Розвиток наукових основ оцінки ресурсних показників надійності металургійного обладнання та підвищення безпеки його силових систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК [669.02/.09.019.3:539.4] (043)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Розвиток наукових основ оцінки ресурсних показників надійності металургійного обладнання та підвищення безпеки його силових систем

05.05.08 «Машини для металургійного виробництва»

Білодіденко Сергій Валентинович

Дніпропетровськ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: академік НАН України, д.т.н., професор Большаков Вадим Іванович, директор Інституту чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ясній Петро Володимирович, ректор Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя (м. Тернопіль);

доктор технічних наук, провідний науковий співробітник Цибаньов Георгій Васильович, завідувач відділу втоми та термовтоми матеріалів Інституту проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України (м. Київ);

доктор технічних наук, доцент Засельський Володимир Йосипович, завідувач кафедри механічного обладнання металургійних заводів, декан Криворізького металургійного факультету Національної металургійної академії України (м. Кривий Ріг).

Захист відбудеться "25" грудня 2009 р. о 12.30 годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий "22" листопада 2009 р.

В/о вченого секретаря спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03, д.т.н., проф. М.В. Губинський.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Надійність є основною властивістю машин, що визначає їх якість. Ресурсні показники надійності (призначений, вихідний, міжремонтний, гама - процентний ресурси) силових механічних систем визначають також їхню безпеку, що є важливим для машин металургійного виробництва України, яке характеризується значним спрацюванням устаткування й низькими темпами його відновлення. При цьому зростає ризик експлуатації устаткування, який змушено стримується заходами щодо посилення технічної безпеки. При неповній інформації про технічний стан механічних систем це веде до невиправданого росту витрат на утримання устаткування. Ріст даних витрат обумовлений, з одного боку, втратами виробництва від аварій, викликаних несвоєчасною заміною ушкоджених елементів механічних систем. З іншого боку, регламентована заміна деталей, що працюють в умовах сучасного неритмічного виробництва, не дозволяє повністю використовувати технічний ресурс.

Загальносвітові погляди на обслуговування машин спрямовані на впровадження стратегії ремонту по фактичному технічному стану, яка дозволяє зменшити витрати на утримання устаткування. Питання діагностики технічного стану вузлів металургійного устаткування, що швидко втрачають придатність досить успішно вирішуються на виробництві. Для силових систем механічного устаткування, які за тривалий період експлуатації зазнають широкого спектру нерозрахункових циклічних навантажень, проблема прогнозування ресурсних показників є гострою. Враховуючи одиничність металургійних машин і агрегатів, нормативні математико-статистичні методи надійності тут, практично, не працюють. Необхідно переходити до імовірнісно-фізичних методів, які пов'язані із природою руйнування. Звичайне використання подібних методів обмежується етапом розрахунків на міцність, що не дає ще можливості оцінити ризик експлуатації й технічний стан.

Наново створюване обладнання для металургійного виробництва повинно бути ощадливим по матеріало- та енергоємності, а також високонадійним і безпечним. Комбінації таких властивостей можливо добитися, застосовуючи концепцію прийнятного ризику. У цьому аспекті необхідно використовувати ресурсні підходи до проектування обладнання, які для металургійних машин потребують розробки нових критеріїв і методів розрахунків. Створене за такою концепцією устаткування вимагає іншої стратегії його технічного обслуговування, коли періодично слід контролювати показники його пошкодженності.

Таким чином, створення ощадливих і надійних машин для металургійного виробництва, необхідність періодичної оцінки технічного стану при експлуатації устаткування роблять актуальною наукову проблему розробки ресурсної механіки металургійних машин і устаткування, спрямованої на забезпечення необхідного рівня безпеки.

Зв'язок роботи з науковими планами, програмами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку кафедри машин і агрегатів металургійного виробництва Національної металургійної академії України, пов'язаному із впровадженням високонадійного металургійного обладнання й відповідає національній програмі розвитку й реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р. (№166 - IV від 06.19.1998 р.)

Більшість результатів отримано й використано при виконанні 12 НДР, основні з яких наступні. ,,Дослідження впливу зварювання на характеристики опору втомі конструкційних матеріалів'', № ГР 01910016769 (1991 р.); ,,Підвищення надійності важконавантажених вузлів ротора технологічного комплексу KU-800'', № ГР 010521000691 ( 2005 р.); ,,Оцінка навантаженності й довговічності вузлів ротора роторного екскаватора KU-800 з метою діагностування їх технічного стану'', № ГР 0107U005711 (2007 р.).

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення безпеки технологічного устаткування шляхом поетапної ідентифікації моделей старіння й навантаження механічних систем. Оскільки параметри цих процесів мають детерміновано-статистичне походження, ідея роботи полягає у виявленні детермінованої складової в цілому у випадкових значеннях факторів впливу на процес втрати працездатності устаткування. Розв'язок поставленої науково-технічної проблеми досягається за рахунок розробки методології оцінки ресурсу, яка складається із взаємоадекватних методик пошуку функцій розподілу довговічностей, моделювання процесу навантаження й опору йому окремих елементів механічних систем.

Рівень безпеки формується не стільки розрахунковими умовами роботи, скільки флуктуаціями умов експлуатації та властивостей механічної системи. Стосовно до металургійного устаткування ними є викиди процесу навантаження , що встановився (перевантаження), і дефекти (тріщини) елементів конструкцій і деталей. Виходячи із цього були поставлені наступні завдання:

- розробка теоретичних моделей безпеки та довговічності з урахуванням історії навантаження;

- розробка теоретичної моделі експлуатаційного процесу з перевантаженнями та методики його перебудови в процес пошкодження (втрати роботоспроможності) елемента конструкції або деталі;

- дослідження впливу перевантажень на накопичення втомних пошкоджень і на опір руйнуванню;

- дослідження впливу росту асиметрії циклу, а також технологічних факторів на опір втомі матеріалів для відповідальних деталей;

- розробка діагностичних алгоритмів оцінки технічного стану й залишкового ресурсу силових механічних систем;

- розробка методики проектування на гарантовану довговічність;

- розробка методики проектування запобіжних пристроїв, що забезпечують безпеку експлуатації;

- опробування отриманих розробок на всіх стадіях життєвого циклу технічних систем, включаючи їх проектування, виготовлення, експлуатацію та її продовження.

Об'єкт досліджень - процес втрати роботоспроможності базовими елементами конструкцій та відповідальними деталями металургійного устаткування, що відбувається під впливом циклічного експлуатаційного навантаження.

Предмет досліджень - вплив експлуатаційних, конструкційних і технологічних факторів на ресурс металургійного устаткування.

Методи досліджень, застосовані в роботі.

Методи експериментальної механіки - для оцінки навантажень силових систем у промислових умовах, а також для визначення характеристик опору втомі матеріалів і елементів конструкцій у лабораторних умовах; методи теорії випадкових процесів - для обробки осцилограм рамних конструкцій і подальшого формування їх режиму навантаження; метод планування експерименту - для визначення режимів втомних випробувань; метод скінченних елементів - для оцінки напружено-деформованого стану елементів рамних конструкцій (програмні комплекси ИСПА, SCAD); метод статистичного моделювання - для пошуку функцій розподілу довговічностей; методи механіки руйнування - для оцінки живучості конструкцій.

Наукова новизна отриманих результатів.

Створено методологію прогнозування ресурсу металургійного обладнання, за допомогою якої можна управляти ризиками його силових систем.

1. Розроблені наукові основи оцінки ресурсних показників надійності машин і устаткування для металургійного виробництва, у яких уперше застосований ресурсний підхід до визначення рівня безпеки, а також сформульовані поняття конструкційного й експлуатаційного факторів нестаціонарності навантаження, внутрішньоблокового й міжблокового накопиченого втомного пошкодження, внутрішнього й зовнішнього факторів розсіювання довговічностей.

2. Сформована імовірнісна модель довговічності для історій навантаження з перевантаженнями, у якій враховується, як стохастична природа навантажень, що діють, так і властивостей механічної системи.

3. Для оцінки технічного стану металургійного устаткування запропоновано використовувати показники безпеки, для чого обґрунтований принцип зниження ризику експлуатації за рахунок уточнення прогнозування ресурсу при ідентифікації деградаційних моделей, що в роботі реалізоване шляхом врахування фактора історії навантаження, сформованої циклами перевантажень.

4. Стосовно до ресурсної оцінки безпеки запропонована модель навантаження окремих елементів конструкцій механічних систем у вигляді основного процесу з випадково мінливими параметрами, природно розділеного на блоки перевантаженнями, для визначення параметрів яких уперше знайдені апроксимуючі їх залежності.

5. Вперше для режимів з перевантаженнями встановлений немонотонний характер поведінки функції внутрішньоблокового накопиченого пошкодження, під впливом відносних показників рівнів навантаженності і їх коефіцієнтів асиметрії циклу, створена модель ресурсного типу для корегування підсумовування пошкоджень, а також розроблені експериментальні способи й аналітичний метод її одержання.

6. На підставі експериментального дослідження розподілу довговічностей в умовах впливу режимів навантаження з перевантаженнями, які спостерігаються у вузлах металургійних машин, установлені закономірності впливу параметрів процесу на характер розподілу числа циклів до граничного стану, зокрема, виявлено, що, незважаючи на неоднозначність впливу перевантажень на довговічність, внесок внутрішнього фактора, обумовленого статистичною природою втоми, становить 50-85%, що дає підставу використовувати логарифмічно нормальний закон розподілу для підсумкових довговічностей.

7. Запропоновано здійснювати зв'язок між кінетичними діаграмами втомного руйнування, діаграмами граничних амплітуд і моделями втомної довговічності за допомогою характеристики чутливості граничних коефіцієнтів інтенсивності напруг до асиметрії циклу, що є константою матеріалу, величина якої для відповідальних деталей металургійних машин з високоміцних сталей становить 0,5, що встановлено вперше.

Практична значимість отриманих результатів.

Результати досліджень можуть бути використані на підприємствах і організаціях, що займаються проектуванням, виготовленням і експлуатацією силових механічних систем, призначених, переважно, для виробництва металопродукції.

1. Розроблені алгоритми пошуку функцій розподілу довговічностей, що враховують історію навантаження. Алгоритм статистичного моделювання реалізований у вигляді програми для персонального комп'ютера.

2. Розроблена методика оцінки безпеки при поступових і раптових відмовах, що враховує появу перевантажень різного рівня й періодичності, яка використана для оцінки технічного стану базових конструкцій.

3. Отримані моделі опору втомі широкого кола конструкційних металів від рядових сталей до сплавів високої питомої міцності, які необхідні для прогнозування ресурсу силових механічних систем.

4. Розроблені діагностичні моделі й алгоритми для оцінки залишкового ресурсу циклічно навантажених вузлів, що діють на підставі моніторингу їх навантаженності або наробітку.

5. На підставі концепції ресурсного проектування розроблений метод експлуатаційно-конструкційних діаграм довговічності, що дозволяє конструювати рівнодовговічні елементи деталей машин з гарантованим рівнем надійності (безпеки).

6. Розроблена методика обґрунтування продовження строку експлуатації несучих конструкцій транспортно - технологічних машин.

7. Розроблена програма для автоматизованих розрахунків гарантованої довговічності зубчастих передач і підшипників, на підставі якої створена діагностична модель визначення міжремонтних термінів служби вузлів роторного колеса технологічних кар'єрних комплексів.

8. Складена методика розрахунків живучості при нестаціонарному навантажені, яка застосована в розроблених ”Рекомендаціях до визначення технічного стану кожухів доменних пічей”.

Практичні результати роботи використані у вигляді діагностичних моделей і алгоритмів при моніторингу технічного стану механічних систем кар'єрного устаткування на Вільногірському гірничо-металургійному комбінаті ЗАТ,,Кримський титан”; спосіб визначення конструктивних параметрів запобіжних пристроїв з елементами, що руйнуються, використовується при проектуванні запобіжних шпинделів головних ліній прокатних станів ВАТ,,ИНТЕРПАЙП НТЗ''; за концепцією ресурсного проектування побудований накопичувач смуги й робочі кліті профілювального стану ТЕЗА на ВАТ ,,Комінмет”, на цьому підприємстві також застосовується алгоритм діагностування технічного стану й відмов механічного устаткування; методика визначення оптимальної твердості деталей працюючих в умовах зносо-втомних пошкоджень впроваджена на ТОВ ,,Техпоставка”, при виготовленні різців вугільних комбайнів, а також на ВАТ ,,Комінмет” при виготовленні валків і зубчастих передач; на ВАТ ,,Дніпроважмаш” прийнятий до використання «Типовий розрахунок механічного устаткування печей із крокуючими балками та подом»; освоєний випуск високоміцних болтів і режими їх прийомно-здавальних випробувань на ВАТ ,,Дніпропетровський агрегатний завод”; за результатами роботи прийняті ,,Технічні рішення по продовженню терміну служби основних несучих конструкцій автомотрис АДМ, ДМС, АТВ і ДТКу”, експлуатованих ,,Укрзалізницею”; моделі опору втомі стикових болтів, а також рекомендації з їхнього проектування й виготовлення використані на АК ,,Рубін” (Росія) при оцінці надійності злітно-посадкових пристроїв важконавантажених літаків; на ВАТ ,,Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського” використовуються ,,Рекомендації до визначення технічного стану кожухів доменних печей (прогнозування живучості)”.

За результатами дисертації сформовані робочі програми курсів ,,Проблеми конструювання і експлуатації металургійного обладнання^”, ,,Діагностика і моніторинг технічного стану металургійних машин і агрегатів”, ,,Безпека експлуатації металургійних машин”, ,,Механіка руйнування й безпека металургійного устаткування^”, які викладаються у Національній металургійній академії для магістрів спеціальності 8.090218 ,,Металургійне обладнання^”, а також при цільовій підготовці фахівців за замовленнями підприємств. механічний металургійний технічний

Загальний економічний ефект від впровадження результатів дисертації склав 1 мільйон 679 тисяч гривень, очікуваний економічний ефект у сумі складе 73,6 мільйона гривень.

Особистий внесок здобувача. З наукових праць, які проведені колективно, на захист виносяться їх основні частини, розроблені особисто дисертантом.

Зокрема, [2,3,4,6,30,33,40] - проведення втомних випробувань, обробка й аналіз їх результатів, [12,15,34,36,37] - алгоритм оцінки залишкового ресурсу, [35] - ресурсне трактування показників безпеки, [5] - принцип адекватності випробувальних режимів цілям прогнозування й моделям навантаження, [22] - розрахунки за деформаційними критеріями втоми, [1,10] - формулювання тенденцій розвитку конструкцій крокуючого конвеєра нагрівальних печей, [8,9,11,13,17,24,28,31,32,38,39] - моделювання навантаженності й діагностичні алгоритми оцінки технічного стану, [13] - методика експериментального визначення навантажень у ланцюгах охолоджувача агломерату, [20,25,29] - проведення втомних випробувань, розробка їх еквівалентних режимів, аналіз технології виготовлення болтів, [2,6,30,33] - моделі корегування втомних пошкоджень, [15,19,23] - концепція ресурсного проектування й розрахунки на гарантовану довговічність, [14,18] - визначення меж тріщиностійкості й методика розрахунків живучості при нестаціонарних режимах, [41] - критерій оптимізації вибору конструктивних параметрів запобіжних пристроїв.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на XI і XIII міжнародних колоквіумах по механічній втомі металів (Київ, 1991; Тернопіль, 2006); IX міжнародній конференції ,,Проблеми механіки залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, 1996); міжнародній конференції ,,Оцінка й обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій” (Київ, 2000); міжнародній науково-технічній конференції,,Надійність машин та прогнозування їх ресурсу” (Івано-Франківськ, 2000); 4 міжнародному симпозіумі по трибофатике (Тернопіль, 2002); I міжнародній науково-технічній конференції ,,Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин” (Тернопіль, 2004); міжнародній науково-технічній конференції ,,Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій”(Київ,2005); I і II міжнародних конференціях ,,Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (Дніпропетровськ, 2002, 2004); 39 і 40 міжнародних науково-технічних конференціях ,,Проблеми якості й довговічності зубчастих передач, редукторів, їх деталей і вузлів” (Севастополь 2007, 2009); першій міжнародній конференції ,,Деформація й руйнування матеріалів” (Москва, 2006); науково-технічній конференції ,,Інформаційні технології в металургії й машинобудуванні” (Дніпропетровськ, 2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 41 робота, з яких 28 статей у наукових журналах, 8 у збірниках праць конференцій, 3 у тезах конференцій, 1 патент України, 1 навчальний посібник. Без співавторів опубліковано 8 робіт.

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, дев'яти розділів, висновків,списку використаних джерел з 262 найменувань, 3 додатків на 29 сторінках, містить 346 сторінок, у тому числі 69 рисунків, 35 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, сформульовані мета й завдання дисертаційної роботи, обґрунтована наукова новизна й дається короткий опис змісту розділів дисертації.

Теоретичні основи оцінки ризику й забезпечення безпеки металургійного обладнання.

У розвитку методів аналізу на міцність металургійних машин укрупнено можна виділити періоди дослідження динаміки механічних систем і оцінки напружено-деформованого стану деталей складної форми, дослідження опору втомі й оцінки надійності. У цих напрямках найбільших успіхів досягли такі вчені, як С.М. Кожевников, А.А. Корольов, Ф.К. Іванченко, В.І. Большаков, В.М. Гребенік, А.В. Гордієнко, В.К. Цапко, Б.А. Морозов, В.М. Шусторович, Л.В. Коновалов, А.І. Сурков, Б.М. Поляков, В.А. Чеченєв та інші.

Показано, що недостатня ефективність результатів оцінки надійності пов'язана із широким застосуванням математико-статистичних методів для, в основному, унікального устаткування металургійного виробництва. Впровадження альтернативних імовірносно - фізичних методів збіглося за часом із впровадженням концепції прийнятного ризику, що відбила необхідність створення ощадливих по енерго - і матеріалоємності, а також по технічному обслуговуванню машин і конструкцій.

Охарактеризоване коло завдань і методів, властивих проблемі безпеки, що виділяють її із проблеми надійності. В задачах безпеки здійснюється індивідуальне прогнозування, що лежить в основі стратегії обслуговування по технічному стану. У ризик-аналізі відходять від канонічного визначення показника ризику як добутку частоти аварій на інтенсивність втрат від них і використовують безрозмірну оперативну характеристику ризику с, яка, практично, відповідає ймовірності руйнування. Тоді безпека експлуатації буде: R=1-с. Таким чином, безпека представляє стан устаткування, при якому ризики його експлуатації не перевищують припустимих. Критерій розрахунків за концепцією прийнятного ризику формалізується у вигляді с _Т <[ с] або R_Т>[R], коли поточні рівні ризику або безпеки с_Т і R_Т порівняються із граничними значеннями [с] і [R]. Принципова можливість застосування критеріїв безпеки й керування ризиками пояснюється за допомогою діаграм оптимальних термінів служби Т_opt (лінії СА і М) і ризиків с_opt (лінії СЕ і L).

Зв'язок між діаграмами пропонується здійснювати за допомогою функції розподілу термінів служби F, завдяки чому оперативна характеристика ризику с повертає собі матеріальну складову.

На підставі ресурсного підходу як показник безпеки запропонований її індекс, що є, по суті, гарантованим запасом довговічності з імовірністю Р . Він визначається шляхом порівняння функцій розподілу прогнозованої довговічності й фактичного числа циклів наробітку n_?(P):

, (1)

де , n_Уmax - мінімальні й максимальні значення, відповідно, довговічності й наробітку, обумовлені по їхніх розподілах n_?(P) і lgn₀(P-1) для однакової ймовірності P.

На ранніх стадіях експлуатації безпеку зручно оцінювати по її індексу, а безпосередньо безпека R набуває чинності на пізніх стадіях.

У такій ситуації зростає роль функції розподілу довговічностей (ФРД) як основної розрахунково-прогнозної характеристики. Використання для оцінки безпеки ресурсного підходу дає можливість управляти ризиками експлуатації обладнання. Суть цієї процедури полягає в поетапній ідентифікації моделей старіння шляхом виявлення при контролі експлуатаційних параметрів детермінованого компонента в початково випадкових факторах впливу. Ресурсна механіка, що займається оцінкою ресурсних показників, дозволяє при проектуванні реалізувати концепцію прийнятного ризику шляхом розрахунків деталей на гарантовану довговічність ,а при експлуатації підтримка безпеки здійснюється за концепцією поетапного призначення ресурсу.

Теоретично обґрунтовані переваги системи обслуговування металургійного устаткування по фактичному технічному стану, коли його моніторинг виступає як засіб підвищення безпеки.

Для прогнозування появи перевантажень прийняті закони розподілу експонентного й подвійного експонентного типу. Запропонована їх апроксимація, що робить їх сумісними з нормальним розподілом штатних навантажень.

Розподіл довговічностей n₀ при нерегулярному навантажені можна одержати: 1) або апріорно задавшись законом розподілу й наступним визначенням його параметрів; 2) або одержанням вибірки n₀ й подальшою оцінкою закону розподілу. У рамках першої стратегії зручно використовувати логарифмічно нормальний закон розподілу.

По розроблених алгоритмах для схематизованого дворівневими блоками процесу з перевантаженнями стосовно до алюмінієвого сплаву 01570М з урахуванням експериментально отриманої моделі корегування величини а₀ були знайдені ФРД. Для експериментальної перевірки викладених методів були проведені випробування при блоковому навантажені. Реалізовувався режим навантаження, що представляє чергування основного і перевантажувального рівнів зі співвідношенням чисел циклів 100:1. Якщо реалізовувати ту саму історію навантаження (блок-програмні випробування) для різних зразків, доводячи їх до руйнування (появи тріщин), то розкид підсумкової довговічності n₀ буде визначатися внутрішнім фактором, а по результатах випробувань знаходиться величина а₀. Для того, щоб експериментально оцінити вплив на ФРД зовнішнього фактора, необхідно під час випробувань реалізовувати різні історії навантаження (блок-випадкові випробування), а по їх результатах можна знайти величину a_r. Таким чином, фактор випадковості трактується як фактор нестаціонарності блок-програмного навантаження.

Дослідженому процесові відповідав еквівалентний по дії шістирівневий блок на основі стандартизованого спектра біноміального розподілу. Для нього за властивостями сплаву 01570М за допомогою традиційної розрахункової методики В.П. Когаєва також були побудовані ФРД.

З аналізу результатів експериментальних і розрахункових оцінок ФРД можна вважати, що більш адекватно прогнозують ресурс деталей запропоновані методи на основі розширених експериментальних базових даних, які враховують історію навантаження. Ідентифікація моделі корегування накопиченого пошкодження вдвічі звужує по середньоквадратичному відхиленню розкид прогнозованих підсумкових довговічностей у порівнянні з вихідним варіантом, коли накопичене пошкодження задається нормальним законом розподілу. Для розглянутого режиму навантаження це дозволяє при необхідному рівні безпеки в 1,18 рази збільшити експлуатаційну довговічність.

Розсіювання підсумкової довговічності n₀ обумовлене, як розбіжністю між розрахунковими й фактичними параметрами режиму навантаження (варіація зовнішнього фактора), так і статистичною природою втоми (варіація внутрішнього фактора). Розсіювання не може бути нижче, чим це допускає якість металу. Форма закону розподілу підсумкових довговічностей залежить від форми блоку навантаження. Для стаціонарного навантаження довговічність розподіляється по логнормальному закону. У зв'язку з тим, що внесок внутрішнього фактора в розсіювання величини n₀ для переважної більшості форм блоків навантаження складає від 50 до 85%, логнормальний закон слід застосовувати й для підсумкової довговічності.

Дана методика обґрунтовує можливість зниження розмірів деталі, практично, на одне значення параметричного ряду. Слід звернути увагу, що порівняння проводилося з імовірнісними методами розрахунків, які у свою чергу забезпечують зниження матеріалоємності близько 20% щодо розрахунків по запасах міцності. На практиці застосування оцінки залишкового ресурсу по ступеню його вичерпання з урахуванням історії навантаження веде до того, що міжремонтний період може бути збільшено в 2…6 раз.

Моделювання навантаженності елементів конструкцій й деталей металургійного обладнання.

Навантаження багатьох механічних систем металургійного виробництва значною мірою детерміноване і його недоцільно повністю представляти у вигляді випадкового процесу. Встановлена технологія виконання операцій робить процес навантаження псевдовипадковим, а установлена частота приводів характеризує експлуатаційний процес як періодично-випадковий. Експлуатація більшості машин гірничо-металургійного комплексу характеризується появою випадкових перевантажень, що відбуваються на тлі основного режиму навантаження. Основна ознака перевантаження - відносна тривалість с_п, величина якої менш 0,01.

Реальний випадковий процес із числом циклів n_ф представляється у вигляді базового (фонового, основного) процесу й послідовності викидів n_n, який можна замінити формалізованим блоком, що складається із двох рівнів, один з яких відповідає базовому процесу, а інший - перевантаженням. Існує точка зору, що при блоковій схематизації процесу врахування історії навантаження важливо при числі блоків 10…20, що саме відповідає частоті появи перевантажень. Отже, вплив цього фактора на довговічність може бути розглянутим з позицій впливу перевантажень.

Щоб формувати блоки послідовностей навантажень доцільно розглядати групи факторів, що обумовлюють нестаціонарність. Експлуатаційна нестаціонарність пов'язана з мінливістю організаційно-технологічних умов. У результаті переходів з режиму на режим роботи обладнання варіація навантажень оцінюється через СКВ S_xe. Повторюваність режимів надає блоку відповідну форму або закон розподілу.

Конструкційна нестаціонарність обумовлена погрішностями визначення напружень (деформацій, пошкоджень) елементів конструкції й деталей. Вона пов'язана з варіацією конструктивних параметрів (розмірів ланок, місце прикладання й напрямок навантаження, коефіцієнтів тертя і т. ін.), яку обґрунтовано представляти нормальним законом зі СКВ S_xk.

Існує також внутрішня нестаціонарність матеріалу, пов'язана з кінетикою пружно-пластичних деформацій, яка враховується для деформаційних критеріїв втоми.

Пропонується методом синтезу формувати багаторежимні макроблоки, що складаються із мікроблоків типової послідовності навантажень л, відносна тривалість яких C_л визначиться як різниця між імовірностями C_л=P_л-P_л-1, які відповідають квантилям u_p. У цьому випадку експлуатаційна нестаціонарність із показником S_xe пов'язана з розподілом рівнів навантажень основного технологічного процесу X_B(P).

Поняття експлуатаційної нестаціонарності дає можливість одержати блок відповідної форми, який міг би використовуватися для розрахунків привода машини. Але для розрахунків гарантованого ресурсу елемента конструкції цього недостатньо. Необхідно від нестаціонарності навантаження Q (сили або моменту сил) перейти до нестаціонарності або напруження у, або деформації е, або пошкодження d. Це здійснюється за допомогою поняття конструкційної нестаціонарності й відображається на варіації рівнів блоку.

Моделювання процесу навантаження для оцінки безпеки здійснюється в три кроки:

- встановлюються параметри первинного ергодичного процесу,

- на їхній основі визначаються параметри перевантажень і формується мікроблок історії навантаження,

- далі з урахуванням повторюваності режимів методом синтезу формується макроблок, що схематизує багаторежимний процес за характерний період експлуатації.

Для оцінки ефективності моделей довговічності необхідно одержати розрахункові ФРД, після чого зрівняти їх з реальними ФРД елементів конструкцій. Кількість відмов таких елементів повинна бути достатньою для одержання ФРД. Доцільно вибирати деталі, що мають малий термін служби, до яких належать елементи, що руйнуються в запобіжних пристроях. У цій якості досліджений запобіжний шпиндель (ЗШ) лінії привода робочих валків пільгерстана. По експериментально заміряних моментах прокатки на основі деформаційних критеріїв втоми були сформовані варіанти блоків навантаження, після чого по різних алгоритмах знайдені розрахункові ФРД. Реальні ФРД ЗШ були встановлені по фактах їх руйнувань за 3 міс. і за 6 міс. експлуатації. Вірогідність прогнозування по медіанному логарифму довговічності перебувала в межах 10%, а розбіжність по СКВ логарифма довговічностей (що характеризує точність прогнозу) не перевищувала 40%. Розрахунки ЗШ за силовими критеріями дають розбіжність по вірогідності в 5 - 10 разів, а по точності до 3,5 разів.

Таким чином, одержала підтвердження гіпотеза про закон експонентного типу для розподілу перевантажень (викидів). Це положення робить завершеною ідею переходу від моделювання навантаження, як чисто випадкового процесу, до формалізованого блоку з випадково мінливими параметрами.

Опробування методик моделювання навантаженності здійснене для об'єктів, які безпосередньо формують термін служби й безпеку всієї механічної системи. Для рамних конструкцій транспортно-технологічних машин, кожухів шахт доменних печей модель їх навантаження отримана як результат узагальнення тензометричних натурних випробувань багатьох екземплярів і типів цього устаткування. Модель навантаження роторного колеса екскаватора KU-800 побудована на підставі експериментальних вимірів потужності приводів при різних режимах роботи в умовах кар'єру ,,Північ'' Вільногірського ГМК. Модель навантаження несучих конструкцій крокуючого конвеєра нагрівальних печей побудована на підставі аналітичних досліджень статичних і динамічних навантажень.

Моделі опору втомі для елементів металургійного обладнання.

Принципи ресурсної механіки регламентують перехід від апарата границь витривалості до рівнянь граничного стану, у яких функцією була б довговічність. У цьому аспекті запропоновано представляти результати стаціонарних втомних випробувань двома базовими залежностями: загальним рівнянням довговічності (ЗРД) і рівнянням розсіювання довговічностей.

Запропонована інтерпретація характеристик опору втомі застосована при дослідженнях механічних властивостей алюмінієвих сплавів АМ_г6, 01570 (5 видів напівфабрикатів), титанових сплавів ВТ3-1, ОТ4, ВТ6 (2 види напівфабрикатів), високоміцних сталей 09Х16Н4Б, 13Х15Н4АМ3Ш, конструкційної сталі 3 (5 станів експлуатаційного наробітку). Показано, що характеристики конструкційної міцності матеріалів лежать у більш вузькому діапазоні, ніж характеристики технічної міцності. Таким чином, у конструкції при експлуатаційному навантажені нівелюється сприятливий вплив структури матеріалу.

Показана можливість врахування масштабного ефекту за допомогою зміни параметрів базового рівняння розсіювання довговічностей. Принцип відбору (вирізки) зразків - свідків для випробувань із різних по напруженості зон конструкції дає можливість відбивати, як вплив розмірів, так і оцінювати накопичене в процесі наробітку втомне пошкодження. Досліджений вплив фактора анізотропії на міцність великогабаритних корпусних оболонкових конструкцій. Проведені дослідження матеріалів, як після їх тривалого зберігання, так і після їх тривалої експлуатації в рамних конструкціях, оскільки це відповідає завданням забезпечення безпеки. Тривала експлуатація металу в базових конструкціях транспортно - технологічних машин під впливом механічних навантажень не відбивається суттєво на опорі втомі. Отже, їх безпека по відмовах поступового типу не знижується. Але разом із цим відбувається окрихчення матеріалу, і з цього погляду, доцільно оцінювати деградацію властивостей по в'язкості руйнування, а безпеку - по раптових відмовах.

З поширенням високоміцних сталей у машинобудуванні виник інтерес до дослідження їх поведінки при високих асиметріях циклу. З високоміцних сталей виготовляють відповідальні деталі, які сприймають істотні статичні навантаження, що веде до росту асиметрії циклу. При випробуваннях сталей 09Х16Н4Б та 13Х15Н4АМ3Ш виявлена втрата чутливості діаграм граничних амплітуд високоміцних сталей до фактора асиметрії циклу. Подібне явище пояснюється прихованим періодом живучості, який обумовлений ранньою появою тріщин при високих максимальних напруженнях циклу, але малих амплітудах.

У досліджуваних металах довжина тріщини l_c, яка відповідає переходу від розсіяного втомного пошкодження до стадії росту тріщини, становить соті частки міліметра. Тому в даній ситуації довговічність металу можна розглядати як його живучість.

Дослідження накопичення пошкоджень і моделі їх підсумовування при режимах навантаження з перевантаженнями.

Перевантаження, що виникають у вузлах металургійного обладнання, значною мірою визначають рівень його безпеки. Це пояснюється зміною інтенсивності накопичення пошкоджень (розрахункові пошкодження від перевантажувальних циклів незначні), що в методології прогнозування довговічності відбивається через величину накопиченого пошкодження а.

Проведені комплексні дослідження накопичення втомних пошкоджень при впливі перевантажень на конструкційні метали, які включають стаціонарні, програмні і блок-випадкові випробування гладких і надрізаних зразків.

Таблиця 1 Умови й результати експерименту, отримані для гладких і надрізаних циліндричних зразків сплаву 01570М при розтяганні-стиску

№ досліду	Умови досліду	бу= 1	бу = 1,5
		Rф=Rп=0	Rф=0; Rп=-1	Rф=Rп=-1	Rф=Rп=0
		amax	aпр	amin	amin
1 2 3 4 5 6 7-10	13 61 49 49 25 25 37	16,2 16,2 27,2 5,2 27,2 5,2 16,2	1,09 0,56 0,75 0,58 0,95 0,85 0,79	1,07 0,58 0,72 0,61 0.98 0,82 0,78	0,65 0,36 0,44 0,35 0,65 0,54 0,50	0,67 0,37 0,46 0,38 0,63 0,52 0,50	0,40 0,28 0,32 0,25 0,41 0,35 0,32	0,39 0,26 0,30 0,27 0,37 0,33 0,32	0,78 0,43 0,58 0,46 0,74 0,58 0,56	0,77 0,43 0,55 0,42 0,71 0,60 0,56

Таблиця 2 Умови й результати експерименту, отримані для циліндричних зразків сталі 09Х16Н4Б

№ досліду	Фактори	Коефіцієнти
1	-1	0	0,4	1,5	2,35	2,43	b0	1,05	2,6
2	+1	0	1,6	1,5	2,07	1,99	b1	-0,22	-8,2
3	+0,5	+0,87	1,3	1,0	1,10	1,18	b11	1,16	3,2
4	+0,5	-0,87	1,3	2,0	0,30	0,37	b0	0,62	4,2
5	-0,5	+0,87	0,7	1,0	1,75	1,68	b22	-0,60	-1,8
6	-0,5	-0,87	0,7	2,0	0,40	0,32	b12	-0,32	0,9
7	0	0	1,0	1,5	1,05	1,05	-	-	-

Ріст коефіцієнтів асиметрії циклу від R=-1 до R=0 веде до росту накопиченого пошкодження a₀, після чого подальший ріст асиметрії циклу дає зниження величини a_0. Асиметрія циклу перевантажень - більш впливовий фактор, ніж асиметрія циклу основного рівня.

Уперше встановлений немонотонний характер поведінки величини втомного пошкодження під впливом навантаженності основного процесу і рівня перевантажень, а також залежно від їхньої асиметрії циклу. Знайдені пояснення цих явищ.

Величина a₀ визначається залежно від параметрів двоступінчастих блоків з перевантажними рівнями, по моделі корегування. Величина a_r залежить від типу процесу. Встановлено, що для процесів із знакозмінними циклами вона менше одиниці, а для процесів із знакопостійними циклами - вона більше одиниці.

У координатах a₀ - X_OL графік базової функції a_OL від найбільш впливового фактора має ввігнуту форму з мінімумом a_0min в X₀=5….30. Отримано взаємозв'язки між параметрами рівняння (5.4), а також лінійні залежності для знаходження корегувань Дa_B та Дa_R.

Аналітична методика корегування накопиченого пошкодження була випробувана в умовах деформування легованих сталей 40Х и 35ХГСА з високим градієнтом напруг на стадії росту тріщини.

Інтенсивність накопичення пошкоджень при режимах з перевантаженнями залежить, як від параметрів режиму, які впливають на хід функції а₀, так і від властивостей матеріалу, які відбиваються на a_0min.

Отримані нові дані про поведінку функції накопиченого пошкодження a₀ при навантаженні з перевантаженнями. Звичайно вважалося, що при переході до знакопостійних циклів хід функції a₀ стає більш плавним, менш чутливим до параметрів режиму. Однак, у дослідженнях в умовах деформування вигином величина a₀ змінюється досить широко - від 0,5 до 5,3.

За високої навантаженності (пошкоджуваності) основного рівня перевантаження навіть позитивної асиметрії циклу не можуть сповільнювати руйнування. Тому існують режими, що сприяють відносному зменшенню величини a₀ у зонах локалізації напруг.

Установлені причини росту накопиченого пошкодження при переході в зони локалізації, які пов'язані з ранньою появою тріщини. На стадії її росту перевантаження можуть збільшувати довговічність на 1-2 порядки, що дає ріст накопиченого пошкодження в кілька разів. При оцінці ресурсу по накопиченню пошкоджень прихований період живучості в зонах локалізації суттєво впливає на результати розрахунків, що особливо характерно для деталей з міцних сталей, де тріщина важкознаходжувана.

Концепція ресурсного проектування для створення безпечних і ощадливих конструкцій.

У розділі вирішується проблема забезпечення заданого рівня безпеки металургійних машин і устаткування при зниженні їх маси. Пропонована концепція ресурсного проектування дозволяє створити рівнодовговічні елементи конструкцій, розраховані із заданим рівнем безпеки. Внаслідок багатофакторності процесу втоми, досить складно по заданих навантаженнях і терміну служби встановити розміри, форму й матеріал деталі. Розв'язати аналітично завдання проектування на заданий ресурс можливо для простих деталей, що працюють у стаціонарному режимі навантаження. Стосовно деталей металургійних машин даний етап доцільно виконувати за допомогою попередньої побудови експлуатаційно-конструкційних діаграм довговічності (ЕКДД) для типових конструктивних елементів. ЕКДД є графік залежності основного розміру конструктивного елемента А від гарантованої довговічності n₀ для діючої форми блоку навантаження. Блок має пошкоджуючу характеристику y, для якої величина А відіграє роль масштабу. Можливість існування й застосування ЕКДД обумовлена різною інтенсивністю накопичення пошкоджень для зон з різним рівнем концентрації напруг К. завдяки наявності в ЕКДД залежності К(n₀) при параметрі А_i зручно проектувати елементи конструкцій за критерієм рівнодовговічності, що підвищує коефіцієнт використання металу при експлуатації. Наявність подібних діаграм підвищує інформативність конструктора та позбавляє його від проведення нетипових розрахунків.

Використовуючи концепцію ресурсного проектування, на конкретному прикладі тяги для гільотиних ножиць показано, що її масу можна знизити в 2,75 рази, а несучу здатність підвищити в 1,7 рази. У цьому випадку для побудови ЕКДД було застосовано корегування накопиченого пошкодження у вигляді поліноміальної моделі. Використання ж корегування Серенсена - Когаєва дає збільшення площі перетинів в 1,3-1,5 рази в порівнянні з розробленим варіантом.

Один зі шляхів забезпечення безпеки обумовлений використанням у силових механічних системах запобіжних пристроїв. У металургійних машинах одержали поширення запобіжні пристрої з елементами, що руйнуються (РЕ). Основний їхній недолік пов'язаний з втомним руйнуванням при штатних (розрахункових) навантаженнях. Для подолання цього недоліку розроблений спосіб вибору конструктивних параметрів РЕ, у якому критерієм оптимізації виступає рівність втомної і функціональної довговічності. Можливість цього способу заснована на ресурсному трактуванні раптових відмов і побудові ЕКДД.

Характеристика розміру перетину А регламентує діючі в РЕ напруги у_i(ф_i) та поциклові d_i пошкодження. Маючи характеристики опору втомі матеріалу РЕ для різних величин коефіцієнтів концентрації напружень б при діючих навантаженнях можуть бути встановлені функції втомної довговічності n_of від розміру перетину А при відповідному б_i.

Застосування способу для проектування запобіжних шпинделів станів трубопрокатного агрегату 5-12” дозволяє на 35% знизити їхню масу й приблизно в 10 разів підвищити термін служби РЕ, а також знизити рівень перевантажень у деталях головної лінії на 87%.

Показані особливості ресурсного проектування рам крокуючого конвеєра нагрівальних печей прокатного виробництва. Маючи експериментальні характеристики опору втомі для гарячекатаних профілів в умовах вигину, установивши блок історії навантаження для поздовжніх балок, застосувавши лінеаризований алгоритм пошуку гарантованої довговічності,визначаються необхідні діючі напруги, по яких знаходять необхідний момент опору балки й розмір двотавра. У результаті обґрунтоване зниження маси рамних конструкцій в 1,8 рази, що знижує витрата енергії в механізмі підйому в 1,2 рази, а в механізмі пересування в 1,6 рази.

Технологічні методи забезпечення безпеки при виготовленні обладнання. У проблемі забезпечення безпеки важливу роль відіграють відповідальні деталі. Під цим терміном маються на увазі деталі, відмова яких веде до втрати працездатності машини. Щодо цього, вони меншою мірою, ніж базові конструкції, визначають ресурс і масу механічної системи, але більшою мірою визначають безаварійну експлуатацію. Відповідальні деталі (вали, зубці, кріплення) виготовляють, переважно, з легованих сталей високої міцності, які, щоб стати такими, проходять складний маршрут термомеханічної обробки. Тому становлять інтерес дослідження зв'язків між технологією виробництва відповідальних деталей і безпекою машин, у яких вони встановлені.

В теперішній час для різьбових з'єднань вузлів більшості технологічних, транспортних машин і устаткування прослідковується тенденція переходу до болтів високих класів міцності. У цьому аспекті для відповідальних стикових болтів з різьбою М18Ч1,5 відпрацьовувалася технологія виробництва. Її особливості в утворенні остаточної форми болта за допомогою тиску, у багатостадійності термообробки й зміцнення поверхневим пластичним деформуванням. Технологічна маршрутна карта нараховує більш 50 операцій. Серед них є декілька контрольних для перевірки механічних властивостей, рівень яких апріорно не очевидний для забезпечення необхідної надійності вузла, не ясні в цьому аспекті й можливості технології.

Проведені втомні випробування на розтяг гладких (б_у=1) і надрізаних (б_у=3.9) зразків термообробленої високоміцної сталі ЕП-310Ш (13Х15Н4АМЗ-Ш), яка використовується для виготовлення відповідальних болтів. За результатами випробувань для розмахів розтягувальних напружень циклу Ду отримані загальні рівняння довговічностей,а також рівняння розсіювання довговічностей. По цих залежностях встановлюється рівняння для еквівалентних режимів випробувань із контрольним числом циклів навантаження N=150000.

Визначення еквівалентних режимів проводиться в такий спосіб:

- вибирається необхідна величина коефіцієнта асиметрії циклу R,

- по (7.1) визначається величина розмаху осьової сили Р у кН.

Перевага еквівалентних режимів полягає в тому, що при незначному збільшенні розмаху циклічного навантаження можна суттєво знизити максимальне навантаження циклу. Це скорочує витрати на випробування й розширює номенклатуру випробувального устаткування.

Основним практичним результатом цих досліджень є відпрацьовування металургійного циклу виготовлення, що включає ковальські й термічні операції. Досягнутий рівень механічних властивостей (у_В= 1552 МПа; у_0,2=1373 МПа; ц=0,52; д=0,16; HR_C=42…45; K_fc=155 МПа) забезпечує роботу з високими напругами затягування, а також дозволяє знизити ризик крихких руйнувань.

Проведені втомні випробування натурних болтів, які дозволили встановити вплив режимів накатки різьби, режимів обкатування жолобників, стану інструмента на характеристики опору втомі елементів болтів. Таким чином, був відпрацьований технологічний цикл виготовлення високовитривких болтів з високоміцної сталі, а також отримані дані для оцінки їх надійності у виробах.

Отримані причинно-наслідкові зв'язки для прогнозування поведінки конструктивних елементів болта при деформуванні, що дозволяють діагностувати його технологію виготовлення й експлуатаційні відмови.

Працюючи в роторних ріжучих органах забійних машин, несучі елементи інструментів - різцеві державки й зуби, витримують вплив комплексу деградаційних процесів. До них відносять стирання та циклічний вигин від різання породи, також регулярні перевантаження від влучення в зону різання важкоруйнованих включень. У результаті цього в несучих елементах спостерігаються різні види відмов, обумовлені зношуванням, втомою, статичним в'язким і крихким руйнуванням. Щоб успішно опиратись зношуванню й перевантаженням зубці повинні бути максимально твердими й міцними, що супроводжується зниженням тріщиностійкості й опору втомі в зонах концентрації напруг. Тому при призначенні механічних властивостей і термомеханічної обробки подібних деталей слід вирішувати оптимізаційну задачу, метою якої є підвищення надійності.

Були проведені комплексні дослідження працездатності легованих сталей 40Х и 35ХГСА в різному термообробленому стані. Усього було виготовлено 12 партій зразків сталей з діапазоном твердості поверхні від HRc 36 до HRc 52, які випробовувалися при циклічному навантаженні в умовах зосередженого вигину.

Запропонована методика оптимізації механічних властивостей деталей, що витримують вплив конкуруючих деградаційних процесів. Методика випробувана на різцях вугільних комбайнів. За результатами випробувань встановлені моделі для меж міцності у_В (HRc), границь витривалості у_R (HRc) і для критичних КІН K_fc (HRc) у вигляді (табл. 3):

Критерієм оптимізації буде рівність запасів міцності по крихкому і по циклічному руйнуванню, або рівність запасів міцності по крихкому і по в'язкому руйнуванню, яке досяжне при найбільшому значенні твердості. Щоб реалізувати даний критерій, необхідно мати відомості про розвиток форми поверхневої тріщини, оскільки відмова різців відбувається звичайно на цій стадії. Такі моделі лінійного та ступеневого виду були знайдені для умов вигину.

Таблиця 3 Коефіцієнти моделей механічних властивостей сталей

...