автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Метод технической диагностики и профилактическое восстановление несущих металлических конструкций грузоподъемных машин

На правах рукописи

БУТЫРСКИЙ Сергей Николаевич

МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Специальность: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула-2014

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сорокин Павел Алексеевич

Официальные оппоненты: Кузьминов Александр Леонидович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», директор инженерно-технического института

Сероштан Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры детали машин и подъемно-транспортное оборудование Калужского филиала ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», г. Калуга.

Ведущая организация: ООО «Научно - производственное пред-

приятие «Подъемтранссервис», Московская область, Пушкинский район, п. Лесной, ул. Мичурина, д.9.

Защита состоится 18 февраля 2015 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.271.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, ауд. 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» и на сайте www.tsu.tula.ru.

Автореферат разослан « » декабря 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Крюков Владимир Алексеевич

РОССИЙСКАЯ I ГОСУДАРСТВЕННАЯ ! БИБЛИОТЕКА | 20 15___

ЭБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существует класс машин, при оценке технического состояния которых особое внимание уделяется технической диагностике металлической конструкции, которая в процессе эксплуатации воспринимает основные рабочие нагрузки и несет основные рабочие механизмы. К таким машинам относятся авиационная техника, грузоподъемные машины, дорожные и строительные машины, горные машины, водный транспорт и т. д. Потеря несущей способности металлическими конструкциями указанных машин приводит к травмированию людей, материальным затратам, а в ряде случаев носит катастрофический характер.

Основными средствами, направленными на повышение безопасности эксплуатации несущих металлических конструкций машин, являются их техническая диагностика с использованием методов и средств неразрушающего контроля, поддержание работоспособности эксплуатируемых грузоподъемных машин в межремонтные периоды путем технического обслуживания и восстановление значений показателей надежности до регламентированных значений во время ремонта. Современный уровень развития методов и средств неразрушающего контроля позволяет эффективно выявлять дефекты эксплуатируемых металлических конструкций. Однако эксплуатационные дефекты возникают и зарождаются на завершающей стадии «жизни» металла. Тогда как предваряющие эту стадию усталостные изменения развиваются и накапливаются медленно, долго и постепенно, причем в течение самого продуктивного этапа эксплуатации. Эти процессы идут с явным опережением в зонах концентрации напряжений. Для замедления процесса потери грузоподъемной машиной работоспособности применяют техническое обслуживание, включающее замену и пополнение смазочного материала, очистку и покраску металлической конструкции, регулирование механизмов, профилактические мероприятия. Выбор интервалов времени для восстановления работоспособности грузоподъемной машины и объем ремонтных работ диктуются принятой системой технического обслуживания и ремонта, организация которой была бы значительно облегчена, если бы моменты и место отказов грузоподъемной машины можно было точно предсказать.

В связи с этим актуальной задачей является обеспечение безопасности эксплуатации грузоподъемных машин на основе совершенствования методов диагностики и мониторинга и рациональной организации системы технического обслуживания и ремонта их несущих металлических конструкций.

Работа выполнена в соответствии с программой развития инновационно-

технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 219 (шифр программы 2010-219-001.073, договор № 13.G3 7.31.0023).

Цель работы заключается в научном обосновании метода технической диагностики и параметров режима профилактического восстановления несущих металлических конструкций грузоподъемных машин на основе оценки накопленных усталостных повреждений по размерам зоны пластической деформации в условиях циклического нагружения и профилактического восстановления.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Проведение анализа методов технического диагностирования и назначения параметров режима профилактического восстановления несущих металлических конструкций грузоподъемных машин.

2. Разработка метода технического диагностирования несущих металлических конструкций грузоподъемных машин по размерам зоны пластической деформации вблизи концентратора напряжения.

3. Разработка и оценка эффективности оптического рефлектометрическо-го способа измерения размеров зоны пластической деформации.

4. Разработка математической модели процесса технического диагностирования металлических конструкций грузоподъемных машин.

5. Разработка методики оптимизации режима технического диагностирования металлических конструкций в системе технического обслуживания и ремонта грузоподъемных машин по критерию удельных затрат времени на восстановление металлической конструкции на единицу её наработки.

Методы исследования. Теоретические положения работы основаны на элементах деформационной теории пластичности, метода конечных элементов, теории рассеяния волн на статистически неровной поверхности, методах теорий вероятностей и математической статистики и дисперсионного анализа. Для проведения расчетов использовалась САПР АРМ WinMachine, вычислительная среда Matead и среда программирования Delphi.

Объект исследования - металлические конструкции грузоподъемных

машин.

Предмет исследования - взаимосвязь ресурса, геометрических параметров зоны пластической деформации, условий циклического нагружения и параметров режима профилактического восстановления металлических конструкций грузоподъемных машин.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием фундаментальных теоретических поло-

жений, адекватностью разработанных математических моделей реальным процессам, подтверждением полученных теоретических результатов данными эксперимента.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод технического диагностирования несущих металлических конструкций грузоподъемных машин, основанный на анализе изменений под действием циклического нагружения линейных размеров между нанесенными заранее в зоне пластической деформации реперными метками.

2. Оптический рефлектометрический способ измерения размеров зоны пластической деформации методом дисперсионного анализа.

3. Математическая модель процесса технического диагностирования металлических конструкций грузоподъемных машин, позволяющая определять характеристики системы технического обслуживания и ремонта металлической конструкции, включая назначение периодичности контроля ее технического состояния и критического расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки, при превышении которых требуется профилактическое восстановление металлической конструкции.

4. Алгоритм и реализующее его математическое обеспечение для ЭВМ оптимизации режима технического диагностирования металлических конструкций грузоподъемных машин для трех возможных вариантов функции надежности металлической конструкции.

Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые установлена связь между выработанным ресурсом металлических конструкций, изменениями линейных размеров между нанесенными в зоне пластической деформации реперными метками и параметрами режима технического диагностирования.

Практическая ценность работы заключается в разработке средств мониторинга и оценки состояния металлических конструкций грузоподъемных машин и создании методики планирования системы технического обслуживания и ремонта металлической конструкции и расчета показателей ее технического диагностирования.

Реализация работы. Результаты, представленные в диссертационной работе, использованы в учебном процессе в курсе «Диагностика грузоподъемных машин» при подготовке студентов специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование» на кафедре «Подъемно-транспортные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Подъемно-транспортные маши-

ны и оборудование» ТулГУ; на III Всероссийской научно-технической конференции «Молодежные инновации» (г. Тула, 2009 г.); на Московском международном подъемно-транспортном форуме «Подъемно-транспортная техника и технологии» (г.Москва, 2008, 2009, 2010 г.г.); на конкурсе «Мир науки» (г. Тула, 2009 г.); на городском конкурсе профессионального мастерства «Тульские мастера» (г. Тула, 2009 г.); 14 Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, 2009 г.); на 13-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, 2009 г.); на 13-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (г. Москва, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, списка литературы, изложенных на 173 страницах, содержит 11 таблиц, 69 рисунков, списка литературы из 107 наименований и одного приложения на 3 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ факторов, обуславливающих потерю работоспособности грузоподъемными машинами. Подробно рассмотрены и проанализированы достоинства и недостатки существующих методов и средств неразрушающего контроля и мониторинга, методик оценки остаточного ресурса, моделей профилактического восстановления металлических конструкций грузоподъемных машин.

Анализ причин возникновения повреждений, методов и средств диагностирования усталостных повреждений и расчетных методик определения выработанного и остаточного ресурса металлических конструкций показал, что:

- появлению дефектов способствует ряд факторов: воздействие окружающей среды; металлургические дефекты; конструктивные ошибки при проектировании машины; технологические промахи при изготовлении; условия эксплуатации (изнашивание деталей механизмов в процессе эксплуатации); качество технического обслуживания; а также внутренние процессы, изменяющие физи-

ко-механические свойства материала конструкции: изнашивание, деформация, коррозия, старение, в результате чего происходит разупрочнение и утонение, снижаются твердость, износостойкость, появляются и растут усталостные трещины, происходит деградация структуры материала;

- основными дефектами, предшествующими разрушению оборудования грузоподъемных машин является износ их деталей в процессе эксплуатации, а разрушению металлических конструкций предшествует зарождение и развитие магистральных трещин;

- современные средства технического диагностирования оборудования грузоподъемных машин позволяют эффективно выявлять эксплуатационные дефекты, обеспечивая его надежную эксплуатацию, но не позволяют прогнозировать их появление;

- существующие методы и средства мониторинга металлических конструкций имеют ряд недостатков: слабая помехозащищенность, недостаточная информативность диагностических параметров, высокая стоимость оборудования, невысокая разрешающая способность при обнаружении накопленных усталостных повреждений;

- для замедления процесса потери грузоподъемной машиной работоспособности применяют техническое обслуживание и ремонт. Выбор интервалов времени для восстановления работоспособности грузоподъемной машины и объем ремонтных работ диктуются принятой системой технического обслуживания и ремонта;

- организация планового технического обслуживания и ремонта была бы значительно облегчена, если бы моменты и место отказов можно было точно предсказать.

Вопросы повышения безопасности при эксплуатации грузоподъемных машин, мониторинга и оценки ресурса металлических конструкций в условиях циклического нагружения представлены в трудах A.B. Винокурова, В.В. Владимирова, B.C. Дронова, B.C. Ивановой, B.C. Котельникова, B.C. Коцаньды, H.A. Махутова, В.В. Панасюка, В.И. Сероштана, С.А. Соколова, П.А. Сорокина, Г.В. Селиверстова, A.C. Толоконникова и других исследователей.

Основы теории диагностирования дефектов поверхности оптическими рефлектометрическими методами представлены в трудах Ф.Г. Басса, П.А. Баку-та, В.И. Мандросова, И.Н. Матвеева, П.А. Сорокина, A.C. Топорца, Н.Д. Устинова, И.М. Фукса и других ученых.

Вопросы технического обслуживания и ремонта машин исследовали Александровская J1.H., Анцева Н.В., Гнеденко Б.В., Дружинин Г.В., Иноземцев А.Н., Кочергин А.И., Кубарев А.И., Пасько Н.И., Проников A.C., Сухарев Э.А.,

Хаэов Б.Ф. и другие исследователи.

Однако задача оптимизации режима технического диагностирования, мониторинга и технического обслуживания и ремонта несущих металлических конструкций грузоподъемных машин не нашла окончательного решения.

На основании вышеизложенного определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе разработан метод технического диагностирования несущих металлических конструкций грузоподъемных машин. На основе известной модели развития зоны упругопластической деформации разработанной То-локонниковым A.C. построена модель развития зоны пластической деформации вблизи концентратора напряжений под воздействием циклического нагруже-ния, рассмотрено изменение свойств поверхности материала под действием циклических нагрузок. Предложен способ диагностики накопленной повреждаемости металлической конструкции по размерам зоны пластической деформации на основе измерения линейных размеров между нанесенными заранее в зоне пластической деформации реперными метками методом дисперсионного анализа. Произведена оценка эффективности применения оптической рефлек-тометрии.

В работе обосновано, что в качестве параметра, характеризующего число циклов до возникновения усталостной трещины, может быть использован размер зоны пластической деформации Lnd. Размер зоны пластической деформации Lnö зависит от амплитуды приложенной нагрузки, вида концентратора и числа циклов нагружения, т.е. от тех параметров, которые определяют значение накопленной относительной неупругой деформации вблизи концентратора. Таким образом, для определения размера зоны пластической деформации может быть предложено уравнение (1):

11/,яе0

dk, (1)

ко

Lnd = J

О

ёМ гг

maxi а-\

Eej

где тео - характеристика материала (для пластичных малоуглеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности до 700 МПа, тео =0,5), - деформация предела текучести, - максимальная интенсивность деформации в к- ом полуцикле, к0 - полуциклы, о_]- предел выносливости гладкого образца при циклическом растяжении, Е- модуль продольной упругости.

Разработан способ диагностики накопленной повреждаемости в металлических конструкциях, защищенный патентом РФ № 2356034. Для контролируемой металлической конструкции определяют каким-либо известным методом, например, исследованием конечно-элементной модели, наиболее вероятные ме-

ста разрушения, подготавливают контрольные площадки в зонах концентрации напряжений наиболее вероятных мест разрушения и исследуют поверхность контрольных площадок с помощью оптических датчиков. Подготовка контрольных площадок заключается в нанесении двух и более реперных линий вблизи концентратора напряжений параллельно предполагаемому направлению развития трещины на одинаковом расстоянии друг от друга. С помощью оптических датчиков проводят измерение расстояний между реперными линиями. Измерения проводят перпендикулярно реперным линиям. Для дальнейшей оценки выбирается расстояние между двумя линиями, расположенными в зоне наибольшего пластического деформирования.

Изменения расстояния между двумя линиями расположенными в зоне наибольшего пластического деформирования на поверхности контрольных площадок служат мерой степени поврежденности узла исследуемой металлической конструкции. Образование макротрещины произойдет, когда деформация и, соответственно, расстояние между линиями достигнет своего максимального

значения дгу"ах = /. На рисунке 1 показана подготовленная контрольная площадка с нанесенными реперными линиями 3. На позициях 1 показаны концентраторы напряжений. Предполагаемое направление развития трещин от концентраторов показано на позициях 2.

Разработан помехозащищенный оптический рефлектометрический способ измерения расстояния между реперными метками, основанный на анализе дисперсий светового излучения, рассеянного контрольной площадкой в зеркальном и диффузном направлениях.

В качестве сенсоров состояния поверхности могут быть использованы оптоэлектронные преобразователи, реализующие анализ дисперсий рассеянного контролируемой поверхностью света.

Оптоэлектронный преобразователь (рисунок 2) содержит фотоприемник, расположенный в зеркально отраженном контролируемым объектом световом потоке, фотоприемник, расположенный в диффузно отраженном световом по-

н

1 2

X,

Рисунок 1 - Схема подготовки контрольной площадки

которого соединены с выходами фотоприемников. Блок контроля

токе, и блок контроля, входы Фотоприемник

Излучатель

Рисунок 2 - Схема обнаружения реперной метки Расстояние между реперными метками рассчитывается исходя из количества шагов, сделанных шаговым двигателем за временной интервал сканирования между двумя реперными метками.

В работе исследована эффективность обнаружения реперных меток на фоне оптических помех методом дисперсионного анализа. Критерием эффективности обнаружения дефектов является отношение максимального значения сигнала к среднеквадратическому значению шума на выходе преобразователя

^ _^£шах (2)

На рисунке 3 приведены результаты оценки отношения сигнал/шум предложенного способа для обнаружения реперных меток в виде царапин на контрольной площадке. График характеризует высокую эффективность обнаружения реперных меток методом анализа дисперсий.

Рисунок 3 - График отношения сигнал/шум при обнаружения реперных меток в виде царапин на контрольной площадке

DEFEKT Nd

ALGORITM Na

lgM «>

Замеры изменений расстояния между двумя линиями, расположенными в зоне наибольшего пластического деформировании снимались через каждые 25 тыс. циклов нагружения от 25 тыс. цик. до 250 тыс. цик.

За ресурс испытываемого образца было принято число циклов, которое он выдержал до образования макротрещены. На рисунке 4 приведена регрессионная модель относительного выработанного ресурса экспериментального образца.

♦ Эксперементальные значении -Теоретическая кривая

Рисунок 4 - График зависимости между зоной пластической деформации

и выработанным ресурсом Как видно из рисунка 4, реальный ресурс образцов превышает предполагаемый (Л^ = 22 • 104) на 12%.

На основании данных эксперимента, методом наименьших квадратов получена регрессионная модель относительного выработанного ресурса в функции размера пластической деформации вида (3):

Ы0 = 0,958 х?'509 (3)

Х/=у (4)

х,=х?д-х? (5)

/ = х?ш (6)

Адекватность модели подтверждена с помощью проверки по критерию Фишера.

В третьем разделе рассмотрены вопросы оптимизации режима технического диагностирования металлических конструкций в системе технического обслуживания и ремонта грузоподъемных машин.

Разработана математическая модель процесса технического диагностирования металлических конструкций грузоподъемных машин, основанная на известных количественных моделях процессов профилактического восстановления (моделей профилактики) механических систем, представленных в работах Н.И. Пасько. На основе данной модели назначаются периодичность контроля технического состояния металлической конструкции и критическое значение расстояния между реперными метками, при превышении которых требуется профилактическое восстановление металлической конструкции. В данной модели изменения расстояния между реперными метками описываются схемой накапливающихся изменений. Отказу металлической конструкции соответствует достижение расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки заранее установленного значения.

Количественно увеличение расстояния между реперными метками во времени предложено описывать «веерной» моделью. В ней скорость изменения этого расстояния представляется случайной величиной с плотностью распределения, определяемой на основе статистического анализа результатов испытаний элементов металлоконструкций или данных наблюдений за реально работающими грузоподъемными машинами. В соответствии с веерной моделью реализаций изменений расстояния между реперными метками элемент металлической конструкции грузоподъемной машины осматривается через промежутки по наработке /п. Если при осмотре расстояние между реперными метками на поверхности одной из контрольных площадок больше или равно критическому значению х^, который может находиться в пределах [О.У] то производится профилактическое восстановление элемента. В противном случае элемент продолжает эксплуатироваться дальше. Если же расстояние между реперными метками раньше достигнет максимально возможного значения 1, что означает отказ элемента, то производится внеочередное восстановление. Параметры /п и х/[ характеризуют режим профилактики. Оптимальный их выбор имеет большое практическое значение. Слишком частые профилактические осмотры чрезмерно увеличивают затраты на их проведение, ведь при этом грузоподъемную машину обычно приходится останавливать. Редкие же осмотры не могут предотвратить отказы, происходящие между моментами осмотров. Восстановление этих отказов требует обычно больше средств и времени. Снижение критического значения расстояния между реперными метками х^ уменьшает вероятность отказов, но ценой недоиспользования ресурса элементов.

В качестве критерия оптимальности режима профилактики предложено использовать удельные затраты времени 0 на восстановление металлической конструкции, приходящиеся в среднем на единицу наработки:

^ Эпс + Эп р + Э0 н

@ = _ос-п_У-о-^ (?)

'п

где Эо,,, Эп, Э0 - средние затраты соответственно на один осмотр, на одно профилактическое восстановление и на одно восстановление по отказу; р -степень профилактического обновления или вероятность того, что в момент профилактики потребуется восстановление; Н - среднее количество отказов за интервал между профилактиками.

Зависимость показателей Я, р, 0 от параметров /п и х^ исследована методом статистического моделирования процесса профилактики на ЭВМ с помощью разработанного математического обеспечения для трех возможных вариантов функции надежности металлической конструкции - по закону Вей-булла, гамма и логнормальному.

За время моделирования накапливаются следующие статистические данные: число отказов элемента металлической конструкции число плановых восстановлений Nр, число контролей технического состояния Ык, общее время моделирования ^ и др. С помощью этих статистик определяются выходные параметры для каждого элемента металлической конструкции: число отказов за период профилактики; доля профилактических восстановлений; вероятность проведения профилактического осмотра; наработка на одно восстановление; коэффициент использования ресурса; интенсивность отказов; наработка между отказами, а также удельные затраты © по формуле (7). При этом наработка элемента металлической конструкции может измеряться либо циклами нагружения, либо временем работы.

Профилактика всей металлической конструкции грузоподъемной машины по данной схеме осуществляется как и в случае одного ее элемента, но с организационной стороны желательно профилактики отдельных элементов по возможности совмещать, что дает экономию за счет подготовительно-заключительных затрат при проведении профилактического восстановления и осмотров, а также за счет их совмещения.

При решении вопроса о профилактике металлическую конструкцию предложено условно рассматривать как отдельный элемент и производить расчеты в соответствии с рассмотренной выше методикой. Нуждается лишь в разъяснении вопрос, об определении критического значения расстояния между реперными метками х^ и максимального расстояния между реперными метками.

Пусть в металлическую конструкцию входит N элементов, каждый из них отказывает (что равносильно отказу всей металлической конструкции) после

достижения значения расстояния между реперными метками /,■ (г=1,...Д- номер элемента металлической конструкции). Приведенное расстояние между реперными метками металлической конструкции предложено определять по максимальному относительному расстоянию

Отказ металлоконструкции наступает в том случае, когда хотя бы одна из величин х,- достигает 1.

При профилактическом осмотре решение о необходимости ремонта металлической конструкции или отдельного ее элемента принимается по величине х ■ Если х ^ Хк > то ремонт осуществляется, в противном, случае эксплуатация металлической конструкции продолжается.

На основе данной методики выполнено исследование режима профилактики металлоконструкций. Анализ проводился только в предположении, что распределение наработки между отказами подчиняется закону Вейбулла. В результате анализа влияния режима профилактического восстановления металлических конструкций грузоподъемных машин на результативность системы технического обслуживания и ремонта грузоподъемных машин установлены сложная зависимость удельных затрат от параметров режима профилактического восстановления металлических конструкций, слабое влияние закона распределения и негативное влияние разброса наработки объекта между отказами на показатели процесса технического диагностирования грузоподъемных машин (рисунок 5).

Рисунок 5 - График зависимости удельных затрат 0 от параметров режима профилактики металлической конструкции тп,х* Из рисунка 5 видно, что существует ярко выраженный минимум удельных затрат, составляющий для данных условий 0,397 уд. единиц, который достигается

/ = шах(л, /2.--,/г'Л') = тах(т-,71.....

'1 '2 <лг

> • • • 9

(8)

при относительной наработке тп =

п

Т

= 0,4 и относительном критическом зна-

чении расстояния между реперными метками х к = 0,5, где Г - средняя наработка металлической конструкции между отказами при восстановлении только по отказу.

Четвертый раздел посвящен практической реализации результатов работы. Приведены система информационной поддержки оптимизации периодичности контроля состояния металлических конструкций грузоподъемных машин, в которой реализована статистическая модель системы профилактики металлических конструкций, и система контроля линейных размеров контрольной площадки. Проанализировано влияние режима профилактического восстановления металлических конструкций грузоподъемных машин на результативность системы их технического обслуживания и ремонта.

Система информационной поддержки оптимизации периодичности контроля состояния металлических конструкций грузоподъемных машин (рисунок 6) предусматривает четыре варианта работы: расчет показателей системы профилактики металлических конструкций, оптимизация периода профилактического восстановления металлических конструкций /п, оптимизация критического значения расстояния между реперными метками на контрольной площадке хк и совместная оптимизация параметров режима профилактики /п иц.

ф» Профилактика по графику с плановыми осмотрами I ■=» I 1

Средняя наработка Затраты времени на

между отказами, циклов осмотр, ч

Вариант рассчета <i Только расчет

С Оптимизация периода профилактики tn Коэффициент вариации наработки Г Оптимизация критического значения

расстояния межд> расстояния между реперными метками хк

Г

|04 реперными метками, мм

Затраты времени на F

Оптимизация и периода tn, i

критического значения расстояния Перно^профнлактаки т. циклов межиг оспеяиыш мелями *к

|г00000 Квленаарное врем! Затраты времени не Критическое значение , ,

восстановление по рвссго.ии. между Среднее врем. исполь»мн,а ко,фф>шнс„г

onaiy. ч _ реперными метами, мм по ниивчению допроею» нсполмоввиив

|ll (55 pïs

Рисунок 6 - Видеограмма системы информационной поддержки оптимизации периодичности контроля состояния металлических конструкций грузоподъемных машин

Система контроля линейных размеров контрольной площадки включает рефлектометрический датчик с приводом перемещения рефлектометрического датчика.

Источником излучения является поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (УСБЕЬ) со встроенной в корпус микролинзой. Фотоприемниками являются кремниевые фотодиодные линейки, состоящие из 16 отдельных фотодиодов, сформированных в виде линейной структуры в едином корпусе. Фотоприемники расположены в диффузно и зеркально отраженном световом потоке. Цилиндрические двояковыпуклая и двояковогнутая линзы предназначены для разворачивания светового пучка лазерного диода в прямую линию. Зеркала предназначены для отражения под необходимым углом световых потоков. Оптические окна защищают внутренние компоненты датчика от внешних воздействий.

На печатной плате находится микроконтроллер, обеспечивающий снятие сигнала с фотоприемников, его оцифровку и передачу сформированных массивов данных на ЭВМ для дальнейшего анализа. Передача осуществляется через интерфейс 118-232.

При сканировании поверхности контрольной площадки датчик перемещается вдоль контролируемой поверхности с помощью привода на базе униполярного шагового двигателя. Для управления системой контроля выбран микроконтроллер АТп^а128. В работе разработаны алгоритм и программа управления микроконтроллером АТте§а128. За один шаг привода, датчик перемещается на 0,003 мм, поочередно считывая значение напряжения на каждом из 16 элементов двух фотодиодных линеек, и отправляет информацию на ЭВМ. Привод будет двигаться до тех пор, пока не замкнет концевой выключатель, после чего вернется в начальное положение и отправит на ЭВМ сигнал о том, что сканирование завершено.

В заключении обсуждены общие итоги работы и сформулированы общие выводы по диссертации.

В приложении представлена программа управления системой автоматизированного контроля состояния металлоконструкции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная задача, состоящая в обеспечении безопасности эксплуатации грузоподъемных машин на основе совершенствования методов диагностики и мониторинга и рациональной организации системы технического обслуживания и ремонта их несущих металлических конструкций. При этом получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработан новый метод диагностики несущих металлоконструкций грузоподъемных машин, основанный на анализе изменений линейных размеров зоны пластической деформации контрольных площадок под действием циклического нагружения, который сводит к минимуму участие оператора и обладает высокой объективностью оценки.

2. Предложенная регрессионная модель накопления усталостных повреждений Ыа = 0,958-Х|°'509> позволила выявить связь геометрических размеров зоны пластической деформации (расстояние между предварительно нанесенными реперными метками) и выработанного ресурса до образования усталостной трещины. Например, для мостового крана грузоподъёмностью 32/5 т, пролётом 28,5 м, группы режима 5К образованию макротрещины соответствует прирост пластической деформации / = 1,1 мм.

3. Разработан способ измерения геометрических размеров зоны пластической деформации по расстоянию между предварительно нанесенными реперными метками оптическим рефлектометрическим методом, обеспечивающий разрешающую способность измерения зоны пластического деформирования до 3 мкм.

4. Показано, что разрабатывать план ремонтного обслуживания металлической конструкции, включающий назначение периодичности контроля ее технического состояния и назначение критического значения расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки, при превышении которого требуется профилактическое восстановление металлической конструкции, следует на основе разработанной модели процесса технического диагностирования металлических конструкций грузоподъемных машин, согласно которой, например, для мостового крана грузоподъёмностью 32/5 т, пролётом 28,5 м, группы режима 5К, ремонт металлической конструкции осуществляется, если при осмотре хотя бы на одном элементе металлической конструкции расстояние между реперными метками на поверхности соответствующей контрольной площадки имеет относительное расстояние х, больше критического значения Хк = 0,5.

5. Разработан алгоритм оптимизации режима технического диагностирования металлоконструкций грузоподъемных машин для трех возможных вариантов функции надежности металлоконструкции - по закону Вейбулла, гамма и логнормального, позволяющий определить оптимальные значения периодичности контроля технического состояния металлоконструкции и критического значения расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки, при превышении которого требуется профилактическое восстановление металлической конструкции.

6. Разработаны микропроцессорная система автоматизированного мониторинга металлоконструкции грузоподъемных машин, 3-0 модель датчика с системой сканирования поверхности контрольной площадки, алгоритмы и программы управления системой мониторинга, позволяющие автоматизировать процессы мониторинга и оценки состояния металлических конструкций, планирования системы технического обслуживания и ремонта металлических конструкций и расчета показателей их технического диагностирования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО

В РАБОТАХ

1. Бутырский С.Н., Селиверстов Г.В. Автоматизированная диагностика несущих металлоконструкций кранов по размеру зоны пластической деформации // Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» -Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 121-122.

2. Бутырский С.Н., Селиверстов Г.В., Вобликова Ю.О. Анализ напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций грузоподъемных машин // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. 4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 123-126.

3. Бутырский С.Н., Селиверстов Г.В., Вобликова Ю.О. Оценка динамики изменения нагружения крановой металлоконструкции и автоматизированное прогнозирование ее остаточного ресурса // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Материалы междунар. научно-техн. конф. АПИР-14 - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 117-120.

4. Бутырский С.Н. Диагностика несущих металлоконструкций кранов по размеру зоны пластической деформации // Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: Материалы XIII Московской международной межвузовской научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. С. 20-21.

5. Патент РФ 2356034. МПК7 С01Ю1/88. Способ диагностики трещи-нообразования в металлоконструкциях I С.Н. Бутырский, Г.В. Селиверстов, П.А. Сорокин. Опубл. 20.05.2009. Бюл. № 14.

6. Бутырский С.Н., Сорокин П.А. Оптимизация режима технического диагностирования металлоконструкций грузоподъемных машин // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. -С. 41-51.

7. Бутырский С.Н. Оптимизация параметров профилактического обслуживания металлоконструкций грузоподъемных машин // Инновационное развитие образования, науки и технологий: доклады 3-й Всероссийск. науч,-технич. Конференции. В 2 ч. Ч. I. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 40-42.

8. Методы и технические средства автоматизированного мониторинга несущих металлоконструкций грузоподъемных и путевых машин / С.Н. Бутырский [и др.] // Инновационное развитие образования, науки и технологий: доклады 3-й Всероссийск. науч.-технич. Конференции. В 2 ч. Ч. II. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 140-145.

Изд. лиц. ЛР № 030300 от 12.02.97. Подписано в печать 21.11.2014 Формат бумаги 60x84 '/|6. Бумага офсетная. Усл-печ. л. 0,9. Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 131. Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

2014271165