Обґрунтування методу оцінки залишкового ресурсу металевих конструкцій вантажопіднімальних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

УДК 621.873.004.15(043.3/.5)

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування методу оцінки залишкового ресурсу металевих конструкцій вантажопіднімальних машин

05.05.05 - піднімально-транспортні машини

Стариков Максим Андрійович

Одеса - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному морському університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Немчук Олексій Олегович, Одеський національний морський університет, завідувач кафедри підйомно-транспортних машин та механізації перевантажувальних робіт

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Семенюк Володимир Федорович, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри підйомно-транспортного та робототехнічного обладнання

кандидат технічних наук Сидоренко Михайло Володимирович, Запорізький національний технічний університет, ст. викладач кафедри деталей машин і підйомно-транспортних машин

Захист відбудеться " 24 " червня 2011 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.02 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Шевченка, 1, ауд. 400-А

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Шевченка, 1

Автореферат розісланий " " травня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. С. Кравчук

твердість метал крановий конструкція

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Згідно з даними держгірпромнагляду України близько 72 % кранів відпрацювали свій нормативний строк служби. Рішення про продовження експлуатації таких кранів повинні прийматися обґрунтовано, після проведення експертного обстеження та повного технічного огляду. У зв'язку з тим, що при проектуванні кранових металоконструкцій були закладені значні коефіцієнти запасу, то переважним дефектом є погіршення фізичних властивостей металу, що призводить до зниження надійності та довгочасності роботи крана в цілому. Для визначення ступеня деградації (погіршення) фізичних властивостей металу (зменшення границі витривалості, збільшення твердості тощо) застосовують руйнівні методи контролю - випробування зразків, узятих з небезпечних вузлів металоконструкцій. Вказаний спосіб має значні недоліки: порушення цілісності металоконструкції; зменшення міцності елементів, що досліджуються, ремонтною зваркою, додаткові витрати на проведення ремонту тощо. Альтернативними є неруйнівні методи: контроль за коерцитивною силою, акустико-емісійний контроль, контроль за твердістю поверхневого шару металу та інші. Відомі на цей час дослідження згідно з можливостями використання наведених вище параметрів при проведенні неруйнівного контролю мають значні недоліки, які обмежують їх застосування до оцінки залишкового ресурсу вантажопіднімальних машин. За останні роки через зростання вартості проведення випробувань практично не проводилися дослідження кранових марок сталей (наприклад 09Г2С) на предмет зміни їх фізичних властивостей, які відображають ступінь накопичення втомних пошкоджень в процесі багатоциклової втоми. При проведенні даних досліджень не враховувалися рівні напружень, випробування проводилися в зоні малоциклової втоми, хоча переважна більшість металевих конструкцій вантажопіднімальних машин працює в зоні багатоциклової втоми.

Отже, розроблення сучасного, науково-обґрунтованого підходу до оцінки залишкового ресурсу вантажопіднімальних машин із застосуванням неруйнівних методів контролю є важливим науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Згідно з темою дисертаційної роботи на кафедрі «Підйомно-транспортні машини та механізація перевантажувальних робіт» Одеського національного морського університету виконані наступні науково-дослідницькі роботи, в яких автор був відповідальним виконавцем: НДР 08/05 "Определение остаточного ресурса грузоподъемных кранов (портальный кран "Альбатрос" на замовлення естонської фірми "Алекон ТС"; НДР 19/06 "Определение остаточного ресурса металлической конструкции козлового контейнерного крана КК 32-25-8,5-5" на замовлення фірми "Ильичевсквнештранс".

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення неруйнівного методу визначення стану та оцінки залишкового ресурсу металоконструкцій вантажопіднімальних машин на основі дослідження зміни магнітних властивостей та твердості поверхневого шару металу цих конструкцій як параметрів, що відображають ступінь накопичених втомних пошкоджень.

Для досягнення мети в роботі необхідно було вирішити наступні задачі:

- Провести комплексний аналіз можливостей застосування таких параметрів як твердість, коефіцієнт варіації твердості, коерцитивна сила, що характеризують фізичні властивості металу конструкції, для ефективної оцінки її залишкового ресурсу.

- Дослідити кожний із параметрів, які застосовуються при оцінюванні стану металевих конструкцій, та встановити для них норми дефектації з метою можливого застосування для кількісного оцінювання залишкового ресурсу вантажопіднімальних машин.

- Розробити критеріальні оцінки поточної пошкодженості, беручи за основу обрані параметри на базі лабораторних зразків, для діагностування залишкового ресурсу кранових металоконструкцій.

- Розробити методику з визначення стану металу кранових конструкцій та оцінці їх залишкового ресурсу.

Об'єкт дослідження - процес накопичення пошкодженості в металоконструкціях вантажопіднімальних машин, працездатність яких забезпечується за критерієм опору багатоцикловому втомному руйнуванню.

Предмет дослідження - функціональні залежності втомного пошкождення з твердістю та коерцитивною силою в металевих конструкціях вантажопіднімальних машин.

Методи дослідження - визначення напружено-деформованого стану відповідальних елементів металоконструкції крана виконувалося за допомогою чисельного експерименту, методу кінцевих елементів, теорії пружності та теорії руйнування. Напруження в металоконструкції крана визначалось натурними дослідженнями із застосуванням тензометричного методу. Для обробки результатів експериментальних даних використовувалися статистичні методи.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше розроблено метод визначення залишкового ресурсу металоконструкцій кранів, що відпрацювали свій нормативний строк служби, який базується на залежностях пошкодженості металу від твердості та коефіцієнта варіації твердості його поверхневого шару, коерцитивної сили і напружень у небезпечному вузлі.

Вперше отримані емпіричні залежності величини пошкодженості кранових металоконструкцій від коефіцієнта варіації твердості та коерцитивної сили як одних з найбільш важливих характеристик, які використовуються при оцінці залишкового ресурсу з урахуванням напружень, що діють у вузлі, котрий досліджується.

Уточнено емпіричну залежність втомної пошкодженості від коефіцієнта варіації твердості завдяки урахуванню спектра напружень, які діють у небезпечному вузлі кранової металоконструкції, що досліджується.

Набув подальшого розвитоку алгоритм трансформації залежностей пошкодженості від коерцитивної сили та коефіцієнта варіації твердості, отриманих для лабораторних зразків, який дозволяє застосовувати їх при оцінці пошкодженості небезпечних вузлів металевих конструкцій вантажопіднімальних машин.

Встановлено норми дефектації кранових металоконструкцій, що експлуатуються у зоні багатоциклової втоми, які грунтуються на параметрах коерцитивної сили та коефіцієнта варіації твердості, стосовно низьколегованих марок сталі (на прикладі поширеної кранової сталі 09Г2С), що не було відображено у традиційних методах.

Практичне значення одержаних результатів.

- Розроблено метод виявлення стану кранових металоконструкцій та оцінки їх залишкового ресурсу, який забезпечив підвищення точності визначення пошкодженості небезпечних її елементів на 13,5 %. Метод впроваджено при проведенні позачергового технічного обстеження кранів, які знаходяться на балансі ТЦ «Південна залізниця» та ЗАТ «Ильичевсквнештранс».

- Запропоновано емпіричну залежність для оцінки пошкодженості найбільш навантажених елементів кранової металоконструкції, що виготовлені з низьколегованої сталі 09Г2С, від діючих у цьому елементі напружень та коерцитивної сили.

- Запропоновано модель, яка дає змогу оцінити ступінь втомної пошкодженості металевої конструкції кранів, базуючись на закономірностях накопичення втомної пошкодженості для лабораторних зразків..

- Запропоновано емпіричну залежність для оцінки пошкодженості найбільш навантажених елементів кранової металоконструкції, що виготовлені з низьколегованої сталі 09Г2С, від діючих у цьому елементі напружень та коефіцієнта варіації твердості.

- Запропоновані критичні значення параметрів коерцитивної сили та коефіцієнта варіації твердості для найбільш навантажених елементів металоконструкції, при яких подальша експлуатація перевантажувальної машини є небезпечною.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення й результати одержано автором самостійно [1] і у співавторстві [2-12]. Особисто здобувачем виконано наступне: проаналізовані існуючі підходи до вирішення проблеми оцінки стану кранових металоконструкцій [11]; сплановано й проведено натурний експеримент з визначення напружено-деформованого стану металоконструкції крана при його роботі [6-8]; показана можливість застосування натурного експеримента та чисельного експеримента для вирішення задач з оцінки стану металоконструкцій та визначення їх залишкового ресурсу [2-5, 11, 12]; виявлено змінність залежностей втомної пошкодженості від коерцитивної сили та коефіцієнта варіації твердості для різних рівнів напружень; отримані залежності зміни коерцитивної сили в залежності від рівня накопичених втомних пошкоджень з урахуванням рівнів напружень; визначені інтервали значень коерцитивної сили та коефіцієнта варіації твердості, при яких подальша експлуатація перевантажувальної машини становить підвищену небезпеку [9]. Спільно з співробітниками кафедри ПТМ і МПР Одеського національного морського університету Є. М. Кокошко та А. А. Дмітрієвим проведено обстеження металоконструкцій кранів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися та отримали позитивну оцінку на наукових конференціях викладачів, аспірантів та співробітників ОНМУ (2005-2009); міжнародних конференціях: "Морський науковий форум. Наукова конференція з міжнародною участю (Варна, 2010)"; секції науково-методичної ради з машинобудування і металообробки Міністерства освіти і науки України за напрямком підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини та обладнання (Одеса, 2010); третій міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні порти - проблеми та рішення» (Одеса - Несебр 2009); засіданні комітетів з механізації, технології та інформатики Асоціації морських портів Росії та Асоціації портів України (2005); конференції "Пріоритети антикризисної політики у сфері піднімально-транспортної та будівельно-дорожньої техніки (2009)"; конференції "Модернізація та оновлення ліфтового парку та будівельно-дорожньої техніки в умовах фінансової рецесії (2009)".

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 12 наукових праць, серед яких 9 статей у виданнях, затверджених ВАК України і 3 статті в науково-технічних журналах.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел, двох додатків. Повний обсяг дисертації - 137 сторінок. Вона містить 59 ілюстрацій, 14 таблиць, список використаних джерел із 113 найменувань.

ОСНОВНий зміст РоБОТи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок з науково-дослідними роботами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об'єкт, предмет і методи дослідження, а також наукову новизну і практичне значення результатів, отриманих при виконанні роботи, наведено інформацію щодо апробації роботи, особистого внеску здобувача і публікацій.

У першому розділі дисертації проведено аналіз ситуації, яка склалась у сфері експлуатації вантажопіднімальних машин. Розглянуто основні типи металоконструкцій та характерні причини аварій. Виявлено, що у більшості випадків причиною аварій є втомне руйнування.

Проаналізовано основні сучасні методики з оцінки залишкового ресурсу металевих конструкцій вантажопіднімальних машин, строк служби яких добіг кінця. З'ясовано, що не існує загальноприйнятого підходу до розв'язання цього завдання. Більшість методик, які використовуються в поточний час, базуються на застосуванні руйнівного контролю. При цьому випробування проводять для зразків, які взяті з небезпечних вузлів металоконструкції. Такий метод має багато недоліків: порушення цілісності небезпечних елементів металоконструкції, послаблення цих елементів ремонтною зваркою, необхідність додаткових витрат на проведення ремонтних робіт тощо. Альтернативою є неруйнівні методи контролю. Перспективними є методи, які контролюють пошкодженість металоконструкції, базуючись на параметрах коерцитивної сили, твердісті, коефіцієнта варіації твердості. Однак ряд суттєвих недоліків, притаманних цим методикам, значно обмежує або робить неможливим їх застосування до кранових металоконструкцій.

Визначені властивості, які повинен мати параметр, що застосовується для оцінки залишкового ресурсу: залежність зміни цього параметра від втомного пошкодження металоконструкції повинна бути монотонною; параметр повинен визначатися неруйнівним методом контролю; приріст параметра в процесі накопичення пошкоджень повинен бути значно більшим за похибку його визначення.

У результаті аналізу літературних даних виявлено, що зміна коерцитивної сили в залежності від кількості циклів напружень не є однозначною і тлумачиться по-різному.

Визначено основні напрямки вирішення актуальної науково-технічної проблеми з розроблення сучасного методу оцінки залишкового ресурсу металоконструкцій перевантажувальних машин.

У другому розділі проведено експериментальне дослідження з виявлення існування та вивчення кількісної залежності між твердістю та втомним пошкодженням металу зразків. Наведено відомості про експериментальне устаткування. Спроектовано зразок для проведення випробувань з урахуванням недоліків, які були виявлені під час експериментальних досліджень.

Для визначення кількісної залежності мікротвердості від ступеня втомних пошкоджень спроектовано та виготовлено два циліндричних ступінчастих зразки, які випробувані під дією симетричного циклу напружень із сталою амплітудою при чистому згині. Завдяки різним діаметрам ступенів у них накопичувалися різні рівні пошкодження.

В подальшому проведено заміри твердості за Брінелем поверхневого шару металу. При цьому твердість для всіх ступенів була практично однакова. Виявлено, що твердість металу поверхневого шару для всіх ступенів зразка однакова. При проникненні індентора в метал на глибину до 2 мм. відбувається осереднення твердості пошкодженого шару та серцевини зразка. Враховуючи це, в подальших дослідженнях замість твердості досліджували мікротвердість (Вікерс), яка визначається в тонких шарах металу глибиною до 0,3 мм. За результатами експерименту виявлено, що залежність мікротвердості від пошкодженості не є монотонною, а найбільший діапазон її зміни становить 8,3 % від мінімального значення (рис. 1).

Рис. 1. Зміна мікротвердості НV відповідно до пошкодженості матеріалу D: 1 - амплітуда напружень у=326 МПа, кількість циклів до руйнування N=51700; 2 - у=300 МПа і N=1635000 циклів

В той же час залежність дисперсії мікротвердості від пошкодженості металу є монотонно зростаючою (рис. 2), а її збільшення становило 94 %. При цьому найбільше значення дисперсія твердості приймала на зруйнованій ступені.

Рис. 2. Зміна дисперсії мікротвердості S_НV відповідно до пошкодженості матеріалу D: 1 - амплітуда напружень у=326 МПа, кількість циклів до руйнування N=51700; 2 - у=300 МПа і N=1635000 циклів

За результатами експериментів запропоновано проводити подальші дослідження на плоских ступінчастих зразках, в яких реалізується одновісний напружено-деформований стан з коефіцієнтом асиметрії циклу напружень R=0,5. При розтягненні в поперечному перерізі зразка накопичується однакова пошкодженість через дію однакових напружень.

Третій розділ присвячено перевірці гіпотези інваріантності втомної пошкодженості до рівня амплітуд циклічних напружень у зразках; отримано емпіричні залежності пошкодженості від твердості, коефіцієнта варіації твердості, коерцитивної сили та напружень; запропоновано модель переходу, яка дає змогу оцінити ступінь втомних пошкоджень небезпечного елемента крана, базуючись на закономірностях, отриманих для лабораторних зразків.

Випробувано 15 зразків (рис. 3) на трьох рівнях напружень у=167 МПа, 192 МПа і 240 МПа. Для зменшення похибки вимірювання запропоновано виконувати заміри твердості та коерцитивної сили в зонах зразка, де діють напруження, які відрізняються від номінальних не більш ніж на 3,5 МПа (прямокутники на рис. 3). Для того щоб обґрунтовано вказати ці зони, попередньо визначено напружено-деформований стан зразка з використанням чисельних методів.

Рис. 3. Плоский зразок для випробування на циклічне розтягання

Основою діючих на сьогоднішній день методик з оцінки залишкового ресурсу металевих конструкцій вантажопіднімальних машин є гіпотеза незалежності втомної пошкодженості від амплітуди циклів напружень. Експериментальна перевірка не підтвердила це допущення. Встановлено, що пошкодженість залежить не тільки від коерцитивної сили (або твердості), а також від рівня амплітуд циклів напружень. У зв'язку з цим отримані експериментальні дані апроксимувалися функцією двох змінних величин. Для обробки експериментальних даних застосовувався метод найменших квадратів та поліном третього ступеня як такий, що дає найменшу похибку, яка оцінювалась згідно з критерієм Пірсона. Так, при обробці залежності пошкодженості від коефіцієнта варіації твердості та рівня напружень з використанням поліномів різного ступеня отримані наступні результати:

- для поліному другого ступеня з імовірністю 0,88 похибка становить 0,2;

- для поліному третього ступеня з імовірністю 0,91 похибка становить 0,2;

- для поліному четвертого ступеня з імовірністю 0,88 похибка становить 0,2.

Поліном, який апроксимує залежність пошкодженості від твердості поверхневого шару металу та рівня амплітуди напружень, має вигляд:

(1)

де D - втомна пошкодженість; у- еквівалентне напруження (за Мізесом), МПа; НВ - твердість (за Брінелем), МПа.

Рис. 4. Апроксимуюча поверхня та лінії рівня функції D=f(у,HB)

Із імовірністю 0,94 похибка при визначенні пошкодженості дорівнює 0,3. Однак ця залежність не є однозначною (одному значенню твердості відповідає два та більше рівня пошкодженості), через це вона не може застосовуватися для визначення ступеня пошкодженості кранової металоконструкції.

Апроксимаційний поліном залежності пошкодженості від коефіцієнта варіації твердості має наступний вигляд:

(2)

де г_НВ - коефіцієнт варіації твердості (за Брінелем).

Із імовірністю 0,91 похибка при визначенні пошкодженості дорівнює 0,2. Визначено 90 % інтервал довіри для генерального середнього значення коефіцієнта варіації твердості для металу, в якому накопичена гранична величина втомної пошкодженості (D=1)

(3)

де г_HB - середнє значення коефіцієнта варіації твердості; S_гнв - середнє квадратичне відхилення коефіцієнта варіації твердості; n - кількість результатів експерименту.

Рис. 5. Апроксимуюча поверхня та лінії рівня функції D=f(у,г_НВ)

Поліном, який апроксимує залежність пошкодженості від коерцитивної сили поверхневого шару металу та рівня амплітуди напружень, має вигляд:

 (4)

де Нс - коерцитивна сила, А/см.

З імовірністю 0,93 похибка при визначенні пошкодженості дорівнює 0,3. Визначено 90 % інтервал довіри для генерального середнього значення коерцитивної сили для металу, в якому накопичена гранична величина втомної пошкодженості (D=1).

(5)

де Нс - середнє значення коерцитивної сили, А/см; S_Нс - середнє квадратичне відхилення коерцитивної сили, А/см; n - кількість результатів експерименту.

Рис. 6. Апроксимуюча поверхня та лінії рівня функції D=f(у,Hc)

Незважаючи на те, що матеріал зразків та вузлів металевих конструкцій однаковий, при рівних напруженнях кількість циклів до руйнування в них буде різна. Таким чином неможна безпосередньо застосовувати емпіричні результати, отримані для лабораторних зразків, до кранових металоконструкцій. Запропоновано модель, яка дає змогу оцінити ступінь втомної пошкодженості металевої конструкції кранів, базуючись на закономірностях накопичення втомної пошкодженості для лабораторних зразків. Для оцінки міцності прийнято наступну гіпотезу: руйнування як зразка, так і небезпечного вузла металевої конструкції перевантажувальної машини виникає при накопиченні однакової втомної пошкодженості. Згідно з цією гіпотезою обчислюються напруження в лабораторному зразку при осьовому розтягнені асиметричним циклом, що еквівалентні напруженням розглядуваного елемента металоконструкції. Для визначення еквівалентних напружень запропонована емпірична залежність, яка базується на апріорному виборі параметрів трьохпараметричного рівняння Вейбула та

, (6)

де - границя витривалості, МПа; - напруження, які діють у небезпечному елементі металоконструкції крана, МПа; - границя витривалості небезпечного вузла металоконструкції крана, МПа; - напруження, які діють у перерізі зразка, МПа; - границя витривалості зразка, МПа.

Обчисливши еквівалентні напруження за допомогою залежностей (2) та (4), можна визначити ступінь пошкодженості металу елемента металоконструкції.

Четвертий розділ присвячено розробці метода оцінки залишкового ресурсу металоконструкцій вантажопіднімальних машин, критерієм руйнування яких є багатоциклова втома. Показано застосування методики для оцінки залишкового ресурсу козлового крана КК-32-25-8,5-5, нормативний строк служби якого вичерпано.

Запропонований метод складається з наступних етапів:

· Збирання та аналіз існуючої документації щодо втомного руйнування металоконструкції вантажопіднімальних машин.

· Виявлення небезпечних елементів металоконструкції завдяки аналізу її роботи та за допомогою магнітного методу неруйнівного контроля по коерцитивній силі та заміри твердості в найбільш небезпечних елементах.

· Теоретичний аналіз напружено-деформованого стану металоконструкції.

· Проведення натурного експерименту для оцінки похибки, яка допускається при заміні реальної металоконструкції її математичною моделлю.

· Обчислення поточного накопичення втомних пошкоджень за залежностями (2), (4) і (6).

· За допомогою лінійної гіпотези накопичення пошкодженості визначається залишковий ресурс перевантажувальної машини відповідно до її характерного циклу роботи.

Для оцінки залишкового ресурсу металоконструкції крана обрано козловий кран КК-32-25-8,5-5 вантажопіднімальністю 32 тонни, який використовується для перевантаження великотоннажних контейнерів.

Небезпечні елементи металоконструкції - вузли з'єднання ноги та головної балки, ноги та стяжної балки та верхнього поясу головної балки у середині прольоту - виявлені в результаті розрахунку металоконструкції за допомогою методу кінцевих елементів.

Характерний цикл роботи крана: підйом контейнера на консолі, переміщення візка з контейнером на середину прольоту, опускання контейнера на склад та зворотний холостий хід (рис. 7).

Рис. 7. Схема переміщення вантажу під час роботи крана

Визначено зміну напружень (еквівалентних за Мізесом) у виявлених раніше небезпечних елементах металевої конструкції. Небезпечним є вузол з'єднання ноги та стяжної балки. Зміни напружень у цьому елементі, впродовж характерного циклу роботи крана, показано на рис. 8.

Рис. 8. Схематизована зміна напружень у з'єднанні ноги та стяжної балки впродовж характерного циклу роботи крана за результатами розрахунків

Для перевірки розрахункових даних в небезпечному вузлі крана було змонтовано розетку тензорезисторів за допомогою яких отримано зміну напружень впродовж характерного циклу роботи крана (рис. 9).

Для порівняння результатів розрахунку та одержаних експериментальних даних обчислено еквівалентні напруження (за допомогою методу «дощу») для двох законів. Відмінність результатів, отриманих різними способами, не перевищує 10,6.

В досліджуваному елементі металоконструкції замірялась коерцитивна сила та твердість. Після приведення напружень в елементі металоконструкції до еквівалентних напружень зразка (6), за залежностями (2) та (4) визначено ступінь втомної пошкодженості металу цього вузла.



Рис. 9. Графік зміни напружень у з'єднанні ноги та стяжної балки впродовж характерного циклу роботи крана за результатами натурного експерименту

У зв'язку з тим, що параметр коерцитивної сили достатньо чутливий до товщини металу, який діагностується, перед застосуванням залежності (4) треба провести перерахунок значень коерцитивної сили, отриманої для поточної товщини металу, до її значень для товщини зразків, на яких отримані залежності (товщина зразка - 4 мм). Для розрахунку залишкового ресурсу використана лінійна гіпотеза накопичення пошкодженості, яка дає задовільні результати, якщо амплітуди напружень чергуються квазівипадково.

Також обчислено ресурс небезпечного елемента:

· За діючими методичними вказівками, які базуються на залежності зміни коерцитивної сили для статичного розтягнення зразка та не передбачають трансформації залежностей, отриманих на лабораторних зразках, на металоконструкцію крана.

· За традиційною методикою, яка застосовується при проектуванні металоконструкції крана, з використанням лінійної гіпотези накопичення пошкодженості та врахуванням кількості циклів навантаження за поточний строк служби крана. Результати розрахунків зведено до табл. 1

Таблиця 1. Результати розрахунків втомної пошкодженості та залишкового ресурсу елемента нога-стяжна балка за традиційними методиками та за запропонованим методом

Метод розрахунку	Ступінь накопиченої втомної пошкодженості, %	Залишковий ресурс, %	Залишковий ресурс, технологічні цикли	Середня похибка методу у порівнянні з традиційною методикою, %
За параметром коерцитивної сили	від 73,5 до 100	від 0 до 26,5	від 0 до 171082	5,9
За параметром коефіцієнта варіації твердості	від 73,2 до 89,4	від 10,6 до 26,8	від 68433 до 173020	2,8
Згідно з діючою методикою, яка базується на коерцитивній силі	70	30	193678	16,3
Згідно з традиційною методикою	83,6	16,4	105589	-

За результатами порівняння запропонованої методики з традиційною виявлено, що запропонована методика є у середньому на 13,5% більш точною.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі отримано нове рішення важливої науково-технічної задачі щодо визначення залишкового ресурсу металоконструкцій вантажопіднімальних кранів, які відпрацювали свій нормативний ресурс, в основу якого покладено створення розрахунково-експериментального методу оцінки величини накопиченого втомного пошкодження та прогнозування довговічності до настання граничного стану. Метод дозволяє виявляти небезпечні вузли та оцінювати ступінь накопичених втомних пошкоджень металоконструкцій, базуючись на параметрах неруйнівного контроля і обгрунтовано призначати період подальшої експлуатації за результатами проведеного позачергового технічного обстеження.

2. Розроблено метод оцінювання пошкодженості кранових конструкцій, що включає два етапи: експрес-діагностика, що базується на параметрі коерцитивної сили, в наслідок чого можна оперативно виявити небезпечні вузли крана і попередньо (з похибкою 30 %) визначити ступінь їх пошкодження; уточнена діагностика, що базується на коефіцієнті варіації твердості , і дає змогу з похибкою 20 % оцінювати ступінь втомного пошкодження небезпечного вузла.

3. Обгрунтовано, що пошкодженість металоконструкцій перевантажувальних машин доцільно визначати за допомогою двох найважливіших факторів, що є значущими показниками стану металу - напруження, що діють у вузлі, і коерцитивної сили (або коефіцієнта варіації твердості). Такий підхід дає змогу врахувати причинно-наслідковий зв'язок напружень як фактора, що ушкоджує, і коерцитивної сили (коефіцієнта варіації твердості) як чинника, що визначає стан металу при проведенні робіт з оцінки залишкового ресурсу металоконструкцій, в результаті чого точність діагностування зростає на 13,5 %.

4. Встановлено норми дефектації металоконструкцій, які базуються на параметрах коерцитивної сили і коефіцієнта варіації твердості, значення яких отримані за результатами випробувань зразків, виготовлених з елементів металоконструкцій вантажопіднімальних машин і з довірчою імовірністю 0,9 мають такі діапазони: від 7 до 8 А/см для коерцитивної сили і від 2,25 до 2,56 для коефіцієнта варіації твердості.

5. Запропоновано метод оцінювання ступеня втомного пошкодження небезпечних елементів металоконструкцій кранів на основі закономірностей накопичення ушкоджень, отриманих для лабораторних зразків, та визначення їх залишкового ресурсу.

6. Метод впроваджено при проведенні оцінки залишкового ресурсу вантажопіднімальних машин, які знаходяться на балансі ТЦ «Південна залізниця» та ЗАТ «Ильичевскквнештранс». Умовний економічний ефект має місце завдяки наявності у перевантажувальної машини залишкового ресурсу, що є підставою продовження її роботи на наступні три роки, хоча згідно діючим нормативним документам вона вже вичерпала свій нормативний ресурс, та може скласти 90 тисяч грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стариков М. А. Применение параметра микротвердости поверхностного металла для оценки состояния металлоконструкций грузоподъемных машин при циклическом нагружении / М. А. Стариков // Проблемы техники. - 2009. - Вып. 2. - С. 73-78.

2. Сурьянинов Н. Г. Применение программного комплекса ANSYS в расчетах механики разрушения / Н. Г. Сурьянинов, М. А. Стариков // Вестн. Одес. нац. морск. ун-та. - 2005. - Вып. 19. - С. 172-180.

3. Шумило О. М. Оцінка дійсних запасів втомної міцності валів і осей / О. М. Шумило, М. А. Стариков // Проблеми техніки. - 2009. - Вип. 1. - С. 89-96.

4. Коноплев А. В. О некоторых аспектах построения кривых усталости / А. В. Коноплев, М. А. Стариков // Вестн. Одес. нац. морск. ун-та. - 2006. - Вып. 20. - С. 150-159.

5. Коноплев А. В. О корреляционных зависимостях между параметрами кривых усталости / А. В. Коноплев, М. А. Стариков // Вестн. Одес. нац. морск. ун-та.. - 2008. - Вып. 24. - С. 115-122.

6. Немчук А. О. О точности традиционных методов расчета давления на опоры в модели башенного крана КБ-403А / А. О. Немчук, М. А. Стариков // Подъемно-транспортная техника. - 2008. - Вып. 1. - С. 17-21.

7. Немчук А. О. Определение остаточного ресурса металлоконструкции козлового крана / А. О. Немчук, М. А. Стариков // Тр. Одес. политехн. ун-та. - 2008. - Вып. 2. - С. 36-39.

8. Дмитриев А. А., Стариков М. А., Немчук А. О. Исследование причин разрушения зубчатого зацепления механизма изменения вылета портального крана «Сокол» / А. А. Дмитриев, М. А. Стариков, А. О. Немчук // Проблеми техніки. - 2010. - Вып. 4. - С. 68-82.

9. Белятинский А. А. Оценка остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин / А. А. Белятинский, И. С. Клименко, М. А. Стариков // Вісн. інж. акад. України. - 2010. -Вып. 3-4. - С. 196-198.

10. Немчук А. О. К оценке остаточного ресурса и прочности крановых металлоконструкций, отработавших нормативные сроки эксплуатации / А. О. Немчук, М. А. Стариков // Транспорт. - 2005. - Вып. 45 (369). - С. 71-72.

11. Немчук А. О. К рассмотрению некоторых подходов по оценке остаточного ресурса грузоподъемных машин / А. О. Немчук, М. А. Стариков // Подъемные сооружения. Спец. техника. - 2007. - Вып. 2. - С. 28-30.

12. Немчук А. О. Оценка работоспособности крановых металлоконструкций на основе численных методов / А. О. Немчук, М. А. Стариков // Подъемные сооружения. Спец. техника. - 2006. - Вып. 7. - С. 30-31.

АНОТАЦІЯ

Стариков М. А. Обґрунтування методу оцінки залишкового ресурсу вантажопіднімальних машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.05 - піднімально-транспортні машини. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2011.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі оцінки залишкового ресурсу зварних металоконструкцій вантажопіднімальних машин.

Створено метод оцінки поточної втомної пошкодженості найбільш небезпечних елементів металоконструкцій кранів. Встановлено закономірності в зміні втомної пошкодженості в залежності від значення коерцитивної сили (коефіцієнта варіації твердості) та рівня напружень, які діють в елементі металоконструкції, що досліджується.

Запропоновано метод, який дозволяє оцінювати ступінь втомного пошкодження металевих конструкцій кранів, що базується на закономірностях накопичення пошкоджень, отриманих для лабораторних зразків.

Виявлено необхідність урахування спектра напружень, які діють у найбільш напруженому вузлі, при дослідженні залежності пошкодженості від коефіцієнта варіації твердості.

Встановлено норми дефектації кранових металоконструкцій, що експлуатуються в зоні багатоциклової втоми, які основані на параметрах коерцитивної сили та коефіцієнта варіації твердості, стосовно низьколегованих марок сталі.

Ключові слова: залишковий ресурс, вантажопіднімальні машини, тензометрія, метод кінцевих елементів, коерцитивна сила, коефіцієнт варіації твердості, втомна пошкодженість.

АННОТАЦИЯ

Стариков М. А. Обоснование метода оценки остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин. - Рукопись. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05 - подъемно-транспортные машины. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2011.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи оценки остаточного ресурса грузоподъемных машин.

Системный подход к исследованию закономерностей изменения некоторых физических свойств крановой стали позволил обосновать применение параметров коэрцитивной силы и коэффициента вариации твердости для оценки текущей степени накопленных усталостных повреждений элементов металлоконструкции и на этой базе разработать метод по оценке остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин.

Обоснована необходимость учета уровня амплитуд напряжений, действующих в диагностируемых элементах, при определении их степени усталостного повреждения. Впервые на основании экспериментальных исследований крановой стали (на примере низколегированной стали 09Г2С) установлены эмпирические закономерности влияния коэрцитивной силы (твердости, коэффициента вариации твердости) и амплитуды переменных напряжений на накопленные в металле усталостные повреждения. Установленные закономерности положены в основу созданного метода оценки остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин. Выявлено, что параметр твердости невозможно использовать при проведении диагностирования кранов в силу неоднозначной зависимости степени накопленной усталостной поврежденности от твердости.

Разработан способ, позволяющий применять эмпирические зависимости, полученные для лабораторных образцов, к исследованиям, проводимым на реальных кранах. Предлагаемый метод оценки остаточного ресурса грузоподъемных машин состоит из следующих основных пунктов: сбор и изучение информации о кране; поиск наиболее опасных элементов металлоконструкции с помощью коэрциметрии либо расчетным методом; определение напряжений, действующих в наиболее опасных элементах (расчетом и проверкой с помощью натурного эксперимента); предварительное определение степени усталостной поврежденности металла, основываясь на параметре коэрцитивной силы; проведение работ по уточнению состояния металла в выявленных опасных узлах; прогнозирование остаточного ресурса крановой металлоконструкции на основе данных пользователя о характерном цикле работы перегрузочной машины.

Для проведения натурного эксперимента был выбран козловой кран КК-32-25-8,5-5, предназначенный для работы с крупнотоннажными контейнерами. Для предлагаемого крана был определен остаточный ресурс его металлоконструкции по предлагаемому методу, утвержденному Госгорпромнадзором методу и по расчету, учитывающему количество перегруженного груза с момента начала эксплуатации крана. По сравнению с действующей на сегодняшний день методикой предлагаемый метод дает на 13,5% более точные результаты.

Основные результаты работы внедрены при проведении работ по экспертному обследованию в Дорожно-экспертно-техническом центре "Южная железная дорога" и СОП и ТО ЗАО "Ильичевсквнештранс", что способствовало повышению безопасности диагностируемых кранов.

Ключевые слова: остаточный ресурс, грузоподъемные машины, тензометрия, метод конечных элементов, коэрцитивная сила, коэффициент вариации твердости, усталостная поврежденность.

ANNOTATION

Starykov M. A. Justification of the method of estimation the residual life of lifting equipment. - Manuscript. - The dissertation seeking the scientific degree of Candidate of Technical Sciences in the speciality 05.05.05 - handling and transport machines. - Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2011.

A method for assessing the current fatigue injure the most dangerous elements of hardware equipment. The regularities in the change of fatigue in the damage depends on the value of coercive force (coefficient of variation of hardness) and the stresses acting in a metal that is studied.

A method that allows to assess the degree of fatigue damage of metal structures of cranes based on the law of accumulation of damages received for laboratory samples. There is a need to stress spectrum, acting in the most intense site, in the study of the damage depends on the coefficient of variation of hardness. Established norms of defecation crane metal structures operating in the area multicyclic fatigue, which are based on the parameters of coercive force and the coefficient of variation of hardness, low marks on the steel.

Key words: Residual resource, lifting machines, strain-gauge testing, finite element method, coercive force, hardness variation coefficient, fatigue damage.

Размещено на Allbest.ru

...