Содержание к диссертации
Введение
2. Анализ ветрового воздействия на сооружение
2.1. Разработка способа определения скорости невозмущенного ветра по данным измерений в "ближней зоне" 11
2.2. Анализ многолетнего архива записей скорости и направления ветра 22
2.3. Выводы по разделу 26
3. Экспериментальное определение динамических характеристик сооружения
3.1. Методы определения динамических характеристик и их применение на Главном монументе 28
3.2. Структура электронных архивов мониторинга и особенности определения собственных частот и декрементов колебаний на Главном монументе 35
3.3 Сравнительный анализ двух способов получения архивов для определения динамических характеристик с использованием программы "Декремент" 38
3.4. Определение динамических характеристик по I тону кручения. 47
3.5. Выводы по разделу 52
4. Результаты многолетнего динамического мониторинга Главного монумента
4.1. Необходимость систематического анализа динамических характеристик 54
4.2. Результаты обработки динамических архивов на примере колебаний вершины стелы по данным акселерометров 55
4.3. Результаты многолетнего мониторинга основных динамических процессов Главного монумента 68
4.4. Система мониторинга Главного монумента 72
4.5. Выводы по разделу 78
5. Система динамических гасителей колебаний, опыт и перспективы ее совершенствования
5.1. Опыт эксплуатации системы из нескольких динамических гасителей колебаний для нескольких частот, одновременно установленных на одном высотном сооружении 80
5.2. Анализ интенсивности работы механизмов гасителей на примере ДГК-10. Обоснование необходимости дублирования для механизма гашения колебаний I тона изгиба 92
5.3. Совершенствование системы гасителей колебаний на Главном монументе. Сравнительный анализ вариантов и результаты реконструкции гасителей 108
5.4. Выводы по разделу 121
6. Акустико-эмиссионный контроль основных несущих металлоконструкций как составная часть единой комплексной системы долговременного мониторинга
6.1. Особенности акустико-эмиссионного контроля на Главном монументе 123
6.2. Разработка методики акустико-эмиссионного контроля. Исследование применимости компонентов системы АЭ-контроля для многолетних наблюдений 127
6.3. Разработка системы автоматического включения АЭ-контроля при критических скоростях ветра. Результаты мониторинга акустической эмиссии с использованием комплекта оборудования "LOCAN-320" 142
6.4. Проект электронной экспертной системы. Критерии сравнения данных мониторинга 149
6.5. Выводы по разделу 152
7. Заключение 155
Библиографический список 160
Приложения:
Приложение 1. Ящик-пригруз. Чертеж общего вида 174
Приложение 2. Стойка опорная. Чертеж общего вида 17 6
Приложение 3. Методика центровки грузов ДГК-5 178
Приложение 4. Методика настройки по частоте 181
Приложение 5. Методика регулировки гасителя ДГК-5 185
- Анализ многолетнего архива записей скорости и направления ветра
- Результаты обработки динамических архивов на примере колебаний вершины стелы по данным акселерометров
- Анализ интенсивности работы механизмов гасителей на примере ДГК-10. Обоснование необходимости дублирования для механизма гашения колебаний I тона изгиба
- Разработка методики акустико-эмиссионного контроля. Исследование применимости компонентов системы АЭ-контроля для многолетних наблюдений
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В последние десятилетия в Российской Федерации построено значительное количество крупных инженерных сооружений, организация безопасной эксплуатации которых требует применения постоянно действующих систем долговременного контроля (мониторинга) их состояния. Зачастую эти сооружения оснащаются гасителями колебаний различных конструкций. Крупные сооружения аэродинамически неблагоприятных конструктивных форм обычно сложны в эксплуатации, поскольку необходимо принимать меры по снижению нагрузок при возникновении резонансных колебаний. Кроме того, современные металлические конструкции сложной внешней формы могут оказаться в невыгодных ветровых условиях среди городской застройки. В условиях мегаполиса к этим конструкциям предъявляются дополнительные повышенные требования надежности, обусловленные возможными последствиями аварийной ситуации для значительного количества людей. В соответствии с ГОСТ Р22.1.12 - 2005, для категории потенциально опасных инженерных объектов следует использовать структурированную систему мониторинга и управления инженерными системами.
Ярким примером сложного инженерного сооружения, обладающего различными видами аэродинамической неустойчивости в ветровом потоке, вследствие того, что его конструкция полностью определена художественным замыслом архитектора, является Главный монумент памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве.
Монумент является уникальным высотным инженерным сооружением. Он представляет собой стелу-обелиск высотой 142 м. в виде усеченной трехгранной пирамиды, с прикрепленной к ней на высоте 110 м. скульптурной группой «Богиня Ника с амурами». В силу особенностей конструктивного решения, подчиненного воплощению художественного замысла, под воздействием эксплуатационной ветровой нагрузки сооружение подвержено резонансным колебаниям на нескольких собственных частотах, поэтому Главный монумент оснащен системой динамических гасителей колебаний (ДГК) для снижения их интенсивности. Нормальная эксплуатация монумента требует надежной работы устройств гашения колебаний, а также отлаженного функционирования системы контроля (мониторинга) состояния сооружения.
Вследствие особой значимости монумента его создателям понадобилось оснастить его несколькими механическими гасителями колебаний для раз-
личных резонансных частот, а в дальнейшем, совместно со службой эксплуатации, - создать уникальную систему контроля состояния (динамического мониторинга) сооружения, эксплуатируемую и развиваемую в течение длительного времени.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является решение (на примере Главного монумента памятника Победы) комплексной экспериментально - теоретической задачи по разработке системы контроля и управления колебательными процессами для инженерного сооружения, конструктивно склонного к резонансным явлениям под воздействием эксплуатационных нагрузок и снабженного в связи с этим механизмами гашения колебаний. Разработка системы включает в себя проведение натурных исследований колебаний реального сооружения для экспериментальной проверки разработанной системы.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать алгоритм определения параметров невозмущенного ветра по данным трех пар измерителей (флюгер + анемометр), расположенных в возмущенной зоне в непосредственной близости от граней сооружения. Произвести статистический анализ ветровой нагрузки на сооружение и выявить характерные диапазоны скоростей ветра, при которых в конструкции возникают резонансные явления.
Провести сравнительный анализ способов получения динамических характеристик сооружения на основе периферийного оборудования различных типов с использованием программы «Декремент» и компьютерного комплекса «Монитор». Усовершенствовать способ и методику определения динамических характеристик крутильных колебаний.
Разработать и изготовить измерительную аппаратуру, позволяющую измерять и записывать колебания сооружений в процессе воздействия эксплуатационного нагрузки в низкочастотной области от 2,4 до 0,01Гц.
Провести анализ данных многолетнего мониторинга основных динамических процессов Главного монумента памятника Победы на Поклонной горе, с целью получения результатов изменений основных частот колебаний, выявить причины этих изменений.
Исследовать действительную работу динамических гасителей колебаний. Разработать комплексную программу доработки и реконструкции гасителей.
6) Создать информационно-аналитическую систему динамического мониторинга сооружения на основании обобщения опыта создания подобной системы на Главном монументе с целью её применения для ряда других сложных инженерных объектов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:
Получены экспериментальные данные о динамической работе при воздействии эксплуатационной ветровой нагрузки основных металлоконструкций Главного монумента и механизмов гасителей колебаний.
Разработан и создан комплект измерительной аппаратуры, способной измерять и записывать с большой точностью колебательные перемещения элементов сооружений в области низких частот от 2,4 до 0,01 Гц.
Обобщены данные многолетнего динамического мониторинга основных колебательных процессов Главного монумента, произведена их обработка, полученные данные сравнены с результатами теоретических расчетов.
ДОСТОВЕРНОСТЬ выполненных исследований подтверждается сравнением с данными, полученными специализированными организациями: в части анализа скорости и направления ветра - Метеорологической обсерватории МГУ; в части экспериментального определения динамических характеристик - НАГИ им. Жуковского; в части параметров динамических гасителей колебаний типа «обращенный маятник» - ЦНИИПСК им. Мельникова. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:
Результаты работы позволяют обобщить их для дальнейшего применения при разработке комплексных систем мониторинга для строящихся потенциально опасных инженерных объектов, в том числе высоких гибких сооружений аэродинамически неустойчивой формы, висячих и вантовых мостов пролетами до 500 метров и более. Кроме того, результаты также могут быть использованы при выборе рациональных решений на стадии проектирования динамических гасителей колебаний.
Полученные результаты могут быть использованы при оснащении строящихся и уже существующих высотных сооружений комплексной системой динамического мониторинга с получением объективных данных об их колебаниях и отклонениях от вертикальности с целью передачи информации по каналам связи в дежурно-диспетчерские службы этих объектов для оценки, предупреждения и ликвидации возможных последствий дестабилизирующих факторов в реальном времени.
Результаты исследования действительной работы динамических гасителей колебаний, установленных на Главном монументе, позволяют оптимизировать систему технического обслуживания этих механизмов, внести необходимые изменения в Регламент по эксплуатации сооружения и в инструкции по эксплуатации механизмов динамических гасителей колебаний.
Разработанная аппаратура контроля и анализа колебаний в низкочастотной области в совокупности с оборудованием для измерения скорости и направления ветра позволяет проводить более глубокие исследования взаимодействия сооружений с ветровым потоком и уточнить взаимное влияние сооружения и установленных на нем гасителей колебаний нескольких частот.
Разработанные аппаратура контроля и анализа колебаний в низкочастотной области в совокупности с разработанной электронной экспертной системой позволяют решать широкий круг прикладных задач по определению фактических динамических характеристик сооружений и их составных частей, осуществлять динамический мониторинг состояния сооружений (в том числе в мобильном варианте).
Результаты диссертации использованы в ГУП «ГОРМОСТ» при разработке Регламента по содержанию объекта «Главный монумент памятника Победы на Поклонной горе» в г. Москве - утвержден в 2007 году.
Результаты диссертации использованы в ООО «ЦДМ» при разработке проекта системы мониторинга состояния конструкций Живописного моста через р. Москва на участке Звенигородского шоссе от МКАД до проспекта Маршала Жукова - 2008 год.
эмпирический метод определения параметров невозмущенного ветра по данным флюгеров и анемометров, установленных в области возмущенного ветрового потока вблизи граней стелы Главного монумента на Поклонной горе;
результаты создания и эксплуатации комплексной системы динамического мониторинга Главного монумента;
результаты многолетнего динамического мониторинга Главного монумента;
информационно-аналитическая система динамического мониторинга, с рабочим диапазоном контроля и анализа колебаний сооружений в области частот от 2,4 до 0,01Гц;
результаты определения эффективности работы и динамических характеристик гасителей колебаний, установленных на Главном монументе, в том числе после реконструкции;
модель информационно-аналитической системы динамического мониторинга сооружения.
Результаты работы докладывались на 11-ой научно-практической конференции «Проблемы управления качеством городской среды» (г. Москва, сентябрь 2007). По результатам работы опубликовано 4 научных статьи.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти разделов (глав) с выводами по каждому разделу, заключения, библиографического списка и 5 приложений. Объем диссертации - 164 страницы основного текста, в том числе 63 рисунка, 14 таблиц и библиографический список, включающий 117 наименований.
Анализ многолетнего архива записей скорости и направления ветра
Проанализируем архив скоростей и направлений ветра, измеренных и вычисленных в соответствии с вышеописанной методикой. Архив составлен за период с 21.03.2003 г. по 05.02.2006 г. и представляет собой (за вычетом периодов планового технического обслуживания и текущего ремонта оборудования) базу N = 7 806 измерений. Реально в обработке была подвергнута база измерений, отличных от нуля (V 1,0 м/с, где V - средняя скорость ветра с периодом осреднения 10 с), а именно N o = 6634 измерения.
Результатом анализа являются две диаграммы: а) распределение повторяемости по скоростям ветра на базе N 0 (Рис. 10) и б) роза ветров (Рис. 11).
Рассмотрим распределение повторяемости по скоростям ветра и сравним его с данными аналогичных измерений ближайшей метеорологической станции "Московский Государственный Университет", приведенными в [ 45 ]. Метеостанция "МГУ" расположена на Воробьёвском холме на расстоянии около 3 км от Монумента. Высота станции над уровнем моря составляет 192 м., что всего на 24 м превышает нижнюю отметку Монумента. Характер окружающей местности, включая растительность и строения, для обоих пунктов измерений аналогичен и соответствует типу местности "В" согласно СНиП [ 93 ]. Массив данных по метеостанции "МГУ" составляет NMry = 87 600 измерений скоростей ветра за 3 0-летний период с 1967 по 1996 г включительно. Измерения производились анеморумбографом М63-М на стандартной высоте 10 м над поверхностью земли с осреднением 10 минут, в соответствии с требованиями действующих норм.Сравнение двух кривых распределения приведено на Рис. 12. Ординаты кривых нормализованы соответственно их максимумам. Формы кривых распределения хорошо повторяют друг друга, несмотря на значительное различие по объемам обработанных архивов (NMry » N o) Существенное смещение по оси абсцисс графика, полученного обработкой ветрового архива на Монументе, вызвано существенно меньшей принятой величиной осреднения.
Из сравнения двух кривых распределения можно сделать вывод о пригодности для практического использования на данном объекте указанной методики вычисления параметров невозмущенного ветра в части значений скоростей ветра.
Теперь рассмотрим розу ветров, полученную на базе этого же архива (Рис. 11). Отдельными контурами показаны распределения повторяемости по направлению для слабых (V 2,0 м/с), умеренных (2,0 V 6,0 м/с) средних и сильных (V 6,0 м/с) ветров. На этой же диаграмме контурными линиями нанесена ориентация в плане поперечного сечения стелы. Легко видеть значительную степень подобия между очертаниями поперечного сечения стелы и контурами розы ветров, особенно для ветров слабых и умеренных, для которых базовая обеспеченность результатов построения выше. Это может свидетельствовать о том, что в части определения направления невозмущенного ветра алгоритм, описанный выше, является несовершенным. В первую очередь это касается пограничных участков между диапазонами трех "рабочих" граней. Кроме того, в результате обработки ветрового архива в части регистрируемых (вычисляемых) значений направления, обнаружено значительное количество "выколотых" точек. В данном случае речь идет о значениях угла места 9, для которых вероятность появления в архиве близка нулю в силу особенностей сопряжения компонентов электронного оборудования.
Результаты обработки динамических архивов на примере колебаний вершины стелы по данным акселерометров
Для определения динамических характеристик сооружения по форме спектральной плотности колебаний конструкции при помощи методики, описанной в разделе 3 настоящей работы, использовались динамические архивы с параметрами, приведенными в подразделе 3.2. Наиболее характерной точкой динамического контроля некоторого времени, выбор был остановлен на динамических архивах показаний акселерометров. Акселерометры типа ДВ-1 оказались в условиях эксплуатации на Главном монументе значительно более надежными, несмотря на объективные недостатки (описанные выше) полученных с их помощью динамических архивов.
Кроме существенной зависимости чувствительности метода от регистрируемой частоты колебаний сооружения, проблему представляла еще и незначительность интервала между регистрируемыми максимумами (резонансными частотами) II тона изгиба и I тона кручения, поскольку для этих тонов не выполняется условие: (fn - fn i) 2 (Afn + Afn-i), в соответствии с применяемой методикой. Для определения этих тонов, при записи колебаний, может потребоваться ряд мероприятий, чтобы в полученных реализациях амплитуды указанных тонов значительно отличались друг от друга.
Как было показано в разделе 3 данной работы, крутильные колебания, возникающие в сооружении под действием эксплуатационной ветровой нагрузки (в пределах до 14 ч- 16 м/с) , весьма невелики, а потому для своей регистрации требуют специального способа контроля при помощи оптического датчика с горизонтальной осью. Поэтому, для обработки динамических архивов показаний акселерометров, полученных при воздействии ветра из диапазонов скоростей А, Б и В (см. выводы по Разделу 2) эти колебания не регистрируются и не оказывают влияния на регистрацию колебаний по II тону изгиба. Что же касается диапазонов скоростей ветра ГиД, то для них возможна некоторая погрешность определения параметров (резонансных частот и декрементов затухания) близко расположенных в спектре колебаний II тона изгиба и I тона кручения. Однако, поскольку колебания II тона изгиба значительно интенсивнее (что легко видеть на Рис. 19: в крайней правой части приведенного участка амплитудного спектра мощности угадывается незначительный всплеск, соответствующий зависимости от реализации времени {t} с нерегулярным шагом разбиения. Нерегулярность вызвана особенностями сопряжения периферийных устройств с компьютерным оборудованием мониторинга .
Получение набора реализаций с равномерным шагом. Реализации исследуемых параметров {u(t)} и {v(t)} с нерегулярным шагом разбиваются на К реализаций {UKJ и {VK} с регулярным шагом h = 900/4096 = 0,22 с, длиной N = 4096. Значения вычисляются по линейной экстраполяции известных значений (u(t)} и {v(t)}. Граничная частота анализа равна: fc = l/(2 h) = 2,27 Гц. Если для обработки используются записи перемещений, их необходимо дважды продифференцировать. После дифференцирования устраняются статическая и линейная составляющие перемещений, которые вызывают появление больших пиков в спектральной плотности при частотах близких к нулевой. Дифференцирование выполняется по формуле: U"k,i = (uk,i i - 2 uk,i + uk,i+i)/ h2 , где Uk,i - i-e значение к-той реализации. При обработке данных акселерометров этот этап можно опустить. Далее для каждой реализации производится вычисление среднего значения, приведение процесса к нулевому среднему для упрощения последующих расчетов, вычисление среднеквадратичного отклонения и приведение к единичному среднеквадратическому значению, для того, чтобы обрабатываемые реализации {UK} и {VK} имели одинаковую интенсивность. Теперь реализации {UK} и {VK} имеют нулевые выборочные средние значения и единичные выборочные среднеквадратические отклонения.
Выполняется проверка условия стационарности и эргодичности процесса. Реализации {ХК} исследуемого процесса, не удовлетворяющие критериям стационарности и эргодичности, отбраковываются исходя из предположения, что выборочные средние Ok и среднеквадратические отклонения s являются нормальными случайными величинами в соответствии с критерием Н.В.Смирнова [ 97 ]. Предварительно результаты выборки исследуемой величины исследуемой величины djt располагаются в виде вариационного ряда. Производится оценка математического ожидания с? и среднеквадратического отклонения Sd Величины Сі и cn сопоставляются с критическим значением, взятым из статистической таблицы [ 97 ]. Если значение статистики окажется больше критического значения, то реализацию необходимо удалить из рассмотрения. После удаления реализаций, не удовлетворяющих критерию Смирнова, описанную процедуру необходимо повторить снова с оставшимися реализациями. Преобразованная дискретная последовательность хп длиной Т раскладывается стандартным образом в ряд Фурье, причем первый член ряда Ао = 0, поскольку равно нулю среднее значение преобразованной последовательности. В результате получаем первичную оценку спектральной плотности Gxx,Q , иначе называемую периодограммой.
Полученные первичные оценки являются неэффективными, поскольку изменчивость такой оценки не уменьшается с ростом длины реализации и размером выборки. Поэтому для получения истинной оценки спектральной плотности Gxx(f) выполняется сглаживание периодограммы по методу Хамминга. Сглаживание приводит к некоторому увеличению ширины и уменьшению высоты пиков спектральной плотности тем большему, чем ниже коэффициент затухания и больше число точек сглаживания. Увеличение ширины пика, в соответствии с принятой методикой, приводит к увеличению получаемых значений декрементов колебаний. Поэтому, полученные по сглаженным значениям спектральной плотности Gxx величины декрементов, необходимо разделить на коэффициент сглаживания ксгл , который зависит от частоты, декремента колебаний и числа точек сглаживания. Этот коэффициент вычисляется с использованием констант, полученных эмпирическим путем для основных тонов колебаний Главного монумента. Последним этапом методики является определение параметров колебаний (частоты и декремента) путем аппроксимации теоретической зависимостью экспериментальных пиков спектральной плотности по методу наименьших квадратов. Примеры аппроксимации формы пиков спектральной плотности колебаний по методам MIN и МАХ приведены на Рис. 25.
В ходе обработки динамические архивы (записи реализаций колебаний) разбиваются на участки длиной 900 сек, которые записываются с временным шагом h = 900/4096 0,2197 сек (4096 точек на реализацию) в архивный файл.
Форма реальных пиков спектральной плотности отличается от теоретической зависимости [ 53 ]. Отличие обуславливается многими причинами, среди которых работа гасителя колебаний (при этом пик разбивается на два), случайный характер ветровой нагрузки, изменение погодных условий в процессе записи и др. Программа автоматически производит оценку значений максимальной и минимальной границ декремента, при этом реальные значения декрементов лежат между ними.
Запись и спектральный анализ, а также определение частот и декрементов затухания колебаний производились в период, когда динамические характеристики сооружения стабилизировались (о чем речь будет идти ниже). В результате обработки равных по объему массивов данных о колебаниях вершины стелы, соответствующих интервалам скоростей ветровой нагрузки А, Б, В и Г (см. подраздел 2.4 настоящей работы) с относительно равномерным распределением направлений по сторонам горизонта, получены обобщенные значения величин частот и декрементов затухания колебаний. В соответствии с требованиями методики, для достижения нормированной среднеквадратической ошибки оценки спектральной плотности, равной є = 0,2, требуется не менее 24 peaлизаций, то есть не менее 6 часов записей динамического архива. Поэтому, суммарная длина каждого массива, для увеличения точности вычислений в связи с неучетом зависимости указанных характеристик от направления, была принята равной 28 реализациям.
Анализ интенсивности работы механизмов гасителей на примере ДГК-10. Обоснование необходимости дублирования для механизма гашения колебаний I тона изгиба
Как уже было отмечено выше, динамический гаситель колебаний ДГК-10 является механизмом, обеспечивающим снижение интенсивности колебаний основного колебательного процесса, присутствующего в сооружении в большинстве диапазонов воздействия ветровой нагрузки. Поэтому работоспособность и долговечность механизма гасителя ДГК-10 является определяющей в вопросах обеспечения долговечности сооружения в целом.
В процессе эксплуатации Главного монумента рядом специализированных организаций под общим руководством и при непосредственном участии института ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова (авторский коллектив под руководством Б.В.Остроумова), были выполнены исследовательские работы, направленные на уточнение особенностей работы сооружения, повышение надежности функционирования отдельных элементов и сооружения в целом, организации постоянного мониторинга сооружения, доработки и совершенствования механизмов динамических гасителей колебаний. Непосредственное участие в этих работах принимали сотрудники службы эксплуатации (ГУП "Гормост") под руководством автора.
Колебания с частотой первого тона изгиба гИзгі возникают, главным образом, в диапазонах скоростей ветра "Б" и "Д" (см. Выводы к разделу 2), причем в соответствии с распределением повторяемости по скоростям ветра (см. рис. 10) практически всю циклическую наработку сооружения дают, таким образом, резонансные колебания при скоростях ветра диапазона "Б" При этом в конструкции механизма гасителя ДГК-10, как, впрочем, и других гасителей колебаний Главного монумента, применены типовые детали, разработанные для иных механизмов и машин, а потому работающие в данном применении нештатно. Например, в конструкциях подвесок и стоек качающихся масс, а также в узлах присоединения демпфирующих устройств к массам гасителей, применены карданные шарниры, разработанные для автомобильной промышленности. Для этих деталей существующими нормативными документами нормируется максимальный крутящий момент, который при работе указанных деталей в составе механизма гасителя колебаний не возникает. И напротив, при работе указанных автомобильных карданных шарниров в составе механизмов гасителей колебаний они испытывают нагружение продольной (осевой) силой, действие которой на данную деталь нормативными документами не регламентируется.
Для определения интенсивности работы механизма гасителя ДГК-10 в программу архивации данных мониторинга сооружения включен раздел, фиксирующий наработку гасителя. Характеристика Аю архива первого уровня (см. подраздел 3.2) представляет собой путь, пройденный центром масс гасителя за интервал измерений (1 раз в 3 часа) Анализ архива наработки гасителя Аю за продолжительный период времени (несколько месяцев) позволяет вычислить процент его включения в работу (ПВ%) в течение всего периода эксплуатации Главного монумента.
Кроме того, главный гаситель колебаний ДГК-10 в процессе его доработки в ходе эксплуатации был оснащен датчиком - си-лоизмерителем. Конструкция силоизмерителя разработана автором работы, а затем одобрена и включена в состав исполнительной документации ЦНИИПСК им. Мельникова. В дальнейшем устройство было изготовлено силами службы эксплуатации Главного монумента ("ГУП Гормост") и в настоящее время успешно эксплуатируется.
Устройство силоизмерительное предназначено для измерения знакопеременных нагрузок по оси демпфера гасителя колебаний Главного монумента. Устройство предназначено для работы в составе комплекса контрольно-измерительного оборудования. Чертеж общего вида устройства силоизмерительного приведен на Рис. 43.
Устройство состоит из индукционного датчика малых перемещений, выполненного на базе датчика ДВ-1С (поз.10), установленного на карданном валу при помощи планки (поз.З) и приводимого в действие упругими деформациями стальных пластин (поз.1 и 2) .
Устройство устанавливается между карданным шарниром и фланцем на маятнике нижнем, причем благодаря незначительной толщине в направлении действия измеряемых усилий (30 мм) не требует внесения изменений в конструкцию цилиндра-демпфера и узлов его крепления. Для уменьшения длины рабочего габарита устройства основные группы его болтовых соединений развернуты относительно друг друга на 22, на тот же угол повернуты поршень и шток пневмоцилиндра.
Под воздействием знакопеременных усилий, возникающих в штоке пневмодемпфера в процессе демпфирования колебаний гасителя, пластины устройства силоизмерительного упруго деформируются на величину ±1,5 мм. Взаимные перемещения пластин посредством привода (поз.4) передаются на датчик. Далее сигналы перемещений на несущей частоте 8 кГц через согласующее устройство и кабельную линию длиной до 150 м. передаются в аппаратуру 8АНЧ-23, установленную в помещении аппаратной. Здесь информация об усилиях в виде аналогового сигнала (± 5,12 В) поступают через АЦП в системный блок мониторинга, обрабатывается, визуализируется и архивируется. Совместная обработка данных об усилиях в штоках и об их перемещениях позволяет контролировать работоспособность пневмодемпфера (отсутствие заклинивания механизма) , а также степень его демпфирования.
Из опыта эксплуатации известно, что степень демпфирования гасителя зависит от температуры окружающей среды, так как при этом изменяется консистенция смазки внутри цилиндра пневмодемпфера и на его штоке. Таким образом, данная система контроля позволяет отслеживать изменения коэффициента демпфирования гасителя и, следовательно, производить замену смазки (зимней на летнюю и обратно), а также, в случае необходимости, производить подстройку гасителя по демпфированию в соответствии с его паспортными характеристиками.
В качестве измерительной ячейки силоизмерителя применен датчик вибраций ДВ-1С, дополнительно модернизированный в соответствии с его нетиповым применением. Электрическая принципиальная схема и принципиальная схема датчика ДВ-1С приведены на Рис. 44.
Датчик выполнен по дифференциально-трансформаторной схеме и является индуктивным преобразователем измеряемых механических величин в электрический сигнал. От специального генератора несущей частоты на первичную обмотку датчика поступает напряжение с частотой 8 кГц.
Если якорь датчика находится в нейтральном положении, то наводимые на вторичных обмотках токи равны по величине, а их разность равна нулю. При относительном перемещении якоря изменяется взаимоиндуктивность первичной и вторичной обмоток и наводимая во вторичных обмотках датчика ЭДС неодинакова. Изменение индуктивности модулирует по амплитуде напряжение несущей частоты. Выпрямление токов вторичных обмоток производится в аппаратуре 8/АНЧ-23. Величина разностного тока в пределах линейного участка работы датчика (2,0 -г 2,5 мм) пропорциональна перемещению, то есть измеряемой величине. Датчик жестко укрепляется на исследуемом объекте.
Особенностью описываемого способа использования является то, что, в качестве измерителя линейных перемещений с малыми скоростями и амплитудами применен датчик вибраций. Для этого (см. рис. 43) якорь датчика посредством привода (поз.4), свободно проходящего через отверстие в пластине поз.1, соединен с пластиной поз.2, для чего крышка датчика установлена без уплотняющей шайбы. У карданного шарнира одна из стопорных планок заменена на планку поз.З, к которой датчик непосредственно крепится тремя винтами М4.
Данная конструкция была разработана и осуществлена с целью максимальной унификации оборудования мониторинга, поскольку датчики ДВ-1С применены в системе контроля колебаний сооружения в качестве акселерометров. В данной конструкции могут быть использованы другие индуктивные преобразователи малых линейных перемещений, например преобразователь индуктивный модель 75511 производства ЗАО Завод "Измерон", г. Санкт-Петербург.
Разработка методики акустико-эмиссионного контроля. Исследование применимости компонентов системы АЭ-контроля для многолетних наблюдений
Разработка методики акустико-эмиссионной диагностики Главного монумента состояла из нескольких этапов:
- создание оптимальной схемы мониторинга стелы Главного монумента;
- проведение анализа посторонних акустических шумов на объекте при эксплуатации без ветровой нагрузки и с ветровой нагрузкой различных диапазонов, в том числе при различных погодных условиях;
- проведение исследования и выбор амплитудных и энергетических диапазонов для источников АЭ различных классов;
- выбор информативных параметров АЭ для мониторинга при ветровой нагрузке различного типа;
- определение, исходя из практики эксплуатации и конструкторской документации, возможных источников АЭ на объекте контроля;
- решение задачи локации источников АЭ в области основных несущих конструкций стелы, двух опорных концентрических оболочек и крепления скульптуры "Ника";
- составление и проверка работоспособности методики АЭ диагностики Главного монумента мемориального комплекса на Поклонной горе.
При этом был поставлен и успешно решен ряд научно-практических задач, описание которых приводится ниже.
Выбор типа преобразователей и настройка системы.
Для того чтобы сделать оптимальный выбор преобразователей акустической эмиссии, проводилось снятие и сравнение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и абсолютных чувствительностей ПАЭ R6I со встроенным широкополосным предусилителем (производства фирмы "РАС", США) и широкополосного ПАЭ GT-200 (производства фирма "A-LINE", Россия) с широкополосным предусилителем БПУ-6А (фирма "Диатон", Россия).
Калибровка ПАЭ проводилась по сравнительной методике с использованием американского стандарта ASTME97 6. Имитатором АЭ в процессе калибровки служил излом графитового стержня - источник Су-Нильсена. Для проведения сравнительной калибровки чувствительности был использован эталонный широкополосный ПАЭ, поверенный Госстандартом.
На одинаковом расстоянии от эталонного и калибруемого ПАЭ проводился излом грифеля. Спектры АЭ-сигналов от имитатора Су-Нильсена определялись при помощи быстрого преобразования Фурье (БПФ) полученных АЭ-сигналов. Периодограммы сигналов от имитатора Су-Нильсена на входе предусилителя и спектры АЭ-сигналов в координатах "амплитуда, мВ/кГц - частота, кГц" для каждого типа калибруемых ПАЭ приведены на Рис. 52 - 54.
В результате усреднения спектров АЭ сигналов по 10 измерениям для каждого калибруемого ПАЭ получаем данные для сравнительного анализа.
В работе [ 44 ] отмечается, что, как показывают данные исследований, для стали, типа 09Г2СУ, из которой выполнен основной каркас стелы Главного монумента, максимальная спектральная плотность таких источников АЭ, как пластическая деформация, развитие трещин и трещиноподобных дефектов в сварных швах, околошовной зоне и основном металле находится в частотном диапазоне 40 -г 300 кГц. Учитывая протяженность конструкции, большое количество сварных швов и сложность их конфигурации, что приводит к значительному затуханию в материале конструкции, рекомендованный частотный диапазон контроля может быть несколько смещен в более низкочастотную область.
Из приведенных графиков видно, что для АЭ-контроля металлоконструкции Главного монумента пригодны как ПАЭ R6I, так и ПАЭ GT-200 с предусилителем БПУ-6А.
На основе измерения коэффициентов затухания ультразвуковых волн в металле конструкции, а также с учетом удобства установки было определено оптимальное количество преобразователей акустической эмиссии из расчета по 3 ПАЭ на каждой из 14-ти (по числу входных каналов регистрирующей аппаратуры) отметок высот.
В связи с большой протяженностью кабельных линий от ПАЭ до регистрирующей аппаратуры "LOCAN-320" была произведена экспериментальная оценка влияния длины кабеля на затухание амплитуды АЭ-сигналов.
Для этой цели использовался имитатор АЭ сигналов AECAL-2 (фирмы "РАС", США) с ультразвуковым излучателем сигналов на частотах 60 кГц и 150 кГц с амплитудой 99 дБ и стальная полоса размерами 950x40x8 мм. Излучатель, соединенный с имитатором AECAL-2, устанавливался на пластину на расстоянии 50 мм от ПАЭ типа GT-200, являющегося регистратором АЭ-сигналов. Длина соединительного кабеля между ПАЭ и прибором "LOCAN-320" составляла 4 м и 124 м для двух случаев регистрации. Результаты эксперимента сведены в Таблицу 10.
Таким образом, в результате эксперимента установлено, что в диапазоне рабочих частот АЭ-контроля затухание в кабеле находится в пределах, допускаемых РД-03-131-97 и составляющих 1 дБ на длине кабеля 3 0 м.
При этом система была настроена следующим образом (одинаково по всем каналам):
- основной коэффициент усиления (GAIN) - 30 дБ;
- уровень дискриминации по амплитуде (THRS) - 55 дБ;
- время определения пика (PDT) - 100 мкс;
- время определения импульса (HDT) - 2000 мкс;
- время задержки между импульсами - 2 000 мкс;
- резонансная частота датчиков - 100 кГц.
Эти настройки сохранялись при всех последующих измерениях .
Анализ посторонних акустических шумов на объекте при различных погодных условиях
Уникальность и сложность конструкции стелы Главного монумента, а также непредсказуемость и случайность нагрузки приводят к тому, что доминирующую роль в составе сигналов акустической эмиссии, принимаемых ПАЭ, играют шумы и помехи различной природы и локализации. В ряде случаев уровень шумов может значительно превышать уровень информативного сигнала и полностью маскировать его. В связи с этим выделение полезного сигнала на фоне помех по одним лишь энергетическим параметрам (энергии АЭ и амплитуде сигнала) практически невозможно. Для сравнительно успешного распознавания требуется применение комплексных параметров АЭ. При этом предполагается, что появление каких-либо отклонений от типичных форм свидетельствует о возникновении источников АЭ другой, вероятно, опасной природы.
По результатам обработки аппаратурой "LOCAN-320" АЭ записей, проведенных при различных погодных условиях (ветер различной силы, ясно, дождь, снег и т.п.) были выявлены следующие естественные причины появления сигналов, принимаемых датчиками АЭ в металле конструкции стелы Главного монумента:
- скрип болтовых соединений конструкции, возникающий как при ветровых колебаниях, так и в результате перепадов температуры в вечернее и утреннее время. Данная помеха наиболее интенсивна во время восхода и захода солнца, а также в ряде случаев при порывистом ветре. При записи АЭ сигнала она проявляется в виде увеличения числа импульсов малой амплитуды, т.к. сказывается затухание звука и наличие акустических изоляторов в тракте между источником помехи и датчиком АЭ;
- шум осадков, в частности - капель дождя, проникающего через неплотности в декоративной облицовке стелы, а также при таянии снега, попадающего тем же путем, внутри стелы. Наиболее ярко выраженная помеха, в результате действия которой распределение вероятности амплитуд приобретает экспоненциальный вид за счет присутствия большого числа импульсов малой и средней амплитуды, возникающих при ударе капли воды о металл (в том числе, "капель" внутри стелы). При этом в результате изменения масштаба могут маскироваться редкие импульсы большой амплитуды, излучаемые опасными источниками;
- аэродинамический шум ветра, вызываемый турбулентными потоками воздуха при обтекании неровной поверхности стелы. Эта составляющая помех зависит от направления ветра, которое определяет угол падения потока воздуха на поверхность стелы;
- собственно акустическая эмиссия, источниками которой являются микродефекты металла конструкции;
- электромагнитные помехи.
