Введение к работе
Актуальность работы. Грузоподъемные машины являются узловым звеном в цепи транспортных технологий современных промышленных предприятий, влияющим на функционирование большинства технологических процессов во всех отраслях экономики. По данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на территории Российской Федерации находятся в эксплуатации 245 тысяч регистрируемых грузоподъемных кранов. В настоящее время в Российской Федерации в условиях сокращения парка грузоподъемных кранов и старения подъемно-транспортного оборудования растут объемы производимых погрузочно-разгрузочных работ. Возрастающие нагрузки на стареющее подъемно-транспортное оборудование при наблюдаемом дефиците, как квалифицированных кадров, так и ремонтной базы вынуждают владельцев грузоподъемных кранов эксплуатировать их «на отказ», что, как следствие, приводит к значительному числу случаев производственного травматизма со смертельным исходом и аварий, обусловленных техническими причинами. Так, в период 1997 - 2009 годов, в Российской Федерации 27,4 % аварий на грузоподъемных кранах произошли по техническим причинам.
Как правило, аварии происходят на грузоподъемных кранах с предельными сроками эксплуатации или (и) интенсивно эксплуатирующихся. Для таких кранов основным техническим препятствием для безопасной эксплуатации становится усталостные повреждения металла конструктивных элементов. Широко используемые, в настоящие время, для обнаружения усталостных повреждений металла, методы неразрушающего контроля – ультразвуковой, рентгеноскопия, капиллярный и др., к сожалению, не позволяют в полной мере дать количественную оценку структурных изменений в металле и определить напряженно-деформированное состояние элемента. Эти методы позволяют обнаружить уже сформировавшиеся в процессе изготовления или эксплуатации локальных дефектов. Принимая во внимание то обстоятельство, что 19,8 % случаев производственного травматизма со смертельным исходом на грузоподъемных кранах происходят из-за применения неисправных или несоответствующих массе и характеру груза грузозахватных органов (грузозахватных приспособлений), нарушению схем строповки грузов, разрушению крюка, проблема оценки и повышения безопасности эксплуатации крюковых подвесок грузоподъемных кранов является весьма актуальной.
Разработкой методов оценки, прогнозирования и управления техническим состоянием, в том числе и безопасной эксплуатацией сложных механических систем, занимались ученые: В.В. Болотин, В.П. Когаев, Н.А. Махутов, Ю.Н. Работнов, С.В. Серенсен, К.В. Фролов и др. Применительно к грузоподъемным кранам и их элементам: В.И. Брауде, А.В. Вершинский, М.М. Гохберг, С.А. Казак, А.П. Кобзев, В.И. Сероштан, С.А. Соколов, М.Н. Хальфин и др. Вопросы безопасности в промышленности с учетом параметров риска рассмотрены в работах: Х. Кумамото, В. Маршала, Э.Д. Хенли, А.А. Короткого, В.С. Котельникова, В.И. Сидорова, Н.Н. Панасенко и др. Анализ работ посвященных технической безопасности подъемно-транспортного оборудования свидетельствует о недостаточной изученности вопроса зависимости технического риска разрушения крюковых подвесок грузоподъемных кранов от магнитных характеристик их конструктивных элементов.
Цель работы. Повышение безопасности эксплуатации крюковых подвесок грузоподъемных кранов.
Идея работы. Использование риск-анализа для оценки данных магнитометрии текущего состояния материала крюка и технических решений, снижающих уровень травматизма и аварийности крюковых подвесок грузоподъемных кранов.
Методы исследования. В диссертационной работе при теоретических исследованиях использовались методы и положения теории риска, технической диагностики, принятия решений, строительной механики, надежности и прогнозирования, при экспериментальных исследованиях проводились лабораторные и опытно-промышленные испытания, а также техническое диагностирование с использованием методов магнитометрии и компьютерного моделирования.
Научные положения, выносимые на защиту, обладающие научной новизной, полученные лично соискателем:
статистические данные и закон распределения отказов крюковых подвесок, в том числе по дефектам материала крюка металлургического и технологического происхождения, трудновыявляемых в процессе изготовления и эксплуатации;
показатель оценки состояния грузового крюка, претерпевшего изменения в процессе эксплуатации за счет циклического нагружения, определяемый сопоставлением значений магнитной характеристики (коэрцитивной силы), позволяющий эффективно определять ресурс грузового крюка, а с учетом риска – безопасность его эксплуатации;
корреляционные уравнения связи механических и магнитных характеристик для ряда марок сталей, позволяющие достоверно, в месте предполагаемого дефекта, производить оценку безопасности эксплуатации грузовых крюков, прогнозируя переход металла в стадию разупрочнения (исчерпания запаса прочности) и потерей его несущей способности.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных апробированных методов исследований; значительным массивом статистических данных (7128 единиц грузоподъемных кранов обследованных в период 2002 - 2009 годов); введением корректных допущений при разработке расчетных схем и математических моделей; использованием математических методов планирования экспериментальных исследований и статистических методов обработки результатов; применением измерительных приборов и комплексов высокого класса точности; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований – расхождение не превышает 15 %.
Научное значение работы состоит в разработке принципов оценки и повышения безопасности эксплуатации крюковых подвесок грузоподъемных кранов, а именно:
установлены статистические характеристики и закон распределения отказов конструктивных элементов крюковых подвесок, в том числе из-за дефектов материала крюка металлургического и технологического происхождения, трудновыявляемых в процессе изготовления и эксплуатации;
определены зависимости ресурса и технического риска разрушения грузового крюка от коэрцитивной силы его материала, претерпевшего изменения в процессе эксплуатации за счет циклического нагружения, путем сопоставления магнитной характеристики (коэрцитивной силы) с ее первоначальным значением, обеспечивающие эффективно оценивать ресурс грузового крюка (в циклах), а с учетом риска – безопасность его эксплуатации;
получены корреляционные уравнения связей механических и магнитных характеристик для ряда марок сталей, соответствующее переходу металла в стадию разупрочнения (исчерпания запаса прочности) в месте предполагаемого дефекта и потери его несущей способности, используемые для оценки безопасности эксплуатации грузовых крюков.
Практическое значение работы состоит в следующем:
разработан алгоритм оценка риска аварий грузоподъемных кранов (падение груза), вызванных отказами крюковых подвесок на основе логико-вероятностного метода и ранжирования параметров безотказной работы их отдельных деталей;
установлена зависимость величины коэрцитивной силы металла грузовых крюков от числа циклов нагружения;
проведены численные исследования по распределению электромагнитного поля в хвостовике грузового крюка, с использованием метода конечных элементов, подтвердившие возможность выявления дефектов в металле грузовых крюков с помощью магнитной дефектоскопии;
получены номограммы связи значений коэрцитивной силы металла, ресурса и технического риска эксплуатации грузовых крюков;
разработана методика оценки безопасности эксплуатации грузовых крюков критериями магнитного контроля;
предложена конструкция предохранительного замка грузового крюка, исключающая возможность выход стропа из зева в результате его упругой отдачи (патент РФ № 103101 от 03.11.2010 г.).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования применяются в организациях, проводящих экспертизу промышленной безопасности грузоподъемных кранов, а также может быть использована в надзорной деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на других технических устройствах, применяемых на опасных производственных объектах.
Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные разделы докладывались: на Международной научно-методической конференции по безопасности жизнедеятельности (Новочеркасск, 2007 г.); на Региональной научно-технической конференции (Владикавказ, 2007 г.); на XI Международных научных чтениях МАНЭБ (Новочеркасск, 2007 г.); на научных семинарах кафедры ПТМиР ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2007 - 2010 г.).
Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Оценка, прогноз и повышение производственной и экологической безопасности жизнедеятельности», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ), по госбюджетной теме кафедры ПТМиР П3.842 «Экспертиза подъемно-транспортных машин повышенной опасности».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 печатных работы в журнале, включенном в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук», а так же патент РФ № 103101 от 03.11.2010 г.
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в постановке темы, выборе основных направлений исследования, методов решения конкретных задач и обработке результатов исследований. При его непосредственном участии проведены эксперименты, теоретические исследования, составлены алгоритмы компьютерных программ, осуществлено внедрение результатов работы. Автору принадлежит теоретическое обобщение результатов, опубликованных в работах в соавторстве и использованных в диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 61 рисунок, 27 таблиц, список литературы из 130 наименований и изложена на 181 страницах машинописного текста.
