Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 8
1.1. Анализ основных отказов металлоконструкций грузоподъемных кранов
1.2. Подходы к оценке остаточного ресурса сварных металлоконструкций мостовых кранов 13
1.3. Выбор метода и задачи исследования 24
2. Экспериментальные основы разработки метода прогнозирования ресурса сварных металлоконструкций 29
2.1. Выбор материала датчиков деформации интегрального типа и способа оценки накопленного усталостного повреждения 29
2.2. Тарировка датчиков по появлению первых темных пятен 31
2.3. Получение тарировочных зависимостей для датчика деформации интегрального типа по кинетике роста темных пятен 35
2.4. Характеристика датчиков деформации интегрального типа с переменной чувствительностью и способ их получения 41
3. Методика прогнозирования остаточного ресурса сварных металлоконструкций мостовых кранов 44
3.1. Выявление опасных мест конструкций 45
3.2. Диагностика усталости основного металла и сварных соединений 46
3.2.1. Технология установки датчиков на металлоконструкции крана и снятие с них информации 46
3.2.2. Технология снятия датчиков с металлоконструкции крана 50
3.2.3. Обработка информации наработанных датчиков, снятых с металлоконструкции крана в лабораторных условиях 52
3.3. Вывод математической зависимости для определения эквивалентных напряжений и чисел циклов 53
3.3.1. Уравнение кривой усталости 54
3.3.2. Уравнение тарировочнои зависимости, построенной по критерию возникновения на поверхности датчиков первых темных пятен 60
3.3.3. Уравнение тарировочнои зависимости датчиков, реакция которых оценивается по относительной площади «темных пятен» 65
3.3.4. Математическая зависимость, описывающая для датчика переменной чувствительности изменение его поврежденности на поверхности, не имеющей внешней реакции «темных пятен» 67
3.4. Разработка математической модели для прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкции мостового крана 71
3.4.1. Модель прогноза остаточного ресурса по основному металлу 71
3.4.2. Модель прогноза остаточного ресурса металлоконструкций по сварным соединениям. . 73
4. Практическая реализация методики прогнозирования остаточного ресурса сварных металлоконструкций мостовых кранов 76
4.1. Исходные данные для расчета остаточного ресурса сварных металлоконструкций мостового крана 76
4.2. Апробация метода на кранах_ 77
4.3. Оценка работоспособности мостовых кранов, отработавших нормативный срок службы
Общие выводы 101
Библиографический список 104
Приложения 125
- Анализ основных отказов металлоконструкций грузоподъемных кранов
- Выбор материала датчиков деформации интегрального типа и способа оценки накопленного усталостного повреждения
- Выявление опасных мест конструкций
Введение к работе
В последние годы вопрос обеспечения безопасной эксплуатации сварных конструкций резко обострился из-за сильной изношенности производственного оборудования и участившихся случаев техногенных аварий и катастроф. В полной мере это относится и к грузоподъемным (кранам) машинам разного назначения, в том числе и к сварным металлоконструкциям мостовых кранов, у которых истек нормативный срок службы [46,88].
До настоящего времени решение данной проблемы сдерживается отсутствием надежных экспериментальных методов оценки эксплуатационного остаточного ресурса сварных металлоконструкций в результате их усталости.
Опыт эксплуатации подъемно-транспортного оборудования показывает, что к моменту окончания нормативного срока службы у 80% кранов остаточный ресурс металлоконструкций не исчерпан [93-98]. Данное обстоятельство может быть объяснено не только значительным разбросом их долговечности от условий эксплуатации и свойств материала конструкций, но и заниженными расчетами значений нормативного срока службы, если воспринимать последнее как меру ресурса. Следовательно, нормативный срок службы не является предельным значением работоспособности грузоподъемных кранов [69-71]. Поэтому, для обеспечения максимально длительной, надежной и безаварийной работы кранов с истекшим нормативным сроком службы, требуется решение задачи - оценки остаточного ресурса металлоконструкций [7,13-16].
Однако, из-за сложности процессов, происходящих при усталости металлоконструкций, их высокой локальности и трудности выявления в сварных соединениях, данная задача до сих пор не решена.
Цель работы - повышение уровня безопасности эксплуатации сварных металлоконструкций мостовых кранов с истекшим нормативным сроком
службы путем выявления накопления усталостных повреждений металла с последующим определением остаточного ресурса по сварным соединениям.
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие основные задачи:
Определить методики и средства выявления наиболее опасных участков сварных металлоконструкций, в которых происходит наибольшее накопление усталостных повреждений на примере мостовых кранов.
Выбрать метод количественной оценки накопления усталостного повреждения в сварных соединениях металлоконструкций мостовых кранов.
Разработать методику определения эквивалентной нагруженности и остаточного ресурса сварных металлоконструкций.
Апробировать разработанную методику на сварных металлоконструкциях мостовых кранов в условиях их эксплуатации.
Методы исследований. В работе применен обоснованный метод оценки накопления усталостных повреждений сварных соединений металлоконструкций мостовых кранов с помощью алюминиевых пленочных датчиков, современные методы исследований и обработки информации с их поверхности - металлографический, микроструктурный анализ, гистограммный и математического моделирования.
Идея работы - установление взаимосвязи накопленного усталостного повреждения в реальных металлоконструкциях мостовых кранов в условиях их эксплуатации и образцах при известных параметрах циклического нагружения.
Научная новизна диссертационной работы, состоит в том, что:
- установлены критерии оценки длительности циклического воздействия для
надежного выявления алюминиевыми датчиками накопленного усталостного
повреждения в основном металле и сварных соединениях
металлоконструкций в результате их эксплуатации;
- для стали Ст.Зсп (материал металлоконструкций) установлена трех
параметрическая взаимосвязь между накопленным усталостным
повреждением, уровнем действующих напряжений и числом циклов нагружения;
- разработана математическая модель для определения эквивалентных
напряжений и чисел циклов нагружения в сварных металлоконструкциях от
условий их эксплуатации;
разработана методика определения эксплуатационного остаточного ресурса сварных металлоконструкций;
разработаны рекомендации о дальнейшей (после обследования данным методом) безопасной эксплуатации сварных металлоконструкций на примере мостовых кранов.
Практическая ценность работы: Для металлоконструкций мостовых кранов с истекшим нормативным сроком службы разработанная методика позволяет выявлять слабые по сопротивлению усталости места, включая границу сплавления сварных соединений, а также получать для этих мест значения остаточного ресурса в годах, днях или часах при условии сохранения режима эксплуатации крана. Значения остаточного ресурса позволяют устанавливать календарные сроки безопасной эксплуатации металлоконструкций, их ремонта и замены. Методика может применяться на сварных металлоконструкциях различного значения. Ее результаты могут использоваться для совершенствования расчетов на усталость.
Реализация выводов и рекомендаций работы:
Разработанная методика использована для определения остаточного ресурса сварных металлоконструкций девяти мостовых кранов с истекшим нормативным сроком службы на предприятиях ОАО «Курганмашзавод», ОАО «Корвет» и ООО «Втормет» г. Кургана. Внедрение результатов работы позволило выявить на ОАО «Курганмашзавод» два крана, не пригодных к дальнейшей безопасной эксплуатации и получить экономический эффект 23 908 838 рублей. Полученные результаты исследования применяются также в учебном процессе студентов Курганского государственного
университета при чтении лекций по курсу «Диагностика и прогнозирование работоспособности сварных конструкций».
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы были доложены, рассмотрены и одобрены:
на 12-й и 13-й ежегодной международной научно-практической конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (г. Ялта, 2004 г. и 2005 г.);
на Всероссийской с международным участием научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения Н.Г. Славянова «Сварка и контроль - 2004» г. Пермь;
на 23-й Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (г.Курган, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 127 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 17 таблиц, список используемой литературы из 147 наименований, приложений на трех страницах.
Анализ основных отказов металлоконструкций грузоподъемных кранов
Для проведения анализа появления дефектов в металлических конструкциях грузоподъемных кранов за основу взяты данные по мостовым кранам с ряда предприятий Курганской области, так как наибольшее количество кранов, отработавших нормативный срок службы, составляют мостовые краны.
Были исследованы документы по 179 мостовым кранам за период с 1995 г. по апрель 2003 г., по которым проводилась экспертиза технического состояния металлоконструкций, как отработавшим нормативный срок службы или ремонт металлоконструкций с применением сварки, где выявились трещины в основном металле и в сварных соединениях.
Участки металлоконструкций кранов, где наиболее часто образовывались дефекты, распределялись в следующей последовательности (табл. 1).
По результатам представленных данных видно, что наибольшее количество дефектов (трещин) выявляется в концевых балках мостовых кранов.
На втором месте по количеству выявляемых дефектов стоит грузовая тележка.
Дефекты (трещины) в креплении кабины машиниста крана стоят на третьем месте, хотя значительных грузовых нагрузок кабина не испытывает.
Главная балка, которая в большей степени испытывает грузовые нагрузки (казалось бы количество трещин в ней должно быть наибольшее) по количеству выявляемых дефектов стоит на четвертом месте.
Площадка под редуктором хода моста крана, расположенная на главной балке является также ответственным узлом, где выявляются дефекты в виде трещин.
Галереи, хоть и не являются основными несущими элементами металлоконструкций крана, также подвергаются различным эксплуатационным нагрузкам, в результате чего образуются трещины.
Рассмотрим места, характер и причины образования трещин в сварных металлоконструкциях мостовых кранов.
Наиболее частые дефекты (трещины) на концевых балках образуются по основному металлу и сварным швам в соединении надбуксовой пластины с вертикальными листами концевой балки как с внешней, так и с внутренней стороны.
Также очень часто появляются трещины по сварному шву в месте соединения главной и концевой балки.
Основной причиной образования трещин в концевых балках (как наиболее часто встречающихся) является то, что концевые балки мостовых кранов подвержены как статическим, так и динамическим нагрузкам. Наиболее часто возникают динамические нагрузки во время движения крана с грузом, по подкрановым путям.
Особенно динамические нагрузки увеличиваются в случае, если зазор в стыках рельс превышают установленные нормы, а также при наличии перепадов по высоте в стыках рельс [43 .
Выбор материала датчиков деформации интегрального типа и способа оценки накопленного усталостного повреждения
Для исследования сопротивления усталости сварных конструкций методом металлических пленок. Широкое распространение получили датчики. изготовленные из меди, алюминия, олова. Они характеризуются разными граничными условиями применимости по напряжениям, числу циклов нагружения, температурным условиям. Например, медные датчики работают при температурах от - 40 до + 80.
Экспериментально установлено, что алюминиевые датчики вполне удовлетворительно работают при разных температурах, как и медные датчики.
По числу циклов нагружения, при одних и тех же уровнях нагружения, оловянные датчики чувствительнее медных в 3400 раз, а алюминиевых - в 280 раз. Данная закономерность достаточно хорошо просматривается на рис. 4 [113], где представлены сравнительные тарировочные зависимости, построенные на образце из стали 20 по критерию появления на их поверхности первых линий скольжения.
Из анализа этих зависимостей следует, что оловянные датчика срабатывают через промежуток времени от 10 до 200 циклов нагружения: алюминиевые через 30 000 - 45 000 циклов, а медные срабатывают через 80 00С циклов [105,106].
Применительно к мостовым конструкциям с учетом их эксплуатации, применение медных и оловянных датчиков не целесообразно по следующим причинам:
1. Медные датчики менее чувствительны и требуют больших временных затрат на процесс проведения исследования.
2. Оловянные датчики из-за высокой чувствительности не могут быть использованы на действующих металлоконструкциях кранов, так как они не позволяют усреднять эксплуатационную нагруженность.
3. При установке датчика на сварной шов, из-за изгиба, происходит преждевременная реакция датчика от изгибов.
Исходя из вышеизложенного, следует, что наиболее перспективными в определении остаточного ресурса сварных металлоконструкций мостовых кранов являются алюминиевые датчики.
В процессе циклического нагружения, в датчиках могут происходить изменения структуры поверхности. Эти изменения носят прогрессирующий характер с увеличением числа циклов нагружения.
Скорость таких изменений напрямую связана с фактическим состоянием исследуемого материала и, в первую очередь, с микросдвигами на его поверхности. Поэтому степень изменения состояния датчика характеризует уровень накопленного усталостного повреждения [ 102] исследуемого материала.
В настоящее время разработан целый ряд способов оценки накопленного усталостного повреждения по реакции датчиков:
1. По структурным изменениям датчика:
- по первым растущим зернам;
- по площади их состояния и их средней величине.
2. По состоянию поверхности датчика, которая связана процессоїу появления и развитием линий скольжения.
3. По первым темным пятнам, их площади и состоянию, которые количественно оцениваются также по величине отраженного светового потоке и инфракрасного излучения.
Также разработан способ оценки накопления усталостных повреждение по изменению микротвердости.
Рассмотренные способы оценки накопленного усталостного повреждения с помощью датчиков характеризуются различной трудоемкостью, точностью, удобством снятия информации, возможностью применимости на реальных конструкциях.
Применительно к действующим сварным металлоконструкциям мостовых кранов, наиболее перспективным и удобным, с учетом возможности снятия информации в труднодоступных местах, является способ оценки накопленного усталостного повреждения на основе первых темных пятен. При этом в качестве первого критерия выбираем момент появления первых темных пятен, в качестве второго - относительную площадь появившихся темных пятен.
Выявление опасных мест конструкций
На первом этапе важно определить места установки ДДИТ на конструкцию в наиболее опасные с точки зрения усталостного разрушения.
Для решения этой задачи одних только статистических данных эксплуатационных разрушений металлоконструкций кранов недостаточно, так как усталостные трещины возникают в разной последовательности и в разных местах. Места высокой концентрации напряжений можно выявлять методом магнитной памяти. При диагностировании сварных соединений портативным магнитометрическим прибором ИКНМ-2ФП было установлено, что при смещении индикатора на расстояние 2-3 мм по поверхности обследуемого участка происходит скачкообразное изменение напряженности магнитного поля на величину лНр 50а/Мф, что характеризует концентрацию напряжений. Такое условие принимают в качестве критерия необходимости размещения /ЩИТ в данном месте конструкции. Составляется схема установки датчиков, представленная па рис. 18.
На втором этапе (рис.1) диагностику усталости конструкции осуществляют следующим образом. В зоны действия высоких концентраций напряжения наклеивают ДДИТ двух типов - с постоянной и переменной по длине датчика, чувствительного к появлению на их поверхности темных пятен.
Первый тип ДЦИТ, с постоянной чувствительностью, устанавливают непосредственно на дефектное место. На сварных соединениях их ориентируют поперек сварного шва. Они должны охватывать вес характерные зоны сварного соединения. Рекомендуемые линейные размеры ДДИТ 4x40 мм. Каждому установленному датчику присваивается свой порядковый номер.
Второй тип ДДИТ, с переменной чувствительностью, размерами 4x60 мм располагают вдоль сварного шва на расстоянии 15-20 мм от границы сплавления.
Поверхность исследуемого места металлоконструкции под установку датчиков подвергается очистке от окраски ржавчины, локальных впадин и выступов микроскопических размеров, до металлического блеска. Данная цель достигается путем применения наждачного круга дисковой металдической щеткой, при этом достигается грубая подготовка поверхности. В дальнейшем осуществляют более тонкую обработку с применением абразивных кругов и лепестковым кругом. Конечная обработка производится лепестковым кругом с мелкой шкуркой №400.
Затем поверхность подвергается очистке и обезжириванию ацетоном, спиртом.
На подготовленную поверхность наклеивается обезжиренный датчик. В качестве клеящего материала используется циокрин типа 70 или клей на цианистой основе. Технология наклеивания соответствует рекомендации по применяемому клею. Основным и обязательным условием при этом является минимально возможная толщина слоя клея, которая не должна превышать одного микрона. С целью предотвращения повреждения рабочей поверхности датчика от случайных механических воздействий, а также от воздействия влаги, датчик подвергается защите. С этой целью на скотч наклеивается бумага, с габаритами, превышающими размеры датчика, и этим скотчем датчик закрывается таким образом, чтобы датчик находился в средней части бумажной защиты. В дальнейшем по периметру скотча наносится влагостойкий силиконовый клей.
Отличительной особенностью датчиков постоянной и переменной чувствительности является то, что одна часть датчика имеет переменное состояние темных пятен, а другая - характеризует переменную по длине ДДИТ чувствительность к появлению пятен.
Предварительно границу их раздела намечают базовой линией, а состояние ДДИТ до и после границы фотографируют в цифровом изображении (рис.16). Датчики, установленные на работающий в условиях эксплуатации кран, позволяют получить информацию, достаточную для дальнейшей обработки за 8-12 месяцев.
После появления на втором типе ДДИТ темных пятен на ранее свободной от них поверхности все датчики с конструкции снимают, путем растворения клеевой основы ацетоном. Контроль на конструкции за появлением темных пятен осуществляют с помощью модернизированного микроскопа МБС-9 бесконтактным методом. Данная технологическая операция проводится следующим образом.
