close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000100032

код для вставкиСкачать
ТОЛОКОННИКОВ Александр Сергеевич
МЕТОД ДИАГНОСТИКИ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
МАШИН ПО РАЗМЕРАМ ЗОНЫ
УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Специальность
05 02 13 - «Машины, агрегаты и процессы» (машиностроение)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тула - 2005
Работа выполнена на кафедре «Подъемно-транспортные машины» в ГОУ
ВПО Тульский государственный университет
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Сорокин Павел Алексеевич
Официальные оппоненты.
доктор технических наук, профессор
Иноземцев Александр Николаевич
кандидат технических наук
Сероштан Владимир Иванович
ОАО «Кран - УМЗ»
Ведущая организация-
Защита состоится аоОъ
//Qy^b/jJ^
на заседании
диссертационного совета Д 212.271.10 при Г О У В П О Тульский государствен­
ный университет по адресу: 300600 г. Тула, пр. Ленина, 92, учебный
корпус
2.
, ауд. S2{
.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государст­
венного университета.
Автореферат разослан «/<? » L>/:/?7J^^/.?^
200_^ г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
В.А. Крюков
t^-^
{^ъъг
'
'imi^-^
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Существует класс мапган, при оценке технического
состояния которых особое внимание уделяется технической диагностике ме­
таллической конструкции, воспринимающей, в процессе эксплуатации, основ­
ные рабочие нафузки и несущей основные рабочие механизмы. К таким маши­
нам относятся авиационная техника, грузоподъемные машины, дорожные и
строительные машины, горные машины, водный транспорт и т.д. Потеря несу­
щей способности металлоконструкхщями указанных машин приводит к травми­
рованию людей, материальным затратам, а в ряде случаев носит катастрофиче­
ский характер. Объектом исследования диссертационной работы являются ме­
таллические конструкции грузоподъемных машин.
Одним из средств, направленных на повышение безопасности эксплуатации
несущих металлоконструкций машин путем определения их текущего состоя­
ния, является их техническая диагностика с использованием методов и средств
неразрушающего контроля. Современный уровень развития методов и средств
неразрушающего контроля позволяет эффективно выявлять дефекты в услови­
ях эксплуатации металлоконструкций. Однако, эксплуатахщонные дефекты
возникают и зарождаются на завершающей стадии «жизни» металла. Тогда как
предваряющие эту стадию усталостные изменения развиваются и накапливают­
ся медленно, долго и постепенно, причем в течение самого продуктивного эта­
па эксплуатации. Эти процессы идут с явным опережением в зонах концентра­
ции напряжений. Оценка накопленных усталостных повреяэдений позволяет
прогнозировать зарождение эксплуатационных дефектов и, следовательно, пре­
дупреждать возможные аварии, но при условии, что найден эффективный па­
раметр контроля реального состояния металлоконструкции.
В связи с этим, актуальным является повышение безопасности эксплуата­
ции машин путем диагностики и мониторинга их несущих металлокохютрукций, основанных на оценке накопленных усталостных повреждений по разме­
рам зоны упругопластической деформации.
Цель работы. Повышение безопасности эксплуатации несущих металло­
конструкций машин методом диагностики их технического состояния по раз­
мерам зоны упругопластической деформации в условиях циклического нагружения.
Поставленная цель работы и анализ состояния вопроса позволили сформу­
лировать следующие задачи исследования:
1. Анализ напряженно-деформированного состояния несущих металлокон­
струкций машин с учетом влияния зон концентрации напряжений.
2. Построение модели развития зоны упругопластического деформирования
металлоконструкций при циклическом нагружении.
3. Разработка метода диагностирования металлоконструкций, основанного на
анализе зоны упругопластического деформирования.
4. Анализ изменений размеров зоны упругопластического деформирования
поверхности элемента металлоконструкции под де^КташгттпгаЯ^рВГ^Ьгрузок с помощью автоматизированных средств оптич^кой BfffiWS9V(№^^' I
;^^5]
СПстеЫЬшг
09
д9а\
5. Построение модели определения выработанного ресурса металлоконст­
рукции на основе анализа изменений размеров зоны упругопластического де­
формирования.
Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на
элементах деформационной теории и метода конечных элементов. Для прове­
дения расчетов использовалась САПР АРМ WinMachine, вычислительная среда
Mathcad 11.А Enterprise Edition, Origin 4.1 vi среда программирования Delphi
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена
сравнением результатов моделирования с результатами экспериментальных ис­
следований.
Достоверность научных положе1шй и вьшодов подтверждается коррект­
ным использованием фундаментальных положений деформационной теории,
адекватностью разработанной математической модели реальным процессам,
подтверждением полученных теоретических результатов данными эксперимен­
та и результатами промышленной апробации.
Основные положения, вьшосимые автором на защиту:
1. Метод диагностики несущих металлоконструкций машин, основа1П1ый на
анализе изменений линейных размеров зоны упругопластической деформации
контрольных площадок под действием циклического нагружения
2. Математическая модель накопления усталостных повреждений, учиты­
вающая влияние геометрических размеров зоны упругопластической деформа­
ции на момент зарождения усталостной трещины.
3 Методика оценки потенциальных мест разрушения металлоконструкций
машин.
4 Регрессионная модель оценки ресурса диагностируемого образца.
Научная новизна. В диссертации впервые установлена связь между ста­
диями накопления усталости и линейными размерами зоны упругопластиче­
ской деформации нагружаемого материала, на основании которой разработан и
запатентован способ контроля трещинообразования металлоконструкций ма­
шин.
Практческая значимость работы заключается в возможности примене­
ния способа контроля трещинообразования и программного обеспечения Re­
source для оценки выработанного ресурса нагружаемого материала на стадии
зарождения усталостной трещины металлоконструкций машин, предельным со­
стоянием которых является усталость.
Реализация работы. Результаты, представленные в диссертационной рабо­
те, использованы на предприятии ОАО НПО «Технохолод», а также в учебном
процессе в курсе «Диагностика грузоподъемных машин» в Тульском государ­
ственном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно - транспортные ма­
шины и оборудование» Тульского государственного университета, на научнопрактическом семинаре «Проблемы оценки остаточного ресурса подъёмнотранспортных, строительных и дорожных машин» (2005 г., г. Москва), на I
Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов
«ИДЕИ МОЛОДЫХ - н о в о й РОССИИ» (2004 г , г Тула), на V I и У Ш межву­
зовских научно-технических конференциях студентов и молодых ученых
«Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины и робототехнические комплексы» (2002 г., 2004 г, г. Москва), на международном форуме по
проблемам науки, техники и образования (2004 г., г Москва), на международ­
ной конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (2003 г., г. Тула),
на конференции «Технологическая системотехника - 2002» (2002 г., г. Тула).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том
числе получен 1 патент.
Структура и о&ьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы, изложенных на 173 страницах, содержит
10 таблиц, 39 рисунков, 2 приложения, список литературы из 112 наименова­
ний.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформу­
лированы цель и задачи диссертационной работы, научная новизна и практиче­
ская ценность и основные положения, вьгаосимые на защиту
В первой главе проведен анализ факторов, обуславливающих потерю рабо­
тоспособности грузоподъемными машинами. Подробно рассмотрены и проана­
лизированы достоинства и недостатки (^ществующих методов и средств неразрушающего контроля и мониторинга, методик оценки остаточного ресурса.
Анализ причин возникновения повреяодений, методов и средств диагности­
рования усталостных повреждений и расчетных методик определения вырабо­
танного и остаточного ресурса показал, что:
- появлению дефектов способствует ряд факторов при их разнообразном
сочетании;
- основными дефектами, предшествующими разрушению оборудования
грузоподъемных машин является износ их деталей в процессе эксплуатации, а
разрушеншо металлоконструкций предшествует зарождение и развитие маги­
стральных трещин;
- современные средства диагностирования оборудования грузоподъемных
машин позволяют эффективно выявлять эксплуатационные дефекты, обеспечи­
вая его надежную эксплуатацию;
- современные средства диагностирования металлоконструкций грузоподъ­
емных машин позволяют обнаружить уже имеющиеся дефекты, но не позволя­
ют прогнозировать их появление;
- существующие методы и средства мониторинга металлоконструкций
имеют ряд недостатков' слабая помехозащищенность, недостаточная информа­
тивность диагностических параметров, высокая стоимость оборудования, невы­
сокая разрешающая способность при обнаружении накопленных усталостных
повреждений;
- методики оценки выработанного и остаточного ресурса опираются на ки­
нетику развития трещины, в зависимости от числа циклов нагружения, в то
время, как правилами устройства и безопасной эксплуатации запрещается экс­
плуатация несущих металлоконструкций грузоподъемных машин с трещиноподобными дефекгами.
Во второй главе рассмотрено изменение свойств поверхности материата
под действием циклических нагрузок, произведен анализ методов и средств ис­
следования напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации
напряжений методом конечных элементов (МКЭ), определены наиболее веро­
ятные места зарождения трещин в несущих металлоконструкциях грузоподъ­
емных машин, предложена модель развития зоны упругопластической дефор­
мации вблизи концентратора напряжений.
Основы теории повреждаемости металлов и их соединений под действием
усталости представлены в трудах А В. Винокурова, В В Владимирова, С А Го­
ловина, В С. Ивановой, В П. Когаева, С. Коцаньды, И В Кудрявцева, Н А Махутова, В.В Панасюка, В И Сероштана, С.А Соколова, Л А Сосновского, В.Ф
Терентьева, В Т Трощенко, В И Труфякова
Зарождению усталостных трещин предшествует микропластическая дефор­
мация, проявляющаяся в виде интрузий, экструзий, линий скольжения, полос
скольжения, пачек полос скольжения, микротрещин Микропластическая де­
формация наиболее интенсивно протекает в поверхностных и подповерхност­
ных слоях нагружаемого металла и приводргг к изменению рельефа его поверх­
ности Очагами зарождения усталостных трещин на микроуровне служат - не­
однородное строение, случайная ориентировка и анизотропия кристаллов ме­
талла, на макроуровне - концентраторы напряжений (подрезы, канавки, отвер­
стия, сварные швы и т д ) Микроскопические линии и полосы скольжения
обычно совпадают с направлением действия максимальных касательных на­
пряжений и связаны с прохождением фронта Людерса - Чернова Макродефор­
мации (критические пачки полос скольжения), вызванные упругопластическим
деформированием, располагаются перпендикулярно направлению линии дейст­
вия нагрузки и распространяются в виде фронта чередующихся волн пластич­
ности вдоль действия главного растягивающего напряжения Интенсивность
изменения рельефа поверхности пропорциональна ypoBino приложенной на­
грузки и механическим свойствам материала Наличие концентраторов напря­
жений приводит к более интенсивному изменению рельефа поверхности
Исследование полей напряжений и деформаций в условиях упругопластического деформирования, имеющего место вблизи концентраторов напряжений,
проводится экспериментальным и (или) расчетным путем. К эксперименталь­
ным методам исследования относят метод хрупких тензоч>'вствительных по­
крытий, оптически активных покрытий, метод муара, метод сеток Они наибо­
лее точны, но трудоемки и требуют больших материальных затрат Анализ на­
пряженного и деформированного состояния элементов конструкций расчетным
путем вызывает значительные трудности. К расчетным методам определения
напряженно-деформированного состояния относятся' точные решения задач
теории пластичности, деформационную теорию, приближенные методы чис­
ленного решения Точные аналитические решения упругопластических задач
для зон концентрации напряжений получены для весьма ограниченного их чис-
ла. Применение деформационной теории позволяет приближенно определять
коэффициенты концентрации деформаций и напряжений, и их перераспределе­
ние при упругопластическом деформировании в области малоцикловой устало­
сти, но не нашло широкого распространения при исследовании зон концентра­
ции напряжений элементов конструкций, работающих в области многоцикло­
вой усталости (на пределе выносливости). Одним из наиболее точных расчет­
ных методов определения полей напряжений и деформаций на данный момент
является М К Э Однако применение М К Э вызывает трудности при определении
локального напряженно-деформированного состояния в соответствии с блоком
нагрузок, реализуемых в эксплуатации, с учетом нестабильности деформацион­
ных свойств материала в процессе циклического нагружения.
С целью определения зон повышенной нагружехгаости, так называемых го­
рячих точек, было проведено исследование конечно-элементных моделей ме­
таллоконструкций типовых грузоподъемных машин: мостового крана, грузо­
подъемностью 50/10 т и пролетом 16,5 м, и козлового крана, грузоподъемно­
стью 25 т, пролетом в 32 м и двумя консолями по 12 м в САПР А Л М WinMachine Расчет проведен для двух расчетных случаев: тележка с грузом нахо­
дится в середине пролета, и тележка с грузом находится у концевой балки (мос­
товой кран) и на краю консоли (козловой кран).
Анализ напряженного состояния рассмотренных металлоконструкций по­
зволил сделать следующие выводы:
- листовые конструкции мостовых кранов имеют три характерные области
повышенных значений напряжений (рис.1) под подошвой рельса, в местах
приварки диафрагм к листам верхнего пояса, при прохождении над ними грузо­
вой тележки, в местах крепления угловых букс на концевых балках; в опорных
узлах - местах соединения концевой и главной балок. В указанных местах дей­
ствуют практически равные между собой по величине напряжения;
- в металлических конструкциях козловых кранов (рис.2), наибольшие на­
пряжения возникают в стержнях, непосредственно воспринимающих рабочие
нагрузки, местах крепления подтележечного рельса к нижнему поясу, панелях
нижнего и верхнего поясов, местах крепления пролетного строения к опорам.
Однако кроме конструкционной концентрации напряжений, обусловленной
формой и размерами машины, следует учитывать технологическую концентра­
цию, вызванную наплавлением металла и остаточными напряжениями и де­
формациями в сварных соединениях На рисЗ и рис.4 показаны карты распре­
деления напряжений по конечно-элементным моделям, имитирующим харак­
терные для изготовления металлоконструкций грузоподъемных машин сварные
соединения: стыковое и тавровое В зависимости от высоты валика сварного
шва и характера передачи усилий значения теоретического коэффициента кон­
центрации напряжений изменяются в диапазоне а„= 1,4 2,9
Таким образом, сочетание конструкционных и технологических концентра­
торов может привести к возникновению в локальных зонах несущих металло­
конструкций напряжений, достигающих и превышающих значение предела те­
кучести, вызывая упругопластическое деформирование металла при работе
конструкции на пределе выносливости.
'ОМ
2Sti
zn*
о- = 198МПа
»4)
увеличено
В
■ увеличено
сг = 18ШПа
СТ=19(»М11
£7=19ШПа
cr = l l S M n a
сг=9ШПа
Рис. 1. Карта напряжений, МПа. Грузовая тележка в середине пролета
Учитывая, что концентраторы напряжений образуют малую область конст­
рукции, где напряжения достигают значения предела текучести, а также то, что
конструкция образована тонкостенными листовыми элементами, можно судить
об упругопластическом деформировании этих зон при плосконапряженном со­
стоянии в процессе циклического нагружения. Возникает вопрос об оценке
долговечности такой конструкции.
увеличено
а
=14ШПа
а =152МПа
■Ш:^
Рис.2. Карта напряжений, МПа. Грузовая тележка в середине пролета
Процесс накогшения усталости можно условно представить двумя стадия­
ми: рассеянной повреждаемости и локальной повреждаемости (развитие макро­
трещины). Полная долговечность объекта определяется как сумма долговечно­
сти на стадии рассеянной повреящаемости Л'';, и долговечности на стадии раз­
вития ма1фотрещины Л'л:
(1)
N=Np+N,.
10
тнсм = 200 МПа, (т»их =289,6 МПа, а ^ = 1,4
а-ам =200 МПа, (ГМАХ =405,4 МПа, «д. = 2,03
б;
«;
Рис.3. Карты распределения напряжений в стыковых соединениях для раз­
личных значений высоты наплавленного металла А:
о - А = 1,0 мм; б - А = 2,5 мм
(7„ом=200 МПа, с.
«<т=2,9
<7„см=200МПа,<г_
356 М „ _
7S
б)
«;
Рис.4. Карты распределения напряжений в тавровых соединениях в зависимо­
сти от характера приложенной нагрузки'
а - передача усилий через приваренный элемент; 6 - передача усилий по поясу
11
т.к. эксплуатация грузоподъемных машин с трещиноподобными дефектами
в несущих металлоконструкциях запрещена, наибольший интерес представляет
изучение стадии рассеянной повреждаемости, что позволяет прогнозировать
образование макротрепщн
В настоящее время для расчета долговечности элементов конструкций до
возникновения усталостной трещины наиболее точным является расчет по ло­
кальному напряженно-деформированному состоянию (НДС), т.к. позволяет
учитывать реальное деформирование материала вблизи концентратора, в месте
изменения формы и размеров исследуемого элемента конструкции
В качестве параметра, характеризующего число циклов до возникновения
усталостной трещины в телах с надрезом, как правило, используют значение
амплитуды или самой величины накопленной остаточной деформации Относи­
тельную величину амплитуды остаточной деформатщи в к-ом полуцикле с по­
зиций деформационной теории можно определить из соотношения
гС^)
-(к) _ «тахк
q-_i
,-•)
^
Еег
^ ^
~
2
где е)^1^ - относительная максимальная деформация в ^-ом полуцикле нагружения, eW^ =
- коэффициент концентрации деформаций в к-ои
полуцикле нагружения; е^' - относительная номинальная деформация в Аг-ом
полуцикле нагружения (e„=e„/ej.); ет - деформация материала на пределе те­
кучести; (т_1 - предел выносливости материала при симметричном цикле на­
гружения; Е - модуль упругости материала.
При этом величины коэффициентов концентрации деформаций {К^) тл на­
пряжений iK^) связаны с теоретическим коэффициентом концентрации напря­
жений а^ модифицированным вьфажением типа Нейбера с поправочной
функцией И А Мах>'това.
К, = аМи™)-(1-.)/(...) /(„^^^ Y^-ш\H^„-^V<'ЛЛ^^^n)
„
2/(l+m)i
^ . =«а
_ V'(l-'"Xl-(5^»-lV«<r]/(l+'")
'/(PaO^J
^^^ _^ ^ , ^3)
_ ^ ,
_
К^ =a2,«/(i.™)/-M)/(i..)(^^-J('-'")l4^„-i)/«.b/(.-)
К„ .„2./(...)/(^^-^у.(.-«)[И^„-1)/«.Ь/(1..)
,.,
ПрИСТ„^1. (4)
^р^-^^ J (5)
^р^_^^ J ^^^
где ст„ - относительное номинальное напряжение (CT„=<T„/<TJ.),CTJ- - предел те­
кучести материала, т - характеристика упрочнения материала; п - постоянная,
определяема из эксперимента (для большой группы сталей п П 0,5).
Накопленную относительную неупругую деформацию в вершине концен'фатора в соответствии с усталостным критерием разрушения с использованием
правила линейного суммирования повреждений охфеделяют по формуле;
12
=/
■Л/т,„
max к
"-1
(7)
й№:.
Еет
где ко - число полуциклов нагружения; гпео - хараетеристика материала; д л я
пластичных малоуглеродистых и низколегированных сталей с пределом п р о ч ­
ности до 700 М П а ОТеО=0,5.
Предельное число полуциклов до разрушения определяется соотношением:
тахк
g-1
1/ш,о
Еет
\/т,о
dk = 2
4ет
(8)
Х-у/^
где ij/k - относительное с у ж е н и е в шейке образца п р и разрушении.
Зависимость коэффициентов концентрации деформаций и напряжений от
числа циклов нагружения, а т а к ж е односторонне накопленная относительная
деформация на различных этапах нагружения д л я С т З п с (характерного мате­
риала металлоконструкций грузоподъемных м а ш и н ) , д л я относительного н о ­
минального н а п р я ж е н и я а„ = 0,8 и различных значений теоретического к о э ф ­
фициента концентрации напряжений, рассчитанные с использованием деформахщонной теории, показаны н а рис.5 - рис.7.
П р и переходе к циклическому нагружению наблюдается развитие з о н ы у п ругопластической деформации в виде фронта ч е р е д у ю щ и х с я волн пластично­
сти, направленных перпендикулярно л и н и и действия приложенной нагрузки
вдоль действия главного растягивающего напряжения в направлении от в е р ш и ­
н ы концентратора (рис.8).
Таким образом, в качестве параметра, характеризующего число ц и к л о в до
возникновения усталостной т р е щ и н ы , может б ы т ь использован размер з о н ы
упругопластического деформирования Ly^ (см. рис 8). Размер з о н ы упругопластической деформации Ly,^ зависит от амплитуды приложенной нагрузки, вида
концентратора и числа циклов нагружения, т.е. от т е х параметров, которые о п ­
ределяют значение накопленной относительной н е у п р у г о й деформации вблизи
концентратора. Т а к и м образом, д л я определения размера з о н ы упругопластической деформации может б ы т ь предложено уравнение:
V=4^p)=/
/
^
.
^тахк
2
Q^-l
l/m,o ^
~ Еет
dk=,
l/m,o ^
2/(l+m(i))-(1-т(*))/(1+ж(л))
(l-m(fr))[!-(oi,~l)/а, ]/(l+m(<r))
■ (з!„СГ„ J
где m(k) - характеристика циклического упрочнения.
^^
dk
(9)
13
(к)
к
6,0
■
-
^
i
-
1 1 1 nil
.
/V
--■■■ а„
5,5 '
5,0
*
Ч
■
4,5
_:t
- л4
L , , III
"/Vа ~ Ч^
4,0
Л
3,5
3,0
о-а-"^
' 1'
2,5
2,0
■
1,5 •
1,0
0,5
11
■
0,010"
10'
10'
10'
I
10* л^
Рис 5. Зависимость коэффициента концентрации деформаций
от числа циклов нагружения
jC(k)
"•а
1 г
С, W
1
2,5-
"^(Г =
....
0 Г\ -
:4
(г,р._ = •1
i - - - -
1,Ь -
->*if\И!-
лп |,и
П Ч "1
и,о
0,010"
4-HI-I
10^
10'
10^
ю' л^
Рис.6. Зависимость коэффициента концентрации напряжений
от числа циклов нагружения
14
а„=2
Ю'
10*
Ю'
10*
а„=3
Ю'
а„=4
10*
N
Рис.7. Односторонне накопленная относительная деформация
на различных этапах нагружения
Рис.8 Зона упругопластических деформаций при относительном
выработанном ресурсе образца Л = 0,7'
1-ум - pa'iMep зоны упругопластического деформирования
При этом оценку момента зарождения усталостной макротрещины можно
провести по следующей схеме. Экспериментальным путем с применением
средств оптической рсфлектометрии определяют размер зоны упругопластиче­
ского деформирования Ьу„ь в контрольных точках исследуемой конструкции, в
местах повышенной концентрации напряжений, или его прирост между двумя
периодами обследования Зная размер зоны упругопластического деформиро­
вания, характеристики надреза и амплитуды номинальных напряжений по
уравнениям (2-7, 9) рассчитывают соответствующее значение накопленной де­
формации и амплитуду местной деформации или напряжения Затем с исполь­
зованием соотношения (8) или с использованием кривой усталости гладкого
образца рассчитывают число циклов до возникновения усталостной трещины.
15
В третьей главе разработан способ контроля трещинообразования в несу­
щих металлоконструкциях машин, рассмотрено применение средств оптиче­
ской рефлекгометрии для автоматизации отфеделения размеров зоны упругопластической деформации, произведен выбор оптимального алгоритма. Приве­
дено описание программы обнаружения усталостных повреждений Resource.
Основы теории диагностирования дефектов поверхности оптическими рефлектометрическими методами представлены в трудах Ф Г Басса, П.А. Бакута,
А С Гурылева, В А Лопухина, В И Мандросова, И Н Матвеева, П А. Сороки­
на, А.С Топорца, Н.Д. Устинова, И.М. Фукса.
Зарождению усталостных трещин предшествует микропластическая дефор­
мация, интенсивно протекающая в поверхностных и подповерхностных слоях
металла и приводящая к изменению рельефа поверхности Количественная и
качественная оценка изменений рельефа поверхности может дать объективные
данные о степени усталостных повреждений исследуемой металлоконструкции
и оценить ее ресурс до момента образования макротрещины. Причем получить
оценку изменений рельефа поверхности можно не только непосредственными
измерениями (например, с помощью профилографа), но и по косвенному при­
знаку - по изменению оптических свойств отраженного с исследуемой поверх­
ности светового потока, с помощью средств сканирования рефлектометрическими методами дефектоскопии.
Для измерения размеров зоны упругопластического деформирования может
быть предложен следующий способ. Исследованием конечно-элементной мо­
дели металлоконструкции грузоподъемной машины или на основании стати­
стических данных, определяют места повышенной концентрации напряжений,
т е наиболее вероятные места возникновения усталостных трещин, и подго­
тавливают контрольные площадки Периодически проводится измерение ли­
нейных размеров зоны упругопластического деформирования Измерения раз­
меров зоны упругопластического деформирования осуществляется сканирова­
нием контрольных площадок с использованием оптических датчиков в плоско­
сти действия растягивающей силы, т е в направлении продвижения фронта
волн упруго1шастической деформации, и, следовательно, перпендикулярно
предполагаемому развитию макротрещины.
При этом задастся пороговое значение величины срабатывания установки, в
виде сигнала, явно «просматриваемого» на фоне помех и соответствующего оп­
ределенной глубине полосы скольжения, после чего, в автоматическом режиме
начинается отчет расстояния, пройденного датчиком до следующего порогово­
го значения сигнала, характеризующее достижение датчиком самого концен­
тратора Регистрация и количественная оценка изменений линейных разме­
ров зон упругопластического деформирования поверхности контрольных
площадок служит мерой степени усталостного повреждения узла исследуе­
мой металлоконструкции, а при достижении зоной своих максимальных разме­
ров происходит образования макротрещины.
Предоюженный способ позволяет повысить объективность и разрешаю­
щую способность диагностики трещинообразования металлоконструкций,
зоны концентрации напряжений которых (такие, как сварные швы, заклепки,
16
отверстия, подрезы и т.п.), в процессе нагружения, подвергаются упругопластическому деформированию с возможностью наблюдения и прогнозирова­
ния кинетики процесса накопления усталостного повреждения во времени.
На данный способ получен патент РФ.
Обнаружение дефектов поверхности рефлектометрическим методом бази­
руется на диагностике отклонений параметров рассеянного поверхностью све­
тового потока от некоторых значений, характерных для бездефектной поверх­
ности Оптоэлектронный преобразователь (рис.9) содержит фото приемник,
расположенный в зеркально отраженном контролируемым объектом световом
потоке, фотоприемник, расположенный в диффузно отраженном световом по­
токе, и блок контроля, входы которого соединены с выходами фотоприемников
Блок контроля состоит из двухканального аналого-цифрового преобразователя
и вычислителя.
Для обнаружения дефектов поверхности контролируемый объект сканиру­
ют преобразователем Световой поток заданной интенсивности направляют на
поверхность объекта и регистрируют фотоприемниками, преобразуя в дискрет­
ные электрические сигналы зеркально и диффузно отраженные световые пото­
ки. Затем формируют выборки п регистрируемых световых потоков.
Для каждой выборки объема п в блоке контроля измеряют оценки диспер­
сий зеркальной и диффузной составляющих и их произведение А = d^dj. По
произведению судят о наличии или отсутствии дефектов на поверхности кон­
тролируемого объекта.
Так как измерение профиля поверхности (как случайного процесса) в дан­
ном случае носит дискретный характер, то для оценки дисперсии принимается
следующее выражение:
d,j
=
1
"
1 "
(П)
где Л,, R - текущие значения зеркальной или диффузной составляющих для
/•=(и,...,и),/=(12,...,«).
Фотонриелтики
Излучатель
Рис 9 Схема оптоэлектронного преобразователя
17
Применение дисперсий для обнаружения дефектов обусловлено следующи­
ми причинами: увеличивается отношение сигнал/шум; значение параметра А
не зависит от знака входного сигнала с датчиков. Анализ математических мо­
делей показал, что значение параметра А при наличии дефекта на порядок пре­
восходит его значение при отсутствии дефекта.
Программное обеспечение Resource позволяет реализовывать анализ произ­
ведений дисперсий интенсивности зеркальной и диффузной составляющих рас­
сеянного поверхностью светового потока, и автоматизировано оценивать раз­
меры зоны упругопластической деформации.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследова­
ний, подтверждающие связь между размерами зоны упругопластического де­
формирования и степенью усталостного повреждения испытываемого образца.
Описана методика проведения экспериментальных исследований На основе
экспериментальных данных получена регрессионная модель, позволяющая оце­
нить относительный выработанный ресурс диагностируемого образца
Для экспериментальных исследований были изготовлены лабораторные об­
разцы, имитирующие стыковое сварное соединение. В качестве материала об­
разцов бьш выбран прокат листовой стальной марки СтЗсп ГОСТ 14637 - 89,
характерный для металлоконструкций грузоподъемных машин.
На сварных образцах, с теоретическим значением коэффициента концен­
трации напряжений а^ =2 и с асимметрией цикла R^ = 0,3, проводили цик­
лическое растяжение при напряжении а^^х - 200 МПа, характерном для зон
конструктивной концентрации. Поверхность испытываемых образцов в районе
концентратора напряжений полировалась
Измерение размеров зоны упругопластической деформации на поверхности
испытываемых образцов осуществлялось оптическим рефлектометрическим
методом, по алгоритму, реализующему произведение оценок дисперсий зер­
кальной и диффузной составляющих
Анализ полученных данных: относительные величины ресурса (Ng) - раз­
меры зоны упругопластической деформации ( L ^ ) позволяет предположить,
что между ними существует связь вида N„ = Q00447f L^„,) +1,0067 j ^ * ' ' ^ (рис
10). Проверка модели с помощью критерия Фишера подтвердила ее адекват­
ность. Полученная модель позволяет оценить относительный выработанный ре­
сурс диагностируемого образца.
18
1,0-1
т
ч
т ЖУ
т.
nfi ^
▼
I-
О u,o -^
vir
V'» ▼
и,4
V
ПЯ J
т т
'Т
J
(\
т
'▼
и,1 0.0 Н
0,0 0,5 1,0
1
—т-—
'
— т
1
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Размер Lyrifl, мм
Рис 10. Зависимость размеров зоны упругопластического деформирования
от относительного ресурса
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В диссертационной работе решена научно - техническая задача, состоящая
в повышении безопасности эксплуатации несущих металлоконструкций машин
методом диагностики их технического состояния по размерам зоны упругопластической деформации в условиях циклического нагружения
В рамках проведенных исследований получены следующие основные ре­
зультаты
1. Метод диагностики несущих металлоконструкций грузоподъемных ма­
шин, основанный на анализе изменений линейных размеров зоны упругопластической деформации контрольных площадок под действием циклического
нагружения, сводит к минимуму участие оператора и обладает высокой объек­
тивностью оценки. Патент РФ №2255327.
2. Модель накопления усталостных повреждений, учитывающая влияние
геометрических размеров зоны упругопластической деформации на момент за­
рождения усталостной трещины.
3. Конечно-элементные модели металлоконструкций грузоподъемных ма­
шин с оценкой потенциальных мест их разрушения.
4. Программное обеспечение Resomce позволяет осуществлять анализ про­
изведений дисперсий интенсивности зеркальной и диффузной составляющих
19
рассеянного контролируемой поверхностью светового потока, и автоматизиро­
вано оценивать размеры зоны упругопластической деформации.
5. Экспериментальные исследования, подтверждающие связь Meaqjy изме­
нениями линейных размеров зоны упругопластической деформации поверхно­
сти контрольной площадки и степенью усталостного повреждения испытывае­
мого образца Линейные размеры зоны упругопластической деформации на
стадии образования макротрещины изменяются в пределах от О до 5,5 мм.
6. Регрессионная модель, позволяющая оценить относительный выработан­
ный ресурс диагностируемого образца. N^ = 0i0OA47(Ly„^ +1,0067 J ^ * ' * ' ^ .
О С Н О В Н О Е С О Д Е Р Ж А Н И Е ДИССЕРТАЦИИ И З Л О Ж Е Н О В
РАБОТАХ
1. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Толоконников А.С Автоматизация ди­
агностики повреждаемости металлоконструкций кранов в зонах концентрации
напряжений // Автоматизация: Проблемы, идеи, решения' Сборник трудов ме­
ждународной конференции АПИР-8 / Под ред. Ю Л Маткина, А.С. Горелова Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - С. 23 - 25.
2. Селиверстов Г.В , Сорокин П.А., Толоконников А.С. Проявление по­
вреждаемости металлоконструкций в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании. // Известия ТулГУ, серия «Подъемнотранспортные машины и оборудование». Вып. 4. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С. 202 - 207
3. Селиверстов Г В , Сорокин П.А., Толоконников А.С. Повреждаемость
металлоконструкций в зонах концентрации напряжений при упругопластичном
деформировании. // Тяжелое машиностроение, № 1, 2004 - С. 14 - 15.
4. Селиверстов Г.В , Толоконников А.С. Автоматизированный мониторинг
несущих металлоконструкций кранов с помощью средств оптической рефлектометрии. // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и
образования. Том 2 / Под редакцией' В.П. Савиных, В В . Вишневского. - М.:
Академия наук о Земле, 2004. - С. 123-125.
5 Сорокин П А , Толоконников А.С Контроль поверхностных дефектов
методом анализа дисперсий. // Труды конференции «Технологическая системо­
техника - 2002», Тула: Изд-во ТулГУ, 2002. - С. 45 - 47.
6. Сорокин П.А, Селиверстов Г.В., Дронов В.С , Толоконников А.С. Из­
менение оптических свойств поверхности при упругопластической деформации
малой области металлоконструкции. // Межвузовский сборник научных трудов
«Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и де­
талей машин» / Под ред. Н.Б. Демкина. - Тверь: ТГТУ, 2005. - С 34 - 37.
7. Толоконников А.С Повреждаемость крановых металлоконструкций в
зонах концентрации напряжений при циклическом нагружении // Восьмая
межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых
«Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины и робототехнические комплексы» (тезисы докладов) - М : МГСУ, 2004. - С. 92 - 93
20
№2 0 82 1
8. Толоконников А.С. Контроль повреждаемости несущих металлоконст­
рукций кранов. //1 Всероссийская научно-техническая конференция студентов
и аспирантов «ИДЕИ МОЛОДЫХ - НОВОЙ РОССИИ» (сборник тезисов док­
ладов) - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - С. 84 - 85.
9. Толоконников А . С , Испирян Р.А. Автоматизация обработки результатов
исследования накопленной повреждаемости поверхности нагружаемого мате­
риала. // Межвузовский сборник научных трудов «Механика и физика процес­
сов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин» / Под ред. Н.Б
Демкнна. - Тверь: ТГТУ, 2005. - С. 23 - 25.
10. Толоконников А.С. Исследование напряженно-деформированного со­
стояния металлоконструкций вблизи концентраторов напряжений. // Известия
ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование, Вып 5 - Тула.
Изд-во ТулГУ, 2004. - С. 136 - 138.
11. Патент РФ №2255327, G01N21/88. Способ контроля трещинообразования в металлоконструкциях / Г.В. Селиверстов, П.А. Сорокин, А С. Толоконни­
ков//2005,- №18.
РНБ Русский фонд
2006-4
19388
11л
mil
II'.S'JO;O.>(M]OI Г ' ' 2 07
I lo.imic.iiio иисчагь / й / Й
'I'dps'
60\S-i''^^
Ч1\' II owi.ii
IIWMI и
и DU\h4
'^^ b\\t.ii4i
b\\t.ll4l IwliCLMHiW
WICLMI
"^t. IH.M I 1.Z,
■^■'l-HJi 1 JJO
liip.iA /OO >^i ■i.iKa)
^"ft\\ Ib^kllll IOC) U1|H IHC llll.lll MIUHCpcillCI
~ть\.)(\ I
1_\ 1,1. .IT.
'Icmiii.1. У2
Ошсмамио I' 'lj/uriLMi.criie
h
II. MHO i o c \ u i p c m c
■"<(I0600 I
кчч) y i m n c p c m c i a
l\;id. \л b o . n m i a . 151
^
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 053 Кб
Теги
bd000100032
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа