Анализ способов контроля трещинообразования в металлоконструкциях

УДК 621.86

АНАЛИЗ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ

В.И. Сероштан, А. А. Шубин, В. А. Ермоленко, Т.В. Гаах

Приведен анализ способов обнаружения и контроля мест разрушения металлоконструкций подъемно-транспортных машин. Рекомендован способ диагностирования трещинообразования в элементах металлоконструкций, обеспечивающий высокую разрешающую способность и надежность обнаружения усталостных макротрещин, что позволяет прогнозировать остаточный ресурс металлоконструкций подъемно-транспортных машин, в том числе отработавших нормативный срок.

Ключевые слова: контроль, трещины, диагностирование, металлоконструкция, трещинообразование, подъемно-транспортные машины.

Контроль трещинообразования в металлоконструкциях подъемно-транспортных машин (ПТМ) проводят с целью повышения достоверности и разрешающей способности диагностирования и прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкции до образования макротрещины в зонах концентрации напряжений, нагружение которых проходит в условиях циклического упругопластического деформирования. Способы контроля трещинообразования должны обеспечивать обнаружение наиболее вероятных мест разрушения металлоконструкции.

Существует способ изучения кинетики развития усталостных трещин с помощью датчика из электропроводящей бумаги после ее наклеивания на исследуемый объект и сушки. Электросопротивление бумаги составляет 220...300 Ом/м. Сущность способа состоит в том, что с появлением трещины и по мере ее развития вплоть до разрыва регистрируется увеличивающееся электросопротивление по мере продвижения трещины. Этот способ отличается низкой достоверностью.

Известен способ регистрации появления и наличия трещины на металлоконструкции с помощью гребенчатого тензодатчика, нити которого располагают перпендикулярно предполагаемому направлению распространения трещин [1]. Тензонити, с одной стороны, объединяют и на общий вывод подают заданное напряжение. С другой стороны, на каждой из тензонитей контролируют напряжение посредством соответствующего согласующего усилителя и многоканального регистратора. По пропаданию напряжения на каком-то из каналов фиксируют обрыв тензонити и отмечают наработанное количество циклов нагружения. Недостатками этого способа является сложность конструктивного исполнения и то, что этот способ регистрации позволяет определять место появления трещин только по одной координате.

Для повышения точности определения места появления трещин необходимо введение дополнительной координаты измерения. Решение этой задачи возможно достичь способом контроля трещинообразования, заключающегося в том, что на объект наклеивают чувствительный элемент, выполненный в виде серии проводников, образующих незамкнутые концентрические окружности, соединенные радиальными перемычками. О моменте образования трещин на поверхности объекта судят по разрыву проводников. При этом требуется наклейка большого числа чувствительных элементов с большим числом электрических соединений, что не обеспечивает требуемой надежности системы защиты от неизбежных ее отказов, особенно на длительно работающих промышленных объектах с переменным нагружением.

Для повышения достоверности контроля трещинообразования предложен способ [2], заключающийся в том, что на объект контроля в зоне возможного возникновения трещин изолированно наклеивают проводник, концы которого подключают к индикатору его целостности, и по изменениям показания индикатора определяют момент возникновения трещины в объекте. Проводник наклеивают зигзагообразными петлями с параллельными участками, расстояния между которыми не превышают допустимую длину трещины (рисунок).

\ Г\ / /

Схема установки датчика целостности: 1 - диагностируемая поверхность; 2 - датчик целостности;

3 - индикатор

Параллельные участки должны быть ориентированными перпендикулярно к направлению развития трещины. При наличии трещины под проводником происходит его разрыв, что влияет на показания индикатора и является сигналом аварийного состояния объекта, т.е. наличия трещины.

18

Исследуя таким образом различные зоны контролируемого объекта, можно обеспечить сплошной контроль предполагаемых мест возникновения трещины. Недостатками этого способа являются сложность конструктивной реализации, низкая разрешающая способность и невозможность эффективного мониторинга динамики процесса накопления усталостного износа элементов металлоконструкции ПТМ.

Реализация повышения точности определения времени и места появления трещины возможна путем пропускания электрических токов через лепестки электропроводящей фольги, протяженные ветви которых предварительно укрепляют через изоляционную прокладку токопроводящей фольги и объединяют их в суммарные ветви ступенями [1]. Объединяющий элемент ветвей образует старшую ступень разветвления, а объединяемые им элементы образуют следующую степень разветвления и так до окончания ветви. На элементы младшей ступени ветви подают токи, сформированные со значениями, отличными для каждого элемента. На объединяющем элементе ветви измеряют суммарный ток и сравнивают его с известным значением целой ветви. Разницу этих токов сравнивают с величинами токов, протекающих через элементы всех ступеней ветви, и по результатам сравнения устанавливают обесточенные места по причине появления в них трещин. Наличие тока свидетельствует об отсутствии трещин.

Для повышения точности определения координат места появления трещин в случаях, когда происходит пропадание тока на нескольких лепестках, объединённых в участок с несколькими ступенями разветвления, проводят дополнительные измерения. В этом случае на лепестке младшей ступени с наименьшим током отключают входной ток. На этом же лепестке измеряют ток, полученный в результате суммирования оставшихся токов. Значение суммарного тока сравнивают с известным значением тока, соответствующим целой ветви. По разнице токов определяют целые лепестки. Вновь выявленные целые лепестки суммируют с раннее определенными. Оставшаяся часть ветви датчика характеризует место появления трещин. В случае, когда в этой части остались ступени ветвления, отключают входной ток следующего по значению тока лепестка, измеряют на нем суммарный ток и так далее, пока в этом участке не останется ступеней разветвления или не определят суммарный ток на всех лепестках младшей ступени данного участка ветви датчика. Координаты оставшихся лепестков характеризуют место появления трещин.

Этот способ обладает метрикой на плоскости и позволяет автоматизировать процесс регистрации появления трещин в многоканальных системах с большим количеством датчиков. При этом этот метод обеспечивает более высокую точность и достоверность определения места и размеров трещин. Недостатками способа являются низкая разрешающая способность и сложность конструктивной реализации. Кроме того, способ не

компенсирует влияние на достоверность обнаружения дефектов посторонних включений в структуре материала, цветности, микро- и макрогеометрии контрольной поверхности.

Такую компенсацию можно осуществить путем использования светового потока, направленного на поверхность контролируемой детали [3]. Отраженные от контрольной поверхности зеркальный и диффузный световые потоки регистрируют и преобразуют в электрические сигналы. Оба канала отраженных потоков усиливают, затем суммируют и по наличию электрического импульса судят о дефектности контролируемой поверхности. Недостатком способа является низкая надежность обнаружения дефектов при высоком уровне шумов.

Устройство способа обнаружения дефектов с использованием светового потока поверхности [4] включает излучатель; два фотоприемника, расположенные по ходу зеркально и диффузно отраженных лучей светового потока; два усилителя, подключенных к выходам соответствующих фотоприемников; сумматор, подключенный к выходам усилителей; формирователь импульсов, подключенный к выходу сумматора.

Из сигнала с выхода сумматора выделяют переменную составляющую и формируют электрический импульс формирователем импульсов, по отсутствию или наличию которого судят о наличии или отсутствии дефектов. Данный способ компенсирует влияние на надежность обнаружения дефектов цветности и посторонних включений в структуру материала, а также влияние микро- и макрогеометрии поверхности. Однако одновременно при этом снижается надежность обнаружения механических дефектов поверхности (царапин, трещин и т. д.).

Повышение точности обнаружения механических дефектов поверхности деталей возможно с применением параметра, характеризующего дефектность поверхности, равного произведению оценок дисперсий зеркальной и диффузной составляющих [5]. Для обнаружения дефекта поверхности световой поток направляют на поверхность контролируемой детали, дискретно регулируют и преобразовывают в электрические сигналы зеркально и диффузно отраженные световые потоки. В точках поверхности, интервал между которыми не превышает среднего расстояния между гребешками микронеровностей, производят выборки регистрируемых световых потоков. Для каждой выборки определяют дисперсии зеркальной и диффузной составляющих и по их произведению судят о наличии или отсутствии дефектов на поверхности контролируемой детали.

Исследование поверхности контрольных площадок осуществляют с помощью оптических датчиков. При отсутствии дефектов величина оценок дисперсий и определяется только микрогеометрией поверхности со случайным, нерегулярным профилем микронеровностей. В этом случае значения оценок дисперсий относительно невелики. При наличии на по-

20

верхности дефектов различного происхождения (механические и дефекты цветности) значения оценок дисперсий или одной из них изменяется на порядок. Применение параметра, характеризующего дефектность контролируемого объекта и равного произведению оценок дисперсий зеркальной и диффузной составляющих, обеспечивает повышение надежности обнаружения дефектов.

Известен способ [6] проявления дефектов, трещин или загрязнений для измерения шероховатости или неровностей поверхностей, который может быть использован для диагностирования усталостного износа металлоконструкций подъемно-транспортных машин. Необходимым условием применения этого способа является известность о местах возникновения разрушений. В этих местах подготавливаются контрольные площадки с зачисткой их поверхности до шероховатости в пределах Яа=0,16...0,032 мкм. На контрольных площадках устанавливают датчики для исследования оптических свойств поверхности [7]. В качестве датчиков используют известные оптоэлектронные преобразователи, обеспечивающие высокую надежность выявления изменений оптических свойств контрольной поверхности.

Линейные размеры площадок должны быть больше размеров световой марки оптической части оптоэлектронного преобразователя, изменение сигналов которых характеризует изменение оптических свойств поверхности контрольных площадок под действием их нагружения в процессе эксплуатации. Обнаружение и их количественная оценка изменения оптических свойств поверхности контрольных площадок служат мерой степени усталостного износа исследуемой металлоконструкции и степенью ее работоспособности. Отличительными особенностями способа [6] являются применение в качестве датчиков оптоэлектронных преобразователей, зачистка поверхности контрольных площадок до шероховатости Яа=0,16...0,032 мкм, превышение линейных размеров каждой из контрольных площадок линейки размеров световой марки оптической части оптоэлектронных преобразователей. Недостатками способов [5] и [6] являются сложность технических средств и алгоритмов обработки сигналов для оценки изменений оптических свойств и влияние на достоверность контроля внесенных заявок.

Способ контроля трещинообразования [8] также включает установление наиболее вероятных мест разрушения металлоконструкций и подготовку зачищенных до шероховатости 0,16 мкм в них контрольных площадок. С помощью оптических датчиков измеряют зоны упругопластиче-ского деформирования. Регистрация и количественная оценка изменения линейных размеров этих зон служат мерой степени усталостного повреждения конкретного места диагностируемой металлоконструкции. Отличительные особенности способа [8]:

- учет предполагаемых максимальных линейных размеров зоны уп-ругопластического деформирования;

- линейные размеры каждой из зачищенных до шероховатости 0,16 мкм контрольных площадок должны быть не менее максимальных линейных размеров зоны упругопластического деформирования;

- поверхность испытываемых образцов зачищают в районе концентрации напряжений;

- измерения проводят в плоскости действия растягивающей силы;

- регистрацию и количественную оценку измерений линейных размеров зоны упругопластического деформирования осуществляют с помощью оптоэлектронных преобразователей;

- изменение размеров зоны упругопластического деформирования под действием нагрузки металлоконструкции в процессе эксплуатации служит мерой степени усталостного повреждения узла исследуемой металлоконструкции;

- достижение зоной своих максимальных размеров сигнализирует о неизбежности возникновения макротрещины.

Недостатком этого способа является недостаточная достоверность контроля, так как большая площадь и слабая ее защищенность от световых засветок влияют на результат диагностирования. Повышение достоверности и надежности контроля достигается проведением дополнительных исследований профиля поверхности контрольных площадок вблизи концентраторов напряжений перпендикулярно предположенному направлению развития трещины. Получая дополнительные значения среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметров шероховатости на выбранной базовой длине, устанавливают объективную степень поврежденности узла диагностируемой металлоконструкции.

На основе проведенного анализа способов контроля усталостных повреждений металлоконструкций с использованием оптических датчиков [4 - 8] целесообразно применение способа диагностирования трещинооб-разования [9], позволяющий определять момент образования макротрещины. Он может применятся для автоматизированной диагностики трещино-образования и деформации элементов металлоконструкций, работающих в условиях циклического нагружения и имеющих концентраторы напряжений (сварные швы, подрезы, отверстия, заклепки и т. п.).

Этот способ включает определение наиболее вероятных мест разрушения металлоконструкций, подготовку и исследование поверхности соответствующих контрольных площадок, по результатам которых судят об образовании макротрещины и о достижении ими максимального значения. Отличительными особенностями способа [9] являются:

- дополнительные исследования профиля поверхности контрольных площадок вблизи концентратора напряжений перпендикулярно предполагаемому направлению развитию трещины;

- дополнительное определение среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости на выбранной базовой длине.

Изменение среднего арифметического значения отклонений профиля параметра шероховатости на выбранной длине служит мерой степени поврежденности контролируемого узла металлоконструкции, что повышает надежность контроля.

В результате структурного анализа существующих способов процессов трещинообразования в металлоконструкциях можно сделать вывод, что для диагностирования металлоконструкций ПТМ предпочтительнее использование способа [9] диагностики трещинообразования, обеспечивающего наиболее высокую разрешающую способность и надежность обнаружения макротрещины, что позволяет наблюдать кинетику процесса накопления усталостного повреждения металлоконструкции во времени. Результаты диагностирования металлоконструкций ПТМ с использованием этого способа дают возможность прогнозировать их остаточный ресурс до образования макротрещины в зонах концентрации напряжений, нагру-жение которых проходит в условиях циклического упругопластического деформирования.

При этом наиболее вероятные места разрушения металлоконструкций ПТМ достаточно широко известны из опыта их эксплуатации, например, в источниках [10 - 12]. При необходимости уточнения так называемых «горячих точек» можно их определить исследованием конечно-элементной модели [13] или экспериментально, используя экспресс-метод магнитной памяти металлов [14].

Список литературы

1. Способ определения места появления трещин: пат. 2006846 РФ. Опубл. 30.01.1994. Бюл. № 3.

2. А.с. 1750342 СССР. Способ контроля трещинообразования / Г.Е. Дятченко, Л.М. Певзнер, А.М. Екименко. Опубл. 1994. Бюл. № 2.

3. Заявка Великобритании 1350189. Кл. 01Л. 1974.

4. А.с. 1495693 СССР. Способ обнаружения дефектов поверхности / П.А. Сорокин, М.М. Бабин, И.А. Клусов. Опубл. 23.07.1989. Бюл. № 27.

5. Способ обнаружения дефектов поверхности: пат. 2142622 РФ. Опубл. 10.12.1999. Бюл. № 34.

6. Способ диагностики работоспособности металлоконструкций: пат. 2170923 РФ. Опубл. 20.07.2001. Бюл. № 20.

7. А.с. 835209 СССР. Фотоэлектронное устройство обнаружение дефектов поверхности / П.А. Сорокин, В.С. Котляров. Опубл. 27.02.1996. Бюл. № 6.

8. Способ контроля трещинообразования в металлоконструкциях: пат. 2255327 РФ. Опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18.

9. Способ диагностики трещинообразования в металлоконструкциях: пат. 2384813. Опубл. 20.03.2010. Бюл. № 8.

10. Справочное пособие по ремонту металлоконструкций грузоподъемных кранов / А.А. Короткий, М.Н. Хальфин, Б.Ф. Иванов, А.С. Логинов. Новочеркасск: НГТУ, 1994. 180 с.

11. Анцев В.Ю., Витчук П.В., Крылов К.Ю. Классификация дефектов и отказов грузоподъемных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 10. С. 121128.

12. Витчук П.В., Шубин А.А., Крылов К.Ю. Классификация дефектов и отказов башенных и автомобильных кранов // Подъемно-транспортное дело. 2015. № 4-5. С. 38-40.

13. Расчет машиностроительных конструкций методом конечных элементов: справочник / В.И. Мяченков [и др.] / под ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520 с.

14. Дубов А.А., Дубов Ал. А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учеб. пособие. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 395 с.

15. Романов Д.А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Разработка методики диагностики и расчета остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин методом магнитной памяти металла // Материалы Международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2014». 2014. С. 246-249.

Сероштан Владимир Иванович, канд. техн. наук, доц., swi77@yandex.т, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

Шубин Александр Анатольевич, канд. техн. наук, зав. кафедрой, shubin55@,mail. т, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (Национальный исследовательский университет),

Ермоленко Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, доц., tvermolenko@,rambler. т, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (Национальный исследовательский университет),

Гаах Татьяна Владимировна, магистр, tatusha_g@mail.т, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

24

ANALYSIS OF CONTROL METHODS CRACKING IN METAL CONSTRUCTIONS

V.I. Seroshtan, A.A. Shubin, V.A. Ermolenko, T. V. Gaakh

The analysis of methods of detection and control of the most probable places of destruction of metal structures of hoisting-and-transport machines is correct. A method for diagnosing cracking in metal-structural elements is recommended, which provides high resolution and reliability of the detection of fatigue macro-cracks, which allows to predict the residual life of metal structures of hoisting-and-transport machines that have worked out the normative period.

Key words: control, cracks, diagnosing, metalwork, cracking, hoisting and transport machines.

Seroshtan Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, swi7 7@yandex. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch),

Shubin Alexander Anatolyevich, candidate of technical sciences, head of chair, shubin55@,mail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch),

Ermolenko Vladimir Alexeyvich, candidate of technical sciences, docent, tvermolen-ko@rambler.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch),

Gaakh Tatiana Vladimirovna, master, tatusha_g@,mail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University