.V. Pavlyuk: search for publications, writing the text of the manuscript, expert opinion, approval of the final version; A.V. Zakharin: editing the text of the manuscript; P.A. Lebedev: editing the text of the manuscript, creating images. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Ethics approval: Not applicable.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities or interests for the last three years related with for-profit or non-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: When creating this work, the authors did not use previously published information (text, illustrations, data).

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing is not applicable to this work, and no new data has been collected or created.

Generative AI: Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review: This work was submitted to the journal on its own initiative and reviewed according to the usual procedure. One external reviewer, a member of the editorial board and the scientific editor of the publication participated in the review.

About the authors

Roman V. Pavlyuk

Stavropol State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: roman_pavlyuk_v@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2739-0200
SPIN-code: 5892-3171

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor, Assistant Professor

Russian Federation, Stavropol

Anton V. Zakharin

Stavropol State Agrarian University

Email: anton-zaharin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4128-9846
SPIN-code: 2191-4350

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor, Assistant Professor

Russian Federation, Stavropol

Pavel A. Lebedev

Stavropol State Agrarian University

Email: zoya_lebedeva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0662-8694
SPIN-code: 8271-5431

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor, Assistant Professor

Russian Federation, Stavropol

References

Supplementary files