автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Оценка работоспособности металлоконструкций строительных машин с дефектами



С Лл \

?

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ-

■■■-■■' РОСС ■

/о

1 } ' "т^^

На правах рукописи

КРУЛЬ КАЗИМЕЖ

„ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН С ДЕФЕКТАМИ"

Специальность: 05.05.04 - Дорожные и строительные машины

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный консультант д.т.н., профессор ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ РЯХИН

МОСКВА 1999

СОДЕРЖАНИЕ

1.ВВЕДЕНИ Е................................................................................................... 7

1.1. ОБЗОР РАБОТ ПО НАГРУЖЕННОСТИ И МЕТОДАМ РАСЧЕТА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН..................... 8

1.1.1.Характерные дефекты и поломки металлоконструкций экскаваторов ................................................................................................. 11

1.1.2. Обзор нормативных документов по вопросам работоспособности металлоконструкций строительных машин.................................................. 12

1.2. ОБЗОР РАБОТ ПО УСТОЙЧИВОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ПРИМЕНЯЕМЫМ МЕТОДАМ РАСЧЕТА С УЧЕТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ НЕСОВЕРШЕНСТВ .................................................................... 18

1.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ ............................................................................ 25

1.4. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. НАУЧНАЯ НОВИЗНА, ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ .................. 29

2. ДЕФЕКТЫ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН........................................................................................................ 36

2.1. ВИДЫ ДЕФЕКТОВ..................................................................................40

2.1.1. Типичные дефекты сварных швов и их классификация...................... 40

2.1.2. Классификация дефектов первой группы.............................................41

2.1.3. Классификация дефектов второй группы.............................................46

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ КРИТЕРИЕВ ЖИВУЧЕСТИ ................................................................................................48

2.3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЖИВУЧЕСТЬ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН......................53

2.3.1. Влияние перегрузок на скорость роста усталостных трещин..............54

2.3.2 Блочное нагружение (чередование нагрузок)........................................55

2.3.3. Влияние асимметрии циклов нагружения.............................................57

2.3.4. Влияние агрессивной среды...................................................................57

2.3.5. Влияние температуры........................................................................... 59

2.3.6. Влияние частоты и формы циклов нагружения................................... 59

2.3.7. Скорость нагружения ........................................................................... 61

2.3.8. Наличие ребер жесткости..................................................................... 61

2.3.9. Качество и свойства материала ........................................................... 62

2.3.10. Остаточные напряжения.................................................................... 62

2.3.11. Дефекты сварки....................................................................................64

2.3.12. Форма и размеры дефекта.................................................................. 65

2.3.13. Технологическая обработка узлов......................................................68

2.3.14. Размеры конструкции......................................................................... 69

2.3.15. Влияние концентрации напряжений.................................................. 70

2.3.16. Учет влияния факторов, отражающих условия работы металлоконструкций строительных машин................................................... 71

2.4.КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИМПЕРФЕКЦИЙ (ПОГНУТОСТЕЙ, ИСКРИВЛЕНИЙ И ВМЯТИН) ПО КРИТЕРИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.......................................................................73

2.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..............................................................................74

3. ДЕТЕРМИНИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЖИВУЧЕСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

С ДЕФЕКТАМИ .......................................................................................... 79

3.1. МОДЕЛЬ РАСЧЕТА............................................................................... 80

3.1.1. Осмотр и неразрушающий контроль конструкций с целыо выявления дефектов, определения их положения, размеров и формы........................... 80

3.1.2. Схематизация положения дефекта (подбор типа

эквивалентного узла) .................................................................................... 81

3.1.3.Схематизация формы дефекта (подбор эквивалентного дефекта)........82

3.1.4. Определение внешней нагруженности (схематизация реальных эксплуатационных процессов с приведением к отнулевому циклу)........ 85

3.1.5. Анализ факторов, влияющих на трещиностойкость металлоконструкций, предельные значения коэффициентов интенсивности напряжений и скорость роста трещины.........................................................86

3.1.6. Определение коэффициентов интенсивности напряжений Кь Кус, Кц,

и параметров кинетической диаграммы усталостного разрушения............. 89

3.1.7. Учет остаточных напряжений ..............................................................92

3.1.8. Расчет живучести (пример)....................................................................95

3.2. РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН И ТРЕЩИНОНОДОБНЫХ ДЕФЕКТОВ........98

3.3.КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПО КРАЯМ ВНУТРЕННИХ, ПОВЕРХНОСТНЫХ И СКВОЗНЫХ ДЕФЕКТОВ ТИПА НЕСПЛОШНОСТЬ ............................................................................... 106

3.3.1. Введение............................................................................................... 107

3.3.2. Расчетная модель образца с дефектом............................................... 107

3.3.3. Виды дефектов...................................................................................... 107

3.3.4. Концентрация напряжений и коэффициент интенсивности напряжений .................................................................................................. 108

3.3.5. Выводы............................................................................................... 112

3.4. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН И ИХ УЗЛОВ............................................................................. 112

3.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОУШИН ЭКСКАВАТОРОВ........................................................................................ 120

3.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ........................................................................... 126

4. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О СВОЙСТВАХ МАТЕРИАЛА, ПАРАМЕТРАХ ПРОЦЕССА НАГРУЖЕНИЯ, ДЕФЕКТАХ

И НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ........................................................128

4.1. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА.................................................................. 129

4.1.1. Заключение по параметрам трещиностойкости и кинетической диаграммы усталостного разрушения............................................................... 130

4.2. ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАШИН....................................................................................................... 130

4.2.1. Схематизация процессов нагружения металлоконструкций строительных машин для расчетов по критериям живучести и устойчивости .... 132

4.2.1.1. Распределения размахов, приведенных к отнулевым циклам......... 133

4.2.1.2. Распределения минимумов для прогнозирования устойчивости .... 136

4.2.1.3. Заключение по результатам схематизации процессов нагружения . 137

4.3. ДЕФЕКТЫ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН..................................................................................................... 137

4.4. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КОНСТРУКЦИЙ..................... 141

4.4.1. Методы неразрушающего контроля.................................................. 143

4.5. СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ.......................................................... 144

4.5.1. Внутренние дефекты............................................................................ 146

4.5.2. Поверхностные дефекты ..................................................................... 147

4.5.3. Сквозные дефекты............................................................................... 149

4.5.4. Групповые дефекты............................................................................. 150

4.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ............................................................................ 151

5. СТОХАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЖИВУЧЕСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

С ТРЕЩИНОПОДОБНЫМИ ДЕФЕКТАМИ............................................ 152

5.1. ОБЗОР ТИПОВ СТОХАСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАСЧЕТАХ УСТАЛОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ....................... 153

5.2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О ПАРАМЕТРАХ, УЧИТЫВАЕМЫХ В СТОХАСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ЖИВУЧЕСТИ....................... 161

5.2.1. Статистические данные о параметрах материала............................... 162

5.2.2. Данные о параметрах внешнего силового и термического воздействий ................................................................................................... 163

5.2.3. Геометрические несовершенства типа трещин или дефектов, трансформирующихся в трещины............................................................... 165

5.3. СТОХАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ, ОСНОВАННАЯ НА МЕТОДЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ МОНТЕ-КАРЛО ...................................................... 165

5.3.1. Стохастическая модель расчета живучести......................................... 166

5.4. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЖИВУЧЕСТИ УЗЛА С ТРЕЩИНО-ПОДОБНЫМ ДЕФЕКТОМ С ПОМОЩЬЮ РАЗРАБОТАННОЙ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ................................................................ 172

5.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ............................................................................ 174

6. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОГНУТОСТЕЙ

И ВМЯТИН НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН...................................... 176

6.1.ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ НЕСОВЕРШЕНСТВА В СТЕРЖНЕВЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН.................184

6.2.ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ НЕСОВЕРШЕНСТВА В ПЛАСТИНЧАТЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН................ 199

6.3. УСТОЙЧИВОСТЬ СТАЛЬНЫХ КОРОБЧАТЫХ БАЛОК, ПОДВЕРЖЕННЫХ ЧИСТОМУ ИЛИ ПОПЕРЕЧНОМУ ИЗГИБУ......... 210

6.4. УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАСТИНЧАТОЙ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА.....................................216

6.5. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ПОГНУТОСТЯМ И ВМЯТИНАМ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ............................................................220

6.6. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОГНУТОСТЯМИ....................................................................................... 222

6.7. ВЛИЯНИЕ ПОГНУТОСТЕЙ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ................................................................ 229

6.8. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ............................................................................ 231

7. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ .........................................................................234

ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................ 238

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: СПРАВКИ О ВНЕДРЕНИЯХ РЕЗУЛЬТАТОВ

РАБОТЫ ...................................................................................................... 273

ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Перевод названий статей на русский язык................ 281

ПРИЛОЖЕНИЕ 3: Научно-исследовательские работы соискателя .........283

ПРИЛОЖЕНИЕ 4: Внедрения....................................................................288

1. ВВЕДЕНИЕ

Прогнозирование и расчет надежности металлоконструкций строительных машин (МКСМ) на шобой стадии их эксплуатации принадлежат к числу важных научных проблем, а их решение остается одним из актуальных направлений исследований. По данному направлению выполнено значительное количество фундаментальных исследований в области общего машиностроения и очевидны определенные успехи в отрасли строительного и дорожного машиностроения.

Развитие мощной вычислительной техники, совершенствование методов моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций и общее развитие науки открывают возможности для более углубленных исследований работоспособности сложных несущих конструкций строительных машин. С другой стороны, практическая оценка работоспособности этих машин требует детального учета взаимосвязи свойств материала, технологии изготовления, геометрии конструкции, ее напряженного состояния, нагруженности и других внешних эксплуатационных факторов.

Особую актуальность в научном и практическом аспектах приобретают исследования работоспособности металлоконструкций строительных машин с дефектами. Известно, что во время изготовления, монтажа и эксплуатации в металлоконструкциях строительных машин образуются и развиваются дефекты, которые могут привести к нарушению целостности конструкции (трещины) или потере ее устойчивости (погнутости и вмятины). В настоящее время наличие трещин в несущих конструкциях строительных машин недопустимо, а размеры геометрических несовершенств (погнутостей и вмятин) строго ограничены. Имеющиеся руководящие документы по расчетам металлоконструкций строительных машин не рассматривают возможность дальнейшего использования машин с обнаруженными дефектами. Отсутствует также обоснование величин допустимых геометрических несовершенств. Накопленный опыт в области механики разрушения, устойчивости конструкций и по численным методам анализа

напряженно-деформированного состояния создаёт благоприятные предпосылки дня тщательного анализа возможностей и условий продления ресурса металлоконструкций с имеющимися дефектами в виде трещин, погнутостей, вмятин и трещиноподобных дефектов. Развитие и обсуждение проблемы эксплуатации металлоконструкций строительных машин с дефектами является следующим естественным этапом приближения к истине, так как наличие обнаруженных и необнаруженных (хотя и необоснованно недопустимых) дефектов - это объективная

действительность.

Решение малоизученной проблемы оценки возможности эксплуатации металлоконструкций строительных машин с дефектами является важной частью стратегии эксплуатации, ремонта и изготовления этих машин. Круг вопросов, связанных с оценкой работоспособности, требует системного подхода, учитывающего особенности строительных машин и применения механики разрушения, сопротивления материалов, метода конечных элементов, теории устойчивости, математической статистики,

программирования и экспериментальных исследований.

С целью расширения методов расчета металлоконструкций строительных машин, состоящего в учёте различного рода дефектов, требуется выполнение дополнительных исследований, которым посвящена настоящая работа.

1.1. ОБЗОР РАБОТ ПО НАГРУЖЕННОСТИ И МЕТОДАМ РАСЧЕТА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Несущие конструкции строительных машин отличаются большим числом сварных соединений, переменностью нагрузок и температуры, наличием различного рода дефектов и повреждений, являющихся следствием ошибок проектирования, низкого качества изготовления, неаккуратности монтажа или неправильной эксплуатации. Вышеперечисленные факторы приводят к потере устойчивости конструкции или зарождению и развитию трещин, предопределяющих надежность машины в целом. Анализ литературных источников показывает, что отсутствуют расчетные методы, позволяющие оценить возможность и условия эксплуатации металлоконструкций

строительных машин циклического действия с дефектами. В последнее десятилетие наметилось интенсивное развитие методов расчета усталостной долговечности металлоконструкций строительных машин, которое привело к разработке и внедрению нормативных документов для проектировщиков-конструкторов. Однако расчет долговечности завершается на начальной стадии развития трещин. Для многих конструкций эта стадия соответствует трещине длиной 2-4 мм, что с точки зрения механики разрушения (с учетом всех прочих факторов) является далеко не исчерпывающим ресурсом. В то же время многие рамы экскаваторов, погрузчиков с трещинами в десятки и сотни миллиметров успешно работают много лет. Появляются сложности в принятии решения о дальнейшей эксплуатации машин, отработавших свой срок, о допустимости погнутостей, вмятин и трещиноподобных дефектов сварных соединений. В настоящее время наблюдается переход многих заводов по выпуску строительных машин на ремонтные работы. Перечисленные обстоятельства свидетельствуют о необходимости продолжения исследований работоспособности конструкций на стадии развития трещин и конструкций, в которых появились искривления и вмятины.

При анализе нагруженности строительных машин, а также методов их исследования, оценки и расчетов надежности автор опирался на фундаментальные труды: Баловнева В.И., Бондаровича Б.А., Вершинского A.B., Волкова Д.П., Гаркави Н.Г., Генкина Э.Л., Гобермана Л.А., Зеленина А.Н., Иванова Н.И., Кудрявцева Е.М., Кузина Э.Н., Луканина В.Н., Малиновского Е.Ю., Никулина П.И., Орлина A.C., Разумовского М.А., Ряхина В.А., Тольского В.Е., Ульянова H.A., Федорова Д.И., Холодова A.M., Яценко П.Н. и др.

Несущие конструкции строительных машин подвержены действию случайных нагрузок. Поэтому для расчетов живучести и несущей способности металлоконструкций строительных машин необходимо провести схематизацию реальных эксплуатационных процессов нагружения. Прогнозируя живучесть конструкций строительных машин, целесообразно учесть стохастическую природу условий их эксплуатации. Для этого

необходимо разработать стохастическую модель прогнозирования живучести.

С целью подготовки оценок прочности, долговечности и несущей способности конструкций автор опирался на работы известных ученых России, стран СНГ и зарубежья: Болотина В.В., Гусенкова А.П., Демьянушко И.В., Когаева В.П., Махутова H.A., Невзорова Л.А., Оземского С., Ряхина В.А., Собчикевича В., Труфякова В.И., Шишкова H.A. и др.

До настоящего времени расчеты напряженно-деформированного состояния для таких несущих конструкций строительных машин, как ходовая рама, поворотная платформа и рабочее оборудование, выполнялись редко и очень упрощенно. Широко применялись в основном экспериментальные методы, из которых широкое распространение получил метод тензометрических измерений. Целесообразно показать возможность определения напряженно-деформированного состояния сложных несущих конструкций строительных машин с помощью метода конечных элементов и возможность перехода от глобального анализа конструкции к локальному анализу участка с дефектом. Выполнение таких расчетов требует дополнительной разработки модуля типа „графический суперэлемент" и конечного элемента типа „трещина".

При подго�