Определение концетрации напряжений при питтинге крановых металлоконструкций

УДК 621.81:539.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПИТТИНГЕ КРАНОВЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Г.В. Селиверстов

Рассмотрено влияние глубины питтинговой коррозии и питтингоподобных дефектов на напряженно-деформированное состояние металлоконструкций грузоподъемных машин.

Ключевые слова: грузоподъемный кран, питтинг, дефект, металлоконструкция, усталостное повреждение, коррозия, трещина.

Диагностирование металлоконструкций грузоподъемных кранов, как правило, проводится раздельно для оценки усталостных и коррозионных повреждений. Однако, современная теория коррозионно-усталостных процессов, указывает на необходимость комплексного рассмотрения этого воздействия при оценке состояния объекта. Как показывает практика, коррозионные процессы не только уменьшают сечение элемента, но и изменяют ряд механических характеристик материала. А в случае наличия пит-тингов, которые выступают в качестве локальных концентраторов напряженй, необходимо учитывать и изменение напряженно-деформированного состояния локальных зон элементов металлоконструкций. Моделирование таких дефектов проще всего проводить с помощью отверстий соответствующих диаметров. Для подтверждения данного предположения были проведены экспериментальные исследования. Цель экспериментальных исследований - смоделировать на образцах питтингопо-добные дефекты и выявить степень влияния их на накопление и развитие усталостной повреждаемости исследуемой металлоконструкции.

Металлоконструкции грузоподъемных кранов изготавливают из стальных листов, фасонного проката, труб, гнутых и штампованных профилей, при этом используют как профили универсального назначения, так и специально выпускаемые для отрасли подъемно - транспортного машиностроения.

Для современных сварных конструкций обычно применяют низколегированную сталь 09Г2С.

Для испытаний на усталость были изготовлены образцы типа III по ГОСТ 25.502-79.

В качестве материала образцов был выбран, как наиболее часто применяемый, прокат листовой стальной марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89.

Испытания проводились в условиях циклического растяжения с асимметрией цикла Я = 0,3, что соответствует работе нижнего пояса мостового крана с учётом динамики его нагружения при выполнении рабочего цикла [1].

Поверхность испытываемых образцов в районе концентратора напряжений полировалась до шероховатости Ra = 0,04 мкм.

Испытания проводились на разрывной машине Р-20 при частоте работы пульсатора 750 мин-1.

Форма питтингоподобных дефектов до нагружения имеет правильную круглую форму. После циклирования наблюдается пластическое деформирование в зоне обеих питтингов и появление полос Чернова-Людерса по поверхности образца, при сохранении его геометрических размеров, что говорит о протекании упругопластического деформирования. В дальнейшем наблюдалось интенсивное пластическое течение материала. Возникновение трещины произошло при выработке 0,75 относительного ресурса. Развитие трещины происходило от питтингоподобного дефекта в сторону края образца. Анализируя процесс накопления повреж-дённости с полученными данными по изменению коэрцитивной силы можно отметить, что момент зарождения трещины также хорошо отслеживается выходом её значения на максимальный уровень.

Поля напряжений и деформаций для сквозных отверстий достаточно хорошо изучены и описаны. В зависимости от отношения размеров диаметра отверстия и ширины элемента теоретический коэффициент концентрации напряжений варьируется от 2 до 3.

Однако встречающееся описание приводится для сквозных отверстий, в то время, как питтинги чаще всего бывают глухими. Данный фактор потребовал проведения дополнительных исследований по оценке возникающей концентрации напряжений.

Наиболее простым методом оценки концентрации является метод конечно-элементного моделирования [2]. Современные пакеты САПР позволяют проводить такие исследования. С помощью программы Solid Works были построены конечно-элементные модели питтингов с шагом в 10 % от толщины сечения материала (рис. 1 - 3). Анализ полученных данных показал, что с ростом глубины дефекта растет и величина коэффициента концентрации напряжений.

Полученные результаты были обработаны методом регрессионного анализа в среде MSExel. В качестве аппроксимирующей зависимости была выбрана экспонента y = 0,4719ln(x) + 2,7868. Графически это представлено на рис. 4. На вертикальной оси показана величина теоретического коэффициента концентрации напряжений (y), создаваемой питтингом, а на горизонтальной - отношение глубины дефекта к толщине материала (х).

Таким образом, полученное соотношение позволяет оценить изменение наряжено-деформированного состояния локальной области элемента металлоконструкции в зависимости от глубины питтинга. Используя известные методики, была проведена проверка данной модели с помощью критерия Фишера. Проверка данной модели подтвердила ее адекватность.

Рис. 1. Питтинг глубиной 0,1 толщины материала

Рис. 2. Питтинг глубиной 0,5 толщины материала

Рис. 3. Сквозной питтинг

0,1 0,2

Рис. 4. Зависимости коэффициента концентрации напряжений от отношения глубины дефекта к толщине материала:

—О— результаты конечно-элементного моделирования; ---- аппроксимирующая зависимость у = 0,47191п(х) + 2,7868

Оценка напряженного состояния позволяет объективно рассчитать ресурс данного элемента до возникновения усталостных трещин, что в свою очередь повышает безопасность эксплуатации грузоподъемных машин.

Список литературы

1. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Калабин П.Ю. Оптимизация металлических конструкций грузоподъемных машин мостового типа // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. С. 18-22.

2. Селиверстов Г.В., Бутырский С.Н., Вобликова Ю.О. Анализ напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций грузоподъемных машин // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. С. 123-126.

Селиверстов Григорий Вячеславович, кандидат технических наук, доцент, доцент, Россия, Тула, Тульский Государственный университет

KONTSETRATION'S DEFINITION OF TENSION WHEN PITTING THE CRANE METALWORK

G.V. Seliverstov

Influence of depth ofpittingovy corrosion and pittingopodobny defects on intense the deformed condition of a metalwork of load-lifting cars is considered

Key words: load-lifting crane, pitting, defect, metal construction, fatigue damage, corrosion, crack.

Seliverstov Grigory Vyacheslavovich, candidate of technical science, docent, docent, Russia, Tula, Tula State University

Получено 28.06.2013 г.