CC BY
65
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.873
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МЕТОДА МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ МЕТАЛЛА
Д.А. Романов, В.Ю. Анцев, A.C. Толоконников
В работе представлена методика определения зон концентрации напряжений в узлах и деталях, находящихся в сборке конструкции. Представлена методика оценки остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин.
Ключевые слова: метод магнитной памяти металла, оценка остаточного ресурса.
Расчет остаточного ресурса металлоконструкции предполагает получение достоверной информации о состоянии металла и нагрузок, действующих на грузоподъемные машины (ГПМ) [1]. В этом случае диагностирование технического состояния металлоконструкции методами неразру-шающего контроля устанавливает механизм и количественную оценку развития повреждаемости [2, 3]. Одним из наименее трудоемких способов оценки остаточного ресурса является использование метода магнитной памяти металла (МПМ) [4].
В настоящее время методом магнитной памяти металла производится расчет остаточного ресурса объектов, работающих в области малоцикловой усталости, например, нефте- и газопроводов. Поэтому были проведено исследование применимости данного метода в области многоцикловой усталости [5, 6, 7] с целью оценки остаточного ресурса несущих металлоконструкций ГПМ, работающих в условиях многоциклового нагру-жения. При этом было предположено, что изменение значения магнитного показателя металлоконструкции ГПМ происходит в значительной степени при выработке большей части ресурса (предполагаемый график изменения значения магнитного показателя представлен на рис. 1) [8]. Исходя из этого, было предложено проанализировать возможность оценки остаточного
205
ресурса металлоконструкции путем определения предельного значения магнитного показателя и дальнейшие расчеты вести исходя из полученных данных.
Определение зон концентрации напряжений в металлоконструкциях заключается в измерении напряженности магнитного поля Н р на поверхности контролируемой детали или узла. Путем сканирования датчиком прибора определяются линии с нулевым значением поля Н р. Линии,
на которых поле Нр изменяет знак, соответствуют линиям концентрации
остаточных напряжений. С целью определения зоны с максимальной концентрацией остаточных напряжений, вдоль линий Н р = 0 на равном расстоянии А/к от каждой линии по обе стороны от нее определяют градиент поля Нр по длине отрезка А/к. При этом зона максимальной концентрации остаточных напряжений будет соответствовать максимальному значе-
нию градиента поля К
ин
АН
р
А/к [4].
Рис. 1. Предполагаемое распределение значения магнитного показателя от ресурса металлоконструкции
Определение зон концентрации напряжений в узлах и деталях, находящихся в сборке конструкции, представлены в схемах контроля и определения линий концентрации остаточных напряжений на отдельных узлах и деталях мостового крана на рис. 2, 3 [9].
Стрелками и пунктирными линиями на рис. 2 - 4 показано направление перемещения датчика прибора.
На рис. 2 и 3 показаны перемещения датчика прибора при определении линий концентрации остаточных напряжений в надбуксовой зоне концевой балки. Сканирование вдоль гнутого нижнего листа концевой балки проводится в надбуксовой зоне не менее чем по трем линиям скани-
рования (рис. 1). Далее фиксируются нулевые значения остаточной намагниченности и максимальные градиенты поля Нр вблизи линий Нр - О
(линия Ы на рис. 2) [9].
-41
Рис. 2. Надбуксовая зона концевой балки моста крана
База крана
Рис. 3. Концевая балка моста крана
При контроле боковых стенок пролетной балки используется специальная раздвижная штанга, входящая в комплект прибора типа ИКН (поз. 3 рис. 4). При контроле нижнего пояса балки используется штанга (поз. 4 рис. 4) с прижимным устройством, выполненным в виде двуплечего рычага, с одной стороны которого укреплен датчик 2, а с другой груз 5 для обеспечения постоянного контакта феррозондовых преобразователей датчика к исследуемой поверхности.
В зависимости от типа крана конструкция моста крана может отличаться от представленной на рис. 4, но методика контроля отличается незначительно [10].
Для определения остаточного ресурса крановых металлоконструкций были проведены эксперименты на плоских и цилиндрических образцах из сталей Ст3 и 20. При экспериментальных исследованиях установлено, что при увеличивающемся количестве пройденных циклов нагружения образцов при изменении структуры металла, особенно в области пластической деформации, изменяется так же магнитное поле в данной области. Графическое изменение значений магнитного показателя, полученное в ходе экспериментов, качественно совпадает с предполагаемым графиком распределения. Изменение значения магнитного поля в данной области характеризует изменение значения магнитного показателя. Следовательно, фиксирование изменения значения магнитного показателя является основой для оценки остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин.
пролет
Рис. 4. Пролетные балки моста крана
Для оценки остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин предлагается использовать интервал изменения магнитного показателя. Для этого строится график изменения данного показателя от процентного ресурса металлоконструкции (так же данную зависимость
208
можно представить в виде значения магнитного показателя от числа циклов нагружений металлоконструкции). Для построения указанного графика воспользуемся данными, полученными в ходе проведения экспериментов на плоских и цилиндрических образцах из сталей Ст3 и 20 соответственно (рис. 5 - 6).
Так как в ходе проведенных экспериментов было установлено, что для каждой марки стали начальные, средние и предельные значения магнитного показателя отличаются, то при определении остаточного ресурса металлоконструкций, изготовленных из сталей, отличных от представленных в экспериментах, необходимо проведение соответствующих экспериментов на многоцикловую усталость, имеющих цель построение аналогичных кривых, описывающих закономерность изменения значения магнитного показателя от пройденного ресурса металлоконструкции.
8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5
: —,
1-
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 35 90 95 100
-От.ц. -"-5 Т.Ц.
Циклы (с), тыс
10 т.ц. -*-15 т.ц. -^20 т.ц. - 25 т.ц. -<-30т.ц. —35т.ц. - 40т.ц.
-45 т. ц.
^50 т.ц.
55 т.ц.
60 т.ц.
65 т.ц. 70 т.ц.
75 т.ц. 80 т.ц. 85 т.ц.
90 т.ц.
95 т.ц.
Рис. 5. Распределение значения магнитного показателя
на плоском образце
Рис. 6. Распределение значения магнитного показателя на цилиндрическом образце
Из диаграмм (рис. 7, 8), полученных в ходе аппроксимации экспериментальных данных, представленных на рис. 5 и 6, заметно повторение изменения (роста) значения магнитного показателя на последних примерно 20 % ресурса образца (7). Учитывая, что формы образцов и материалы, из которых они изготовлены, отличаются, а аппроксимирующая кривая на конечном этапе имеет схожую форму, можно утверждать, что данный интервал Т можно использовать при расчете остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин.
m
8 7,5 7 6,5 б 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
I л л m Q - i . п 1 г* ■ -% 3QC3
ГП - ¿t-UbCi и, и UZoCZ -MJ,±U
/
> /
I
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Циклы (с), тыс
—Среднее значение магнитного показателя на плоском образце
Рис. 7. Распределение значений магнитного показателя
на плоском образце
1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30
50
100
351
°г
400
150 200 250 300
Циклы (с), тыс
-Среднее значение магнитного показателя на цилиндрическом образце
m =2Е-11с4 2Е-09с3 6Е-07с2 ^ 7Е-05с ч 1,3299
—)
450
Рис. 8. Распределение значений магнитного показателя на цилиндрическом образце
Так как значительное изменение значения магнитного показателя происходит при достижении 80 % ресурса, тогда как до этой отметки мы имеем прямолинейный участок, характеризующийся отсутствием каких либо существенных изменений напряженно-деформированного состояния
210
стали, а так же ее структуры, можно сделать вывод, что при сканировании металлоконструкций грузоподъемных машин и получая при анализе магнитограмм значения магнитного показателя в пределах прямолинейного участка диаграммы (составляющего примерно 80 % срока службы металлоконструкции), есть возможность продлить срок эксплуатации объекта (£) на величину, меньшую оставшегося ресурса Т (т. е. менее 20 %). Однако, если при сканировании получены значения из интервала Т, тогда есть возможность продлить срок эксплуатации £ объекта диагностирования на:
£ < £пред - £о, (1)
где £ - возможный к продлению срок эксплуатации металлоконструкции в циклах; £пред - предельное значение циклов нагружения металлоконструкции; £о - отработанный нормативный срок в циклах.
Так же данное выражение можно представить в процентном виде от срока эксплуатации:
£ < 100%-£о . (2)
Если же значения Б, £пред и представить в виде циклов нагру-
жения, тогда остаточный ресурс металлоконструкции объекта можно пересчитать в годах. Эти данные могут быть регламентированы согласно справке о характере работы крана.
Учитывая, что при проведении экспериментов полученные выходные данные по разным типам сталей и формам образцов значительно отличаются в числовом выражении (но не меняется форма кривой, описывающей изменение магнитного показателя), при диагностировании (экспертизе) грузоподъемных машин необходимо проводить дополнительное начальное сканирование металлоконструкции с целью нахождения бездефектного участка (без зон концентрации напряжений) для экспериментального исследования на многоцикловую усталость с целью уточнения значений магнитного показателя для диаграммы изменения среднего значения магнитного показателя. Дальнейший расчет остаточного ресурса металлоконструкции грузоподъемных машин производить согласно представленной методике.
Список литературы
1. Сызранцев О.Н., Голофаст С.Л., Троценко Д. А. Диагностика остаточного ресурса несущих элементов металлоконструкций машин // Известия вузов. Машиностроение. № 6. 2005. С. 25-30.
2. Аникеева О.В., Ивахненко А.Г. Организация функциональной диагностики металлорежущих станков // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. № 2-3 (286). 2011. С. 133-138.
211
3. Селиверстов Г.В., Анцев В.Ю., Вобликова Ю.О. Построение оптимального алгоритма диагностирования крановых металлоконструкций // Строительные и дорожные машины. № 7. 2013. С. 23.
4. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учеб. пособие. М.: Спектр, 2012. 395 с.
5. Романов Д.А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Адаптация метода магнитной памяти металла к применению в диагностике и расчете остаточного ресурса металлоконструкций ГПМ // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: сб. научных трудов. Горохов А.А. (отв .редактор). Курск, 2014. С. 122-124.
6. Романов Д. А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Разработка методики диагностики и расчета остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин методом магнитной памяти металла // Интерстроймех 2014. Материалы Международной научно-технической конференции. Самара, 2014. С. 246-249.
7. Романов Д.А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Исследование применимости метода магнитной памяти металла при оценке остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 45-53.
8. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Романов Д.А. Исследование закономерности распределения значений магнитного показателя при статическом растяжении образцов из стали Ст3 // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования. 2014. № 7. С. 113-117.
9. Дубов А. А., Маннанов Т.Г., Хафизов Ф.М. Краны грузоподъемные. Контроль неразрушающий: Методические указания по магнитному контролю металлоконструкций грузоподъемных машин. Казань, 2007. 62 с.
10. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Горынин А.Д. Автоматизация расчета рисков возникновения отказов грузоподъемных кранов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 7. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 214-220.
Романов Дмитрий Андреевич, асп., milan_romanoff@,mail.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, an-zev@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Толоконников Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., tolokonnikov@Jist.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет
212
METHODS OF THE RESIDUAL LIFE ASSESSMENT STEEL LIFTING MACHINES BASED ON THE METHOD OF MAGNETIC MEMORY OF METAL
D.A. Romanov, V.U. Antsev, A.S. Tolokonnikov
The paper presents the method of determining of the zones of stress concentration at the nodes and details in the assembly design . The technique of residual life assessment of steel structures for lifting equipment.
Key words: method of magnetic memory of metal, the assessment of the residual resources.
Romanov Dmitry Andreevich, postgraduate, milan romanoff@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Antsev Vitaliy Yurievich, doctor of technical science, professor, manager of department, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Tolokonnikov Alexander Sergeevich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.4:621.791.053
ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ
В.И. Сероштан, Т.В. Гаах
В статье рассмотрен процесс образования трещин в металлоконструкциях грузоподъемных кранов с позиции накопления повреждений в результате увеличения упругой энергии.
Ключевые слова: грузоподъемная машина, металлоконструкции, трещина, упругая энергия.
Расчёты металлоконструкций грузоподъемных машин (ГПМ) по прочности о в и пределу текучести От основаны на использовании экспериментальных материалов испытаний при одноосном напряжении [1, 2]. Опыт эксплуатации металлоконструкций грузоподъемных кранов показал, что использование даже высокопрочных материалов не исключает разрушений конструкции в результате макрохрупкого разрушения. Хрупкое разрушение твердого тела проходит при сравнительно малых пластических деформациях. Его рассматривают с позиции механизма накопления повреждений, возникновения и распространения трещин в результате увеличения упругой энергии [3]. Процесс разрушения состоит из четырех последовательно протекающих стадий.
