Способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций
Изобретение относится к области анализа стальных металлоконструкций механических систем, в том числе горных машин. Прогноз остаточного ресурса без повторных замеров достигается за счет того, что определяют спектральную плотность, временной предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное удлинение и сужение, угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей. Определяют эталонные спектры следующих резонансов на пяти диапазонах частот отклика акустоэмиссионного излучения: ультразвуковых колебаний субзерна в диапазоне 62,7-19,1 кГц, колебаний сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц, модулирующих релаксационных колебаний двойникования в диапазоне 432-82 Гц, модулирующих релаксационных колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,85 Гц и модулирующих релаксационных колебаний инфрачастоты в диапазоне 4,6-4,2 Гц. Определяют все указанные физико-механические параметры на момент полной деградации металла и на момент замера Тi, а затем определяют остаточный ресурс Tп по определенной формуле, включающей фиксированное время эксплуатации и величины диаметров субзерна металла. 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.
Изобретение относится к области неразрушающего контроля стальных металлоконструкций посредством анализа откликов акустоэмиссионного излучения металла механических систем для прогноза остаточного ресурса, в том числе горных машин.
Известен способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем, в том числе горных машин, с использованием неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающий определение спектральной плотности эталонных сигналов, сравниваемых со спектральной плотностью сигналов на момент замеров (см., например, патент РФ 1237915, кл. G 01 N 29/10, опубл. 1986 г.). Недостатком этого решения является необходимость эталонных спектров на все имеющиеся элементы механических систем, выполненные из разных марок металла, на различные сварные соединения, а также их спектры деградации, что практически невозможно. Наиболее близким аналогом к техническому решению - прототипом является способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем посредством неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающий определение спектральной плотности и эталонных физико-механических параметров металла, в том числе временного предела прочности при растяжении, предела текучести относительного удлинения и сужения, угла трения (см. патент РФ 2020476, кл. G 01 N 29/14, опубл. 1994 г.). Существенным недостатком этого известного решения является то, что анализ прогноза требует периодических повторных замеров, например через месяц, год и т.п., заменяя тем самым эталонные параметры текущими, определенными в предыдущий замер. Это обусловлено особенностями процесса эксплуатации металлоконструкций многих механических систем, например горных машин, которые, обычно, подвергаются ремонту без фиксации времени начала эксплуатации, ремонтной марки металла, углеродного эквивалента использованных электродов и др. параметров. Задачей изобретения является обеспечение возможности прогноза остаточного ресурса без проведения периодически повторных замеров параметров, что позволяет заранее наметить сроки ремонта или замены изношенной техники и обеспечить непрерывную и эффективную работу объекта. Сущность изобретения заключается в том, что в способе прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем, в том числе горных машин, посредством неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающем определение спектральной плотности и эталонных физико-механических параметров металла, в том числе временного предела прочности при растяжении, предела текучести, относительного удлинения и сужения, угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей, дополнительно определяют спектры следующих резонансов на пяти диапазонах частот отклика акустоэмиссионного излучения: ультразвуковых колебаний субзерна в диапазоне 62,7-19,1 кГц, колебаний сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц, модулирующих релаксационных колебаний двойникования в диапазоне 434-82 Гц, модулирующих релаксационных колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,85 Гц и модулирующих релаксационных колебаний инфрачастоты в диапазоне 4,6-4,2 Гц для определения и анализа физико-механических параметров на момент начала эксплуатации, момент замера и на момент полной деградации металла, причем диаметр деградированного зерна d*з.д определяют по формуле d*з.д=6d*з.э, где d*з.э - диаметр эталонного зерна; а при фиксированном времени эксплуатации Ti механической системы, то есть на момент замеров, определяют остаточный ресурс Tп по формуле где d*сз.i - диаметр субзерна на момент замеров; d*сз.д - диаметр деградированного субзерна; d*сз.э - диаметр эталонного субзерна. Кроме того, угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей * может быть определен по формуле где су - относительное сужение;уд - относительное удлинение;
16o - угол трения адсорбировавшейся влаги в межзеренных протоках стали при рН 6-8;
диаметр эталонного зерна d*з.э определяют по формуле
где в - временнoй предел прочности при растяжении;
т - предел текучести,
а диаметр субзерна d*cз определяют из формулы
где fузк.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц;
С*др - скорость дрейфа тепловой энергии. По сравнению с прототипом ( 2020476) изобретение содержит отличительные признаки, заключающиеся в том, что дополнительно определяют спектры следующих резонансов на пяти диапазонах частот отклика акустоэмиссионного излучения: ультразвуковых колебаний субзерна в диапазоне 62,7-19,1 кГц, колебаний сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц, модулирующих релаксационных колебаний двойникования в диапазоне 434-82 Гц, модулирующих релаксационных колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,85 Гц и модулирующих релаксационных колебаний инфрачастоты в диапазоне 4,6-4,2 Гц для определения и анализа физико-механических параметров на момент начала эксплуатации, момент замера и на момент полной деградации металла, причем диаметр деградированного зерна d*з.д определяют по формуле
d*з.д=6d*з.э,
а при фиксированном времени эксплуатации Тi механической системы, то есть на момент замеров, определяют остаточный ресурс Tп по формуле
Кроме того, угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей * и диаметр эталонного зерна d*з.э могут быть определены по формулам
а диаметр субзерна d*сз может быть определен из формулы
Наличие указанных отличительных признаков подтверждает соответствие предложенного способа критерию "изобретательский уровень". Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен график анализа смещений резонансов откликов акустоэмиссионного излучения в зависимости от диаметра субзерна d*сз, мм. На чертеже обозначены:
1 - изменение ультразвуковых колебаний;
2 - изменение колебаний сдвига-отрыва;
3 - изменение частоты модулирующих релаксационных колебаний двойникования;
4 - изменение частоты модулирующих релаксационных колебаний структурных упрочнений;
5 - изменение модулирующей релаксационной инфрачастоты;
6 - момент установки изделия на эксплуатацию, т.е. Т0=0;
7 - фиксированный момент времени эксплуатации Тi;
8 - полный ресурс Тр. Для наглядности размерность диаметра зерна d*сз на графике дана в микронах (мкм). Способ осуществляется в три этапа следующим образом. Для реализации способа используются известный метод неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения за счет искусственного возбуждения атомов и молекул структуры металла с помощью известных приборов, а также экспериментальные и расчетные данные. На первом этапе анализируются и определяются согласно сертификату завода-изготовителя эталонные физико-механические параметры металла стальных металлоконтсрукций механических систем, в том числе: временной предел прочности при растяжении - в, МПа; предел текучести - т, МПа; относительное удлинение - уд,%; относительное сужение - су,%; объемная плотность - оп, кг/м3, и продольная скорость звука - С*L, м/сек. Угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей * определяют по формуле
где 16o - угол трения адсорбировавшейся влаги в межзеренных протоках стали при рН 6-8 (определен именно для стали в лабораторных условиях). Диаметр эталонного зерна
по О.А. Берман-И.А. Воронцовой. Анализ физико-механических параметров позволяет определить частоты спектральной плотности акустоэмиссионного излучения, которые даны в табл. 1, из которой следует, что они взаимосвязаны с диаметром субзерна d*сз.э (при расчетах размерность d*cз принимается в метрах). Табл. 1 содержит полученные экспериментальным и расчетным путем по известным зависимостям соотношения физико-механических параметров при плоской деформации с резонансными частотами спектра отклика акустоэмиссионного излучения по А. В. Берману и Д.В. Берману (см. патент РФ 2127349, кл. Е 21 С 25/38). По табл. 1 могут быть определены следующие физико-механические параметры (в зависимости от величины *):
d*сз - диаметр субзерна, размерность для наглядности дана в мм (субзерно представляет собой совокупность определенного количества пар пластинок цементита и феррита с толщиной присущей данной структуре);
C*др - скорость дрейфа тепловой энергии, м/сек;
fузк.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц (ультразвуковые колебания);
fсд-о - отклик частоты сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц (колебания сдвига-отрыва);
fмр - отклик модулирующей релаксационной частоты колебаний двойникования в диапазоне 434-82 кГц;
fмс - отклик модулирующей релаксационной частоты колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,82 Гц;
fмв - модулирующая релаксационная инфрачастота в диапазоне 4,6-4,2 Гц;
lпн - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации, м. Величина fузк.-сз может быть определена также по формуле
Определяют также эталонное значение динамической вязкости эт по формуле
эт = 0,499l*ОПC*i, МПac,
где l* - длина магистральной трещины в конце ее ускоренного развития по Пэрису-Лейбову Б.М. определяется по формуле
где *П - коэффициент Пауссона, который в момент сдвига-отрыва по А.Н. Зеленину равен 0,52 (кн. А.Н. Зеленин "Основы разрушения грунтов механическими способами", М., 1968 г., стр. 375), а по И.А. Биргеру и Я.Г. Пановко "Прочность, устойчивость, колебания". М. 1968 г., больше 0,5. Коэффициент турбулизации Rp* при = 90 равен 0,5. Далее, для ускорения расчетов используются данные, сведенные в табл. 2 (получены экспериментальным и расчетным путем с помощью известных зависимостей). Вектор интенсивности тензора разрушающего напряжения из эллипсоида интенсивности, отражающей совокупность вектора шарового тензора гидростатистического давления и вектора девиатора напряжений при угле между ними 90o и угле наклона элементов сдвига-отрыва = 90 обозначают Т*э-90. Коэффициент метоморфизма по Т.И. Берман - К*мм и коэффициент скорости деформаций - dV*, м/сек, при максимальном энергетическом угле * = 45*+0,5* по Е.З. Позину (Е.З. Позин "Сопротивление углей разрушению инструментом", М. , 1972, стр. 450); ширина пластической зоны - dn* при плоском напряженном состоянии (в метрах). Эти параметры в зависимости от d*сз определяют эталонное минимальное напряжение сдвига-отрыва по А.В. Берману, то есть
Далее определяют модуль динамической упругости по В. В. Присташу: E*g = 1,0555ОПC*2L, ГПa; спектральную плотность энергии поглощения при накоплении малоцикловой усталости по В.М. Берману: из.э = сд-о.этfсд-о.эт; ГПа/с; энергоемкость разрушения, формируемую релаксационно-модулируюшей инфрачастотой, по Р.М. Штейнцайгу, Г.Я. Воронкову и А.В. Берману:
(журнал "Открытые горные породы", 1999, стр. 65-68); спектральную плотность освобождаемой энергии в устье усталостной трещины по А.А. Гриффиту и Дж. Р. Ирвину, равную интегралу И.Р. Райса, то есть J1C-f = Hw.мвlпн, МДж/м2, и эталонную трещиностойкость стали
в момент Т0=0 установки изделия на эксплуатацию. На втором этапе, после определения эталонных параметров, определяют физико-механические параметры полностью деградироваиного металла стальных металлоконструкций с использованием табл. 1 и 2 и физических зависимостей, изложенных выше, при диаметре субзерна d*сз.д=0,043295 мм (см. табл. 2), т. е. при габаритном зерне деградированной структуры, по формуле d*з.д=6d*з. Для определения предела текучести т.д полностью деградированного металла стали используют зависимость т.д = kт-сдсд-о.д, где коэффициент перехода
а для определения относительного сужения су-д полностью деградированного металла стали используют зависимость су-д = эK-, где
при этом относительное удлинение уд-д = 0,2867794су-д = су-д/tgо.д.
Резонансы на ультразвуковой частоте и на других частотах, т.е. fузк.сз-д, fсд-о.д, fмр.д, fмс.д и fмв.д определяют по табл. 2. Расчет коэффициента трещиностойкости К1с-f.д выполняют по формуле
где д - динамическая вязкость деградированного металла;
из-д = - спектральная плотность энергии поглощения, ГПа/с;
lпн - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации, м (табл. 1). Указанные выше формулы основаны на том, что в момент полной деградации металла продольная скорость звука С*Lд уменьшается и становится равной поперечной скорости звука С*s.эт эталонного металла. Поэтому, зная величину С*s.эт= 0,637С*L по Г.М. Авчяну, можно определить и величину С*Lд=С*s.эт, м/с. Затем, на третьем этапе, т.е. в период эксплуатации механической системы, когда уже определены эталонные параметры и параметры на момент полной деградации металла, определяют физико-механические параметры при фиксированном времени эксплуатации, т.е. на момент замеров Тi, используя формулы второго этапа. В период эксплуатации экспериментально определяются следующие параметры на момент замеров:
fузк.сз.i - ультразвуковая частота излучения;
fсд-о.i - резонансная частота сдвига-отрыва, Гц;
fмр.i - релаксационно-модулирующая частота двойникования, Гц;
fмc.i - рекласационно-модулирующая частота скольжения винтовых дислокаций, Гц;
fмв.i - релаксационно-модулирующая инфрачастота, Гц. По этим параметрам, то есть с пятикратным дублированием по взаимосвязанным частотам, определяется величина субзерна d*сз.i на фиксированный момент времени эксплуатации Тi (по табл. 1), а по ней все физико-механические параметры металла по аналогичным формулам второго этапа способа (см. чертеж). Таким образом, изобретение содержит три этапа анализа исследований и расчетов, определяющих эталонные физико-механические параметры металла, аналогичные параметры на момент его полной деградации и на фиксированное время эксплуатации, т.е. на момент замеров. По окончании этих этапов исследований и расчетов прогноз остаточного ресурса определяют по формуле
где Ti - фиксированное время эксплуатации;
d*сз.i - диаметр субзерна на момент замеров;
d*сз.д - диаметр деградированного субзерна;
d*сз.э - диаметр эталонного субзерна. Полный ресурс Тр металла изделия равен
Tp = Tп+Ti.
Величина Tп может быть в месяцах, годах, циклах и т.п. в зависимости от размерности Тi. Ниже приведен пример расчета прогноза остаточного ресурса низколегированной конструкционной стали марки 16ГС для сварных металлоконструкций экскаваторов (вид поставки: прокат листовой толщиной 40 мм). Расчет производится в три этапа на основе сертификата завода-изготовителя и по формулам, изложенным выше. Данные расчетов сведены в табл. 3. Определив все необходимые параметры, по формуле определяем остаточный ресурс:
Для измерения различных частот могут быть использованы известные приборы, например "Шумомер-анализатор спектра SVAN-912АЕ" польской фирмы "Свантек", изготавливаемый по японской лицензии. Этот прибор воспринимает амплитуды в динамическом диапазоне 146 децибел конденсаторными микрофонами, например, типа SV-02-1/2 при чувствительности 50 мВ/Па при 200 В поляризационного напряжения, обеспечивая частотный диапазон 2 Гц-20 кГц, что удовлетворяет всем требованиям проведения прецензионных звуковых измерений. Возможно также использование шумомеров и виброанализаторов датской фирмы "Брюль и Кьер". Для более точного определения диаметра субзерна на момент замера в зависимости от спектра резонансных частот акустоэмиссионного излучения может быть использован график, показанный на чертеже. Из графика следует, что резонансы эталонного спектра смещаются по частоте (уменьшаются) на момент замера и далее смещаются (уменьшаются) до величины деградации, определяющей диаметр деградированного субзерна d*сз.д. Отождествляя участок от эталонных частот при времени эксплуатации, равном нулю, до времени Тi (время замера) с величиной изменения диаметра субзерна d*сз, прогнозируемое время остаточного ресурса от Тi до Тд (время остаточного ресурса) отождествляют с изменением от d*сз.i до d*сз.д, в результате чего определяют Tп, т.е. прогноз остаточного ресурса. Изобретение позволяет исключить повторные замеры и практиктически достоверно определить остаточный ресурс, что обеспечивает, с одной стороны, долговременный прогноз остаточного ресурса, с другой, своевременную подготовку к ремонту, ремонт и замену эксплуатируемой техники, предотвращает ее простои и повышает эффективность работы объекта.
Формула изобретения
где, d*сз.i - диаметр субзерна на момент замеров;
d*сз.д. - диаметр деградированного субзерна;
d*сз.э. - диаметр эталонного субзерна. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметр деградированного зерна d*з.э определяют по формуле
d*з.д. = 6 d*сз.э.,
где d*з.э - диаметр эталонного зерна. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей * определяют по формуле
где су - относительное сужение;
уд - относительное удлинение. 16o - угол трения адсорбировавшейся влаги в межзеренных протоках стали при рН 6-8;
диаметр эталонного зерна d*з.э. определяют по формуле
где в - временный предел прочности при растяжении;
т - предел текучести, а диаметр субзерна d*с.з. определяют из формулы
где fукз.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц;
С*др - скорость дрейфа тепловой энергии.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4