Разработка методики теплового контроля и диагностики технического состояния металлоконструкций мостовых кранов

 

На правах рукописи

                                                              

 УДК 621.791.052.08

 

 

 

 

КОТЕЛЬНИКОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

 

 

 

 

РАЗРАБОТКА  МЕТОДИКИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ  ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ

 

 

 

 

Специальность -   05.02.11

Методы контроля и  диагностика в машиностроении

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

 

диссертация на соискание  ученой степени 

кандидата технических  наук

 

Научный руководитель -

д.т.н. Будадин О.Н.

 

 

 

Москва -  2009 г.

 

 

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана

 

Научный руководитель: д.т.н. Будадин Олег Николаевич

Официальные оппоненты:

     - д.т.н., проф. Качанов Владимир Климентьевич; 

     - к.т.н. Сергеев Сергей Сергеевич.

Ведущее предприятие:  ОАО НПО «ВНИИПТМАШ».

Защита состоится  «14» мая 2009 года на заседании диссертационного совета Д212.141.01 при МГТУ им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

 

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.

Н.Э. Баумана

Телефон для справок: (499) 267-09-63

Автореферат разослан «13» апреля 2009 г.

    

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ 

ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА                             

Д.Т.Н., ДОЦЕНТ                                                                  Коновалов А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Актуальность темы. Проблема обеспечения безопасности производства на промышленных предприятиях всегда была и остается актуальной.

В последние годы вопрос обеспечения безопасности эксплуатации сварных конструкций резко обострился из-за сильной изношенности производственного оборудования и участившихся случаев технологических аварий и катастроф. В полной мере это относится и к грузоподъемным  машинам (кранам) разного назначения, в том числе и к сварным металлоконструкциям мостовых кранов, которые составляют более 38% всех грузоподъемных механизмов на территории Российской федерации.

Аварии или разрушения металлоконструкций, в т.ч. мостовых кранов, вызвано воздействием многих факторов, но всегда обусловлены образованием дефектов в элементах конструкции, о чем свидетельствуют статистические данные Федеральной службы экологического, технологического и атомного надзора России.

В соответствии с нормативной  документацией на подъемных сооружениях  при проведении периодического обследования необходимо использовать методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковой, рентгеновский, визуальный и измерительный, магнитный, капиллярный методы. Данные методы решают задачу по выявлению и определению характеристик дефектов, однако, как правило, требуют достаточно трудоемких работ и большого простоя кранов при проведении неразрушающего  контроля в соответствии с нормативной документацией.

Поэтому актуальна задача разработки и внедрения метода оперативного высокопроизводительного достоверного неразрушающего контроля, который значительно снизит объемы контроля и позволит оперативно определять техническое состояние пространственно сложных металлических конструкций.

Объектом исследования являются сложные металлоконструкции, подвергающиеся в процессе эксплуатации периодическому силовому воздействию, например, грузоподъемный кран мостового типа.

Предметом исследования диссертационной работы является применение теплового метода контроля качества металлоконструкций, позволяющего получить достоверную, научно-обоснованную и объективную картину расположения концентраторов напряжений в металлоконструкциях при реальной эксплуатации. 

Целью работы является разработка мер по обеспечению безопасности эксплуатации металлоконструкций за счет оперативного определения в них концентраторов напряжений в реальном времени их функционирования по анализу распределения динамических температурных полей на основе данных теплового контроля.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи:

1. Проанализировать современное  состояние методов и средств  диагностики технического состояния  металлоконструкций. Обосновать применение  теплового неразрушающего контроля.

2. Провести моделирование и теоретические исследования процесса теплового неразрушающего контроля концентраторов напряжений металлоконструкций  при циклическом силовом нагружении. 

3. Разработать методические  принципы теплового контроля  и диагностики технического состояния металлоконструкций мостовых кранов в реальных условиях эксплуатации.

4. Провести экспериментальные  исследования и внедрение методики теплового неразрушающего контроля и диагностики технического состояния металлоконструкций мостовых кранов.

Методы исследования:

Для решения поставленных в работе задач использовались:

- математические методы  моделирования тепловых процессов  при выделении энергии в местах концентраторов напряжений;

- методы статистических  исследований при обработке данных аварийности на мостовых кранах;

- методы фильтрации полезных сигналов на фоне помех и методы распознавания образов.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторных образцах и реальных конструкциях мостовых кранов с использованием  современной микропроцессорной техники теплового контроля. Результаты эксперимента обрабатывались на компьютере с помощью специализированного и стандартного программного обеспечения.  

Научная новизна: 

1. Определены зависимости температурных полей в области концентраторов напряжений на поверхности образца от расстояния до места выделения тепла (зона пластической деформации). Установлено, что при напряжениях в металлоконструкциях порядка 215 МПа в зонах пластической деформации вблизи концентраторов напряжений (в виде трещин) на поверхности металла толщиной 12 мм создается температурное поле. Температурное поле при нагружении с циклом в 1 сек. имеет эффективный радиус 8 мм и максимальный градиент температуры 1.2 ºС.   

2. Установлено, что наиболее достоверные данные теплового контроля  металлоконструкций мостового крана получаются при следующих параметрах аппаратуры: частота не менее 1 Гц; температурная разрешающая способность не менее 0,2 ºС; геометрическая разрешающая способность не менее 4 мм, и следующих значениях параметров окружающей среды: температура не более 10 ºС; скорость ветра не более 3 м/с.  

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны и реализованы в производстве  метод и программно –аппаратные средства, обеспечивающие  тепловой неразрушающий контроль и диагностику технического состояния металлоконструкций, включающие обнаружение концентраторов напряжений и оценку их характеристик в   реальных условиях эксплуатации при воздействии циклических механических нагрузок.

2. Разработан метод выбора оптимальных значений основных параметров аппаратуры для бесконтактной регистрации пространственного распределения тепловых полей из условий: достоверного обнаружения требуемых аномальных участков, требуемой достоверности контроля и наибольшей производительности и технической реализуемости. Показано, что разработанный метод контроля позволяет использовать серийную аппаратуру бесконтактной регистрации температурных полей.

3. Применение разработанной методики теплового неразрушающего контроля и технической диагностики металлоконструкций позволяет повысить оперативность и производительность контроля по сравнению с ранее применявшимися методиками в 2,5÷4 раза и повысить достоверность контроля, а также проводить оценку регламентных сроков эксплуатации мостовых кранов.

         4. Разработанные программно-аппаратные средства и методика теплового неразрушающего контроля и диагностики технического состояния металлоконструкций и их отдельные блоки нашли применение на трех предприятиях.

Апробация работы.

Работа прошла апробацию на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (г. Нижний Новгород 2008г.), на Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва 2008г.), на Международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (г. Ялта 2007 г.).

Публикации.

Содержание работы изложено в 5-и публикациях в т.ч. в 4-х работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и  списка литература (59 наименований). Выполнена на 112 машинописным листах, содержит 49 рисунков, 3 таблицы.

Содержание работы.

Во введении рассмотрено состояние вопроса, актуальность выбранной темы и необходимость использования теплового метода неразрушающего контроля.

Первая глава посвящена постановке задач исследования. В ней дано краткое описание объекта исследования, информация по авариям, проведен анализ дефектов, возникающих в грузоподъемных кранах. Проведен анализ используемых на мостовых кранах методов неразрушающего контроля и  существующих методов теплового контроля металлоконструкций.

Применение неразрушающего контроля в целях обеспечения эксплутационной безопасности оборудования, применяемого на опасных производственных объектах устанавливается постановлением правительства Российской Федерации от 28.03.01 №241 «О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации».

Объектом исследования данной работы являются мостовые краны. Исследования показали, что наибольшее количество разрушений металлоконструкций происходит на мостовых кранах, отработавших свой нормативный срок службы. Наиболее распространенными причинами аварий (отказов) металлоконструкций являются трещины в сварных швах, а также неудовлетворительное качество металла. Данный вид дефектов недопустим в металлоконструкциях мостовых кранов в соответствии с нормативной документацией, регламентирующей проведение неразрушающего контроля.

При изготовлении, монтаже, ремонте и технической диагностике подъемно-транспортных машин в настоящее время применяются следующие методы неразрушающего контроля: визуальный и измерительный, капиллярный, магнитный, радиационный, ультразвуковой. Все перечисленные методы решают задачу по выявлению и определению характеристик дефектов, однако они достаточно трудоемкие и не всегда оперативны в связи с большими объемами контроля. Так же, в связи с большой стоимостью регламентируемого контроля, на практике полноценный контроль во многих случаях не проводится или проводится не в полном объеме и некачественно, что приводит к разрушению металлоконструкций, о чем свидетельствуют статистические данные Ростехнадзора.

В связи с этим возникает  необходимость применения метода оперативного и производительного контроля для определения наиболее опасных мест в конструкции.

Такими методами могут  являться метод акустико-эмиссионого  контроля и метод теплового контроля. Применение метода акустико-эмиссионого контроля невозможно для контроля мостовых кранов, данный факт связан с тем, что при работе мостового крана появляется большое количество механических шумов.  В связи с этим в дальнейшей работе рассматривалось применение теплового метода контроля, основанного на том, что при нагружении металлоконструкций в местах концентрации напряжений происходит пластическая деформация, сопровождающаяся выделением теплоты.

  Большой вклад  в разработку и развитие теплового метода неразрушающего контроля внесли Рапопорт Д.А., Вавилов В.П., Бекешко Н.А., Потапов А.И., Пустовой В.Н. и др. Распространение теплоты в конструкции приводит к тому, что на ее поверхности возникает сложное распределение температурного поля. Формально, зафиксировав это распределение и решив обратную задачу нестационарной теплопроводности, можно восстановить распределение источников теплоты, а, следовательно, и определить положение и параметры теплового поля. Этот подход положен в основу данной работы, направленной на создание методики диагностики технического состояния металлических конструкций тепловым методом.

Во второй главе  рассмотрено теоретическое обоснование процесса теплового неразрушающего контроля и диагностики технического состояния металлических конструкций по анализу аномалий температурных полей в местах концентраторов напряжений при циклическом воздействии механических нагрузок.

В основе теплового метода контроля лежит предположение о том, что пластическая деформация, сопровождается выделением тепловой энергии, возникающим в тот момент, когда локальное значение механического напряжения достигает условного предела текучести .

Рассмотрим  полубесконечный слой металла (рис. 1), внутри которого имеется трещина (в виде разреза шириной d), который характеризуется коэффициентом концентрации напряжений , где - координата точки на поверхности фрагмента. Будем считать, что величина напряжения в бездефектной части фрагмента известна. 

Вблизи концентратора  напряжений величина механического  напряжения равна:

. (1)

При достижении величины напряжения в некоторой точке  вблизи концентратора напряжений значения , в ней начинается выделение теплоты. Установим начало координат в точке, в которой начинается выделение теплоты в момент . Распределение теплового поля вблизи данной точки нужно зафиксировать с помощью тепловизионной камеры. В дальнейшем определяем значение коэффициента концентрации напряжений из формулы (1):