УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В СТАЛЬНЫХ ТРУБАХ СТРЕЛЫ ЭКСКАВАТОРА

Полезная модель относится к устройствам для диагностики усталостных трещин, возникающих в стальных трубах стрелы экскаваторов драглайнов, и предназначено для подачи сигнала о возникновении усталостных трещин в стальных трубах стрел экскаваторов драглайнов.
Заявляемая полезная модель относится к приоритетным направлениям развития науки и технологий «Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф» и «Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - С. 65, с. 110].
Появление усталостных трещин в стрелах крупных экскаваторов драглайнов (ЭШ-20-90, ЭШ-40-85, ЭШ-65-100, ЭШ-100-100 и др.) приводит к разрушению и падению стрелы, что является тяжелейшей аварией.
Трудность диагностики усталостных трещин связана с тем, что длина стрелы экскаватора драглайна достигает 100 метров, стрела располагается в рабочем положении на высоте более 50 метров над поверхностью земли.
Известно устройство для обнаружения трещин в ферромагнитных изделиях содержащее корпус, измерительный блок, блок обработки, блок электропитания и блок индикации (RU 2350942 C1, G01N 27/83, 27.03.09, Бюл. №9). Измерительный блок содержит постоянный магнит в виде осесимметричного тела с Ш-образным продольным сечением. Между полюсами магнита размещен один или несколько датчиков магнитного поля, соединенных с блоком обработки.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются блок обработки (логический блок) и блок индикации (сигнализирующее устройство).
Недостатком данного устройства является возможность контроля наличия трещин только на ограниченном участке. Кроме того, данное устройство не предназначено для работы в тяжелых эксплуатационных (значительная вибрация) и климатических условиях (пыль, влага, резкие перепады температуры).
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются датчики давления и измерительный блок (логический блок).
Недостатком данного устройства является невозможность использование датчиков трещин в тяжелых эксплуатационных (значительная вибрация) и климатических условиях (пыль, влага, резкие перепады температуры) работы экскаваторов драглайнов. Кроме того, из-за того, что длина стрелы экскаватора достигает 100 метров и на высоте 50 м от земли использование данных датчиков будет дорогостоящим и представлять технические трудности их эксплуатации.
Известно устройство контроля появления трещин в стальных трубах стрел экскаваторов драглайнов по падению давления (Квагинидзе В.С, Козовой Г.И. и др. Экскаваторы на карьерах. Конструкция, эксплуатация и ремонт. М.: Горная книга, 2011, страница 41). В данном устройстве, специальные датчики, устанавливаемые на стреле, позволяют машинисту по падению давления (по утечке газа) внутри стальной трубы стрелы экскаватора определять наличие в ней трещины и предупреждать поломку стрелы.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются датчик контроля давления газа и сигнализирующее устройство.
Недостаток данного устройства состоит в том, что при понижении в зимний период температуры наружного воздуха - давление внутри трубы стрелы будет понижаться, что будет приводить к ложному сигналу о появлении трещины в трубе стрелы экскаватора.
Заявляемая полезная модель направлена на создание такого устройства для диагностики усталостных трещин в стальных трубах стрелы экскаватора, которое было бы способно в тяжелых эксплуатационных (значительная вибрация) и климатических условиях (пыль, влага, резкие перепады температуры) надежно и достоверно контролировать появление усталостных трещин в стальных трубах стрелы экскаватора.
Технический результат заключается в повышении надежности и достоверности контроля появления усталостных трещин в стальных трубах стрелы экскаватора независимо от изменения температуры наружного воздуха.
t
t
ф
Технический результат достигается тем, что устройство для диагностики усталостных трещин в стальных трубах стрелы экскаватора, включающем датчик давления и сигнализирующее устройство, согласно полезной модели, дополнительно снабжено датчиком температуры, микроконтроллером, логическим блоком и блоком сравнения давления. При этом датчик температуры соединен со входом микроконтроллера, вычисляющего P - давление воздуха в стальной трубе стрелы экскаватора при температуре наружного воздуха t°. Выход микроконтролера соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика давления. Причем выход блока сравнения соединен со входом логического блока, выход которого соединен с сигнализирующим устройством. В блоке сравнения сравнивается вычисленное микроконтроллером значение P в зависимости от температуры наружного воздуха и фактическое давление в стальной трубе стрелы экскаватора P.
Введение в устройство датчика температуры, микроконтроллера, блока сравнения и логического блока позволяет надежно идентифицировать появление усталостных трещин в стальной трубе стрелы экскаватора независимо от изменения температуры наружного воздуха.
Отличия от прототипа доказывают новизну заявляемой полезной модели.
Согласно закону Шарля зависимость между температурой наружного воздуха и давлением воздуха внутри стальной трубы стрелы экскаватора выражается зависимостью:
t
где: P - давление воздуха в стальной трубе стрелы экскаватора при температуре наружного воздуха t°, Па
0
P - исходное давление в стреле при температуре t=0, Па
γ - термический коэффициент давления, равный 1/273;
t° - температура наружного воздуха, °C;
0
0
2
Результаты расчета давления в стреле при температуре от 0 до -50°C при P=2 кгс/см, t=0°C по уравнению (1) представлены в таблице.
Таблица.
Зависимость давления в трубе стрелы экскаватора в зависимости от температуры наружного воздуха
Температура наружного воздуха, °C
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
Показание манометра, кгс/см<sup>2</sup>
2,0
1,96
1,92
1,89
1,85
1,81
1,78
1,74
1,7
1,67
1,63
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для диагностики усталостных трещин в стальных трубах стрелы экскаватора.
Элементам устройства присвоены следующие цифровые позиции:
1 - датчик температуры;
2 - микроконтроллер;
3 - блок сравнения давления;
4 - датчик давления;
5 - логический блок;
6 - сигнализирующее устройство.
Устройство для диагностики усталостных трещин в стальных трубах стрелы экскаватора (фиг.) содержит датчик температуры 1, микроконтроллер 2, блок сравнения давления 3, датчик давления 4, логический блок 5, сигнализирующее устройство 6. Датчик температуры 1 соединен со входом микроконтроллера 2, выход которого соединен с первым входом блока сравнения 3. Выход датчика давления 4 соединен со вторым входом блока сравнения 3, а его выход соединен с логическим блоком 5, выход которого соединен с сигнализирующим устройством 6.
Для контроля температуры воздуха могут быть использованы, например, термометры сопротивления LTS производства KOBOLD) (использующие принцип изменения сопротивления платины относительно измеряемой температуры), датчики температуры типа MBT 3260 (используют стандартизованный термометр сопротивления Pt100 или Pt1000, обеспечивающий надежное и точное измерение), резистивные термометры TNK-R (разработаны для применения в машиностроении и обладают высокой износостойкостью, надежностью, ударопрочностью, устойчивостью к механическому воздействию и вибрации) и др.
Для контроля давления, например, могут быть использованы датчики давления типа БД ПД-Р, РД-М, SDF и др.
Для выполнения функций блока сравнения, микроконтроллера, логического блока и сигнализирующего устройства могут быть использованы программно-аппаратные средства компании ДЕКОНТ, хорошо зарекомендовавшие себя для работы на горных предприятиях.
t
ф
t
ф
t
ф
Устройство работает следующим образом. Датчик температуры 1 измеряет температуру наружного воздуха t°, а микроконтроллер 2 вычисляет по уравнению (1) давление P воздуха в стальной трубе стрелы экскаватора при температуре наружного воздуха t°. Датчик давления 4 измеряет фактическое давление в стальной трубе стрелы экскаватора P, в блоке сравнения давления 3 сравнивается вычисленное значение P и фактическое P. В логическом блоке 5 в случае положительной разницы давлений P и Pвыдается сигнал на сигнализирующее устройство.
Таким образом, повышается надежность идентифицирования появления усталостных трещин в стальной трубе стрелы экскаватора независимо от изменения температуры наружного воздуха.