Содержание к диссертации
Введение
1. Поврежденность и диагностирование несущих металлоконструкций грузоподъемных машин
1.1. Силовые факторы, воздействующие на металлоконструкцию в процессе работы 7
1.2. Процесс накопления поврежденности и разрушения 10
1.3. Места наиболее подверженные разрушению в металлоконструкции 11
1.4. Методы диагностики металлоконструкций грузоподъемных машин 18
1.5. Цель работы и задачи исследования .30
2. Методика расчета усталостной поврежденности
2.1. Конечно-элементная модель грузоподъемной машины .31
2.2. Построение графиков стационарных процессов нагружения .43
2.3. Методика определения ресурса узла металлоконструкции с учетом переменных асимметрии и амплитуд напряжений 74
3. Построение рационального плана применения методов инструментального контроля металлоконструкций
3.1. Методика эксперимента .114
3.2. Анализ экспериментальных данных .118
3.3. Анализ по соотношению сигнал-шум 125
3.4. Анализ по величинам средних потерь .131
3.5. Анализ затрат на применение методов .135
3.6. Свертка критериев 138
3.7. Возможность применения методов диагностирования для мест потенциального разрушения .141
3.8. Построение рационального плана диагностирования для мест потенциального разрушения 146
Основные результаты и выводы 150
Библиографический список
- Процесс накопления поврежденности и разрушения
- Методы диагностики металлоконструкций грузоподъемных машин
- Построение графиков стационарных процессов нагружения
- Анализ экспериментальных данных
Процесс накопления поврежденности и разрушения
Нагрузка, возникающая от перекоса крановых мостов, имеет вид сосредоточенной силы и прикладывается к горизонтальной плоскости касания ведущих колес с рельсом. Данная нагрузка направлена параллельно оси концевой балки моста крана.
При расчете металлоконструкции стрелы в стреловых кранах учитывают не только перечисленные нагрузки, но и нагрузку от полиспаста изменения вылета стрелы и натяжения тросов грузового полиспаста.
Для статически неопределимых металлоконструкций при колебаниях температур ±40С учитывают температурные нагрузки. Начальная температура обычно принимается равной 10С. Также при расчете необходимо определять сосредоточенные и распределенные транспортные и монтажные весовые нагрузки при этом учитывать условия производства монтажных работ и транспортирования [1].
Площадки, которые предназначены для установки механизмов передвижения, должны быть рассчитаны на нормативную нагрузку от собственного веса площадки (коэффициент перегрузки здесь равен 1,1) и механизма (коэффициент перегрузки здесь равен 1,2), на действие пускового (тормозного) момента, который действует на выходном валу редуктора. Перила должны быть рассчитаны на подвижную горизонтальную нагрузку в 300 Н, которая приложена к поручню. Лестницы должны быть рассчитаны на сосредоточенную нагрузку в 1200 Н [1,33].
Для оценки остаточного ресурса или при проектировании узлов с высокой концентрацией напряжений встает вопрос о знании данных действующих нагрузок [8]. Поэтому при определении потенциальных мест образования трещин в несущих металлоконструкциях необходимо моделировать работу крана, с учетом перечисленных факторов, влияние которых можно задать с помощью автокорреляционных функций.
Моделируя процесс нагружения крана с помощью пакета программ APM WinMachine, разработанным в НТЦ «Автоматизированное проектирование машин» (г. Королев), или ANSYS, можно с большой точностью рас-9 считать кинетику напряжённого состояния в зонах концентрации. Знание закона изменения напряжённого состояния позволяет более точно рассчитывать остаточный ресурс до появления макротрещин, снизить капитальные вложения в новую технику, существенно облегчить металлоконструкцию, экономить металл (уменьшить металлоёмкость) и повысить безопасность при эксплуатации грузоподъемного крана.
Процесс накопления поврежденности и разрушения В механике разрушения материалов принято выделять два этапа усталостного разрушения. Этап, включающий формирование обратимых и необратимых повреждений, и этап распространения макротрещины до критической величины и окончательного разрушения [19, 20, 35, 36].
На первом этапе происходит зарождение микротрещин в приповерхностных слоях деформируемого материала посредством эволюционной структуры, которое контролируется в основном касательными напряжениями и локальными свойствами структуры.
На втором этапе разрушение локализовано у вершины макротрещины и происходит в условиях автомодельности в плоскости действия максимальных растягивающих напряжений. Ее распространение зависит от трещино-стойкости материала в заданных условиях. Каждый этап усталостного разрушения можно разделить на два периода.
Первый период – инкубационный, связан с накоплением искажений кристаллической решетки. Для малоуглеродистых сталей длительность инкубационного периода может варьировать в пределах от 1 до 5 % от общего срока службы металла.
Второй период – разрыхления (зарождение и развитие субмикроскопических трещин) и окончание первого этапа. Длительность периода разрыхления может варьировать от 3 до 7 %.
Третий период – развитие микротрещин до макротрещин критического размера. Четвертый период – окончательное разрушение и окончание второго этапа. Причем проведенные исследования показали, что относительная длительность этапов практически не зависит от амплитуды напряжений.
Таким образом, субмикроскопические трещины зарождаются задолго до окончательного разрушения, а общий срок службы металла в основном определяется длительностью развития трещин от субмикроскопических размеров до макротрещин критического размера.
Инкубационный период усталости можно разделить еще на ряд стадий, каждая из которых имеет свои специфические особенности. Места наиболее подверженные разрушению в металлоконструкции
Грузоподъёмные краны за весь срок службы производят циклическую работу по подъёму, транспортированию и опусканию грузов в соответствии с эксплуатационными требованиями обслуживаемого производства. В результате работы крановой металлоконструкции, в циклическом режиме, происходит её разрушение. Основной причиной появления разрушения крановых металлоконструкций является накопленная усталостная повреждаемость, которая получила стадийное развитие от субмикропластической деформации до магистральных трещин.
Разрушение металлоконструкций происходит из-за действия циклических нагрузок, в местах, где наблюдается высокая концентрация напряжений, вызванная технологическими (низкое качество сварного шва и др.), конструктивными или эксплуатационными факторами.
Методы диагностики металлоконструкций грузоподъемных машин
Места потенциального разрушения, которые были рассмотрены в пункте 1.3 подвержены трещинообразованию в различной степени, трещины могут возникать до истечения нормативного срока службы.
Для рационального применения методов по пункту1.4 возникает вопрос о классификации мест потенциального разрушения по критерию скорости развития (времени) возникновения трещины. Эта задача может быть решена путем анализа напряженно-деформированного состояния крановой металлоконструкции в рамках выполнения им характерного технологического цикла.
В данной работе для исследования выбран мостовой кран коробчатого типа, грузоподъемность Q = 12,5 т., пролет крана L=16,5 м. Вес груза m = 12,5 т (Q2= 125 кН; на одно колесо =31,25 кН). Главная балка имеет поперечные основные и дополнительные ребра жесткости. Главная и концевая балка соединены встык при помощи сварки. Стержням, находящимся на боковых сторонах главной балки, присваиваем в качестве поперечного сечения профиль [2], а стержню на верхней части балки поперечное сечение рельса КР70 ГОСТ 4121-76 [25].
Модель строим в декартовой системе координат. При построении используем восходящий способ моделирования: узлы – стержни – поверхности – объемы. Поверхностям в качестве атрибутов задаем тип материала и значение толщины. Строим только несущую конструкцию крана: мост – главные и концевые балки, площадка обслуживания, площадка троллейная, кабина с электроаппаратурой и механизмы передвижения крана – в расчет не берутся.
Для упрощения построения строим раздельно главную и концевую балки. Так как они симметричны, то достаточно построить половину конструкции. Затем все части объединяем. Разбиение конструкции на конечные элементы производим в процессе построения модели. Каждая пластина разбивается автоматически после вы-31 деления объекта. При этом для имитации соединения необходимо производить разбиение через узлы построения элементов, чтобы не возник разрыв между частями металлоконструкции.
Для получения результатов напряжений при динамическом воздействии на металлоконструкцию мостового крана смоделируем его работу по подъему груза «с подхватом» в начале главной балки, перемещение его вдоль пролета, опускание в место назначения и возвращение в исходное положение [3, 5, 9, 14, 38, 42, 49, 72].
В процессе работы на металлоконструкцию мостового крана оказывают воздействие вертикальная нагрузка Fв, горизонтальная нагрузки Fг и продольная нагрузка Fп [11, 15, 16].За основу расчёта конечно-элементной модели взята диаграмма вышеуказанных сил [77].
Общая диаграмма нагрузок Графически их изменение изображено на рисунке. 2.1. Проведя анализ полученных данных можно сделать вывод о действии нагрузок на металлоконструкцию крана. Наибольшие и более значимые воздействия оказывает вертикальная нагрузка, возникающая от действия давления на металлоконструкцию грузовой тележки с грузом. Также нужно отметить скачкообразное действие горизонтальной нагрузки, достигающей достаточно высокого значения. Она возникает, при так называемом несвободном движении, когда реборды одного или нескольких колес приходят в соприкосновение с рельсовым путем в начальный неустановившийся момент движения крановой тележки. Продольная нагрузка оказывает меньшее влияние на металлоконструкцию, но в сумме все нагрузки вызывают сложное напряженное состояние.
Полная конечно-элементная модель мостового крана показана на рисунке 2.2. Каждое из выделенных мест потенциального разрушения имеет свой индивидуальный характер нагружения. Причем в течение одного рабочего цикла крана, указанные узлы испытывают неоднократное циклическое на-гружение, проходящее в условиях переменных асимметрии цикла и амплитуд напряжений [10,11].
Для мест потенциального разрушения м/к результаты изменения напряженно-деформированного состояния представлены в табл. 2.1. Для более наглядного представления результатов исследования представим полученные данные в виде графиков зависимостей эквивалентного напряжения от времени (рисунок 2.3-2.24).
Построение графиков стационарных процессов нагружения
Места потенциального разрушения, которые были рассмотрены в пункте 1.3 подвержены трещинообразованию в различной степени, трещины могут возникать до истечения нормативного срока службы.
Для рационального применения методов по пункту1.4 возникает вопрос о классификации мест потенциального разрушения по критерию скорости развития (времени) возникновения трещины. Эта задача может быть решена путем анализа напряженно-деформированного состояния крановой металлоконструкции в рамках выполнения им характерного технологического цикла.
В данной работе для исследования выбран мостовой кран коробчатого типа, грузоподъемность Q = 12,5 т., пролет крана L=16,5 м. Вес груза m = 12,5 т (Q2= 125 кН; на одно колесо =31,25 кН). Главная балка имеет поперечные основные и дополнительные ребра жесткости. Главная и концевая балка соединены встык при помощи сварки. Стержням, находящимся на боковых сторонах главной балки, присваиваем в качестве поперечного сечения профиль [2], а стержню на верхней части балки поперечное сечение рельса КР70 ГОСТ 4121-76 [25].
Модель строим в декартовой системе координат. При построении используем восходящий способ моделирования: узлы – стержни – поверхности – объемы. Поверхностям в качестве атрибутов задаем тип материала и значение толщины. Строим только несущую конструкцию крана: мост – главные и концевые балки, площадка обслуживания, площадка троллейная, кабина с электроаппаратурой и механизмы передвижения крана – в расчет не берутся.
Для упрощения построения строим раздельно главную и концевую балки. Так как они симметричны, то достаточно построить половину конструкции. Затем все части объединяем. Разбиение конструкции на конечные элементы производим в процессе построения модели. Каждая пластина разбивается автоматически после вы-31 деления объекта. При этом для имитации соединения необходимо производить разбиение через узлы построения элементов, чтобы не возник разрыв между частями металлоконструкции.
Для получения результатов напряжений при динамическом воздействии на металлоконструкцию мостового крана смоделируем его работу по подъему груза «с подхватом» в начале главной балки, перемещение его вдоль пролета, опускание в место назначения и возвращение в исходное положение [3, 5, 9, 14, 38, 42, 49, 72].
В процессе работы на металлоконструкцию мостового крана оказывают воздействие вертикальная нагрузка Fв, горизонтальная нагрузки Fг и продольная нагрузка Fп [11, 15, 16].За основу расчёта конечно-элементной модели взята диаграмма вышеуказанных сил [77]. Общая диаграмма нагрузок Графически их изменение изображено на рисунке. 2.1.
Проведя анализ полученных данных можно сделать вывод о действии нагрузок на металлоконструкцию крана. Наибольшие и более значимые воздействия оказывает вертикальная нагрузка, возникающая от действия давления на металлоконструкцию грузовой тележки с грузом. Также нужно отметить скачкообразное действие горизонтальной нагрузки, достигающей достаточно высокого значения. Она возникает, при так называемом несвободном движении, когда реборды одного или нескольких колес приходят в соприкосновение с рельсовым путем в начальный неустановившийся момент движения крановой тележки. Продольная нагрузка оказывает меньшее влияние на металлоконструкцию, но в сумме все нагрузки вызывают сложное напряженное состояние.
График изменения напряжений 22-й области исследования Анализ графиков изменения напряжений (рисунок 2.3-2.24) показывает, что за один рабочий цикл крана происходит неоднократное циклическое нагружение в местах потенциального разрушения.
Одной из особенностей работы металлоконструкций подъемно-транспортных машин являются переменные напряжения, которые они испытывают. Учитывая это, для многих типов машин необходимо учитывать явления усталости в процессе их расчета и конструирования [29,30].
Продолжительность эксплуатации кранов до момента нахождения усталостных разрушений изменяется от нескольких месяцев до десятка лет, то есть наблюдаются разрушения вследствие длительной, а также очень кратковременной эксплуатации. Преждевременные усталостные разрушения имеют место быть, главным образом, из-за имеющихся в конструкции крана боль-42 ших концентраторов напряжений, которые являются следствием дефектов изготовления или перегрузки конструкции повышенными динамическими воздействиями внешних сил, а в определенных случаях вследствие неправильной эксплуатации и из-за систематического превышения грузоподъемности кранов. Статистика эксплуатационных разрушений сварных конструкций, работающих в условиях переменных напряжений, показывает, что до 90 % разрушений происходит от усталости.
Построение графиков стационарных процессов нагружения Одной из особенностей работы металлоконструкций подъемно-транспортных машин являются переменные напряжения, которые они испытывают. Учитывая это, для многих типов машин необходимо учитывать явления усталости в процессе их расчета и конструирования [78].
Длительность эксплуатации кранов до момента нахождения усталостных разрушений изменяется от нескольких месяцев до десятка лет, то есть наблюдаются разрушения в результате продолжительной, так и очень кратковременной эксплуатации. Преждевременные усталостные разрушения имеют место быть, главным образом, из-за имеющихся в конструкции крана больших концентраторов напряжений, которые являются следствием дефектов изготовления или перегрузки конструкции повышенными динамическими воздействиями внешних сил, а в определенных случаях из-за неправильной эксплуатации и из-за систематического превышения грузоподъемности кранов. Статистика эксплуатационных разрушений сварных конструкций, работающих в условиях переменных напряжений, показывает, что до 90 % разрушений происходит от усталости.
Для схематизации графиков изменения напряжений каждого ХТЦ был использован метод «потоков дождя» [23,80]. Характер цикла переменных напряжений определяется коэффициентом асимметрии цикла, оказывающему влияние на повреждаемость металлоконструкции [6]:
Анализ экспериментальных данных
Одной из основных и наиболее сложных проблем приборостроения является отыскание наилучших способов приема и обработки полезных сигналов при наличии помех [73, 94]. Оптимальность метода приема сигнала оценивается с помощью различных критериев в соответствии с назначением прибора. При решении задачи по обнаружению сигнала на фоне помех критерием оптимальности является отношение сигнал/помеха (сигнал/шум), а при решении задачи измерения (воспроизведения) какого-либо параметра сигнала таким критерием может служить средняя квадратическая погрешность измерения.
Рассмотрим в общем виде процедуру обнаружения сигнала на фоне помех (шумов). На первом ее этапе производится обработка полученной смеси сигнала и помех, позволяющая наиболее эффективно выделить полезный сигнал и максимально подавить помеху. На втором этапе по выбранному критерию проводится оценка наличия или отсутствия сигнала в принятой смеси. Простейшим критерием является превышение обработанной (отфильтрованной) смеси сигнала и помехи Хф некоторого порогового значения Х0. При этом принимается решение о наличии сигнала [35].
Структурная схема системы, реализующей рассмотренную процедуру, представлена на рис. 4.1. Помимо внешних помех n к сигналу s могут добавляться и внутренние помехи, т. е. смесь х может включать и шумы приемного устройства. Пороговый уровень может быть задан постоянным или изменяющимся по заранее обусловленной программе либо в соответствии с каким-либо параметром выборки х, например с ее дисперсией. Возможна адаптивная подстройка Х0 в зависимости от s и n(см. штриховую линию на рисунке 3.11).
Предположим, что на входе прибора имеет место аддитивная смесь полезного сигнала s и помехи n: причем х, s, n являются одномерными или многомерными функциями таких аргументов, как время, длина волны излучения, координаты в пространстве и т. д. Обозначим через Ps (x) и Рn (х) условные априорные вероятности получения смеси х при условиях, что в ней присутствует или отсутствует сигнал s соответственно. Очевидно, что
Устройство W задания пор ога Рис.3.11. Структурная схема системы обнаружения сигнала на фоне помех Итак, сигналом называют изменение какой-либо величины во времени. Это может быть напряжение, вес, скорость и т.д. Сигнал является абстрактной безразмерной величиной.
В связи с масштабным развитием вычислительной техники обработку сигналов все чаше производят с её помощью. Для того чтобы обработать сигнал с помощью ЭВМ необходимо привести его к цифровой форме. Исходный сигнал, как правило, представлен в аналоговой форме. Процедура преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую называют анало-го-цифровым преобразованием, а устройство преобразования аналого-126 цифровым преобразователем (АЦП, ADC). Обратное преобразование называют цифро-аналоговым, а устройство преобразования цифроаналоговым преобразователем (ЦАП, DAC).
При цифровой обработке сигналов часто применяют принцип разложения сигнала на составляющие (или просто разложение). Сигнал может быть разложен как в линейную комбинацию сигналов, так и в сложные формы, например в набор синусоид при дискретном преобразовании Фурье. Обратный процесс называется сверткой сигнала.
В сигнал можно выделить две составляющие: информационно значимую и шум. Шум может появиться в сигнале при различных условиях. Очень распространен шум квантования, вызванный ошибкой при сопоставлении непрерывного уровня сигнала с его дискретным значением. Также шумы могут быть вызваны искажением аппаратной части (датчиков) с помощью которых был снят сигнал. Шум неприятен тем, что он искажает необходимую нам информацию.
Рассмотрим сигнал от приборов анализа крановых металлоконструкций. При отсутствии повреждений сигнал от приборов имеет малую амплитуду. Это говорит о наличии шума. Очевидно, что отклонение шума от его среднего значения будут искажать картину измерений (шум в виде постоянного значения не несет значения, так как исказит лишь амплитуду обрабатываемого сигнала, а не его форму). Таким образом, получим, что дисперсия шума есть его характеристика для нашего случая. Рассмотрим сигнал от прибора анализа крановых металлоконструкций при наличии повреждений. Присутствие повреждений можно определить как резкие всплески сигнала. Очевидно, максимальная амплитуда сигнала будет характеризовать его как информационно значимую часть.
Соотношение «сигнал/шум» является абстрактной величиной, характеризующей качество сигнала (его «чистоту» от шума). Чем выше эта величина, тем более явно выражен сигнал на уровне шума и наоборот. Как правило, данная величина измеряется в логарифмической шкале (в белах). Соотноше-127 ние «сигнал/шум» определяется отношением сигнала к шуму. Для нашего случая можно принять его как отношение максимального значения сигнала от прибора при наличии повреждений к дисперсии шума.
Данная величина показывает качество сигнала от прибора исследования металлоконструкций и характеризует его добротность. В совокупности с другими критериями, данный критерий может быть положен в основу выбора оптимального метода исследования крановых металлоконструкций.
Отношение «сигнал-шум» обладает следующими свойствами [4]: Отношение «С/Ш» отражает вариабельность в отклике системы, вызванном шумовыми факторами. Отношение «С/Ш» не зависит от регулировки среднего, то есть с её помощью можно предсказывать качество, даже если целевое значение будет изменяться Отношение «С/Ш» измеряет относительное значение качества, что удобно для сравнения. В качестве базового соотношения была принята следующая формула [12,13] Данное соотношение позволяет оценить и графически представить эффективность перечисленных методов.
При увеличении значения сигнала и уменьшении шума характеристики становятся менее критичными к воздействию шумов, а потери сразу уменьшаются. Результаты анализа по данному критерию представлены в табл. 3.3 и графически на рисунке 3.12.
