Оценка остаточного ресурса металлоконструкций кранов мостового типа в вероятностном аспекте

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Оценка остаточного ресурса металлоконструкций кранов мостового типа в вероятностном аспекте

В.П. Коцубенко

Представлены результаты расчета остаточного ресурса металлоконструкции крана мостового типа. Предложен подход к оценке остаточного ресурса, дающий возможность прогноза деградации рассматриваемого сечения конструкции в результате усталостного и коррозионного повреждения.

Предлагаемый метод оценки остаточного ресурса металлической конструкции крана содержит следующие этапы:

Анализ технической и ремонтной документации на кран и результатов обследования металлоконструкции с использованием методов неразрушающего контроля.

Анализ режима нагружения элементов металлоконструкции крана и определение расчетно-экспериментальным путём эксплуатационных блоков нагруженности. кран металлоконструкция прочность остаточный

Оценка характеристик усталостной прочности рассматриваемых сечений металлоконструкции с учётом корректировки по данным технического диагностирования.

Обоснование применимости соответствующего механизма накопления усталостных повреждений в рассматриваемом сечении конструкции крана и выбор предельного состояния конструкции (в нашем случае под предельным состоянием понимается появление усталостной трещины).

Сопоставление данных по приведенным пунктам и обоснование применимости вероятностного метода оценки остаточного ресурса в соответствии с методическими указаниями [1].

В предлагаемом методе расчета остаточного ресурса металлоконструкций кранов рассматривается только случай многоцикловой усталости, а в качестве основного показателя остаточного ресурса принимается ресурс, задаваемый двумя величинами: наработкой и выраженной в процентах (или относительных долях) вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние конструкции не будет достигнуто.

На рис. 1 представлена схема определения остаточного ресурса металлоконструкции крана с учетом этапа живучести.

Рис. 1. Схема определения остаточного ресурса металлоконструкции крана

Q(t) - вероятность появления усталостной трещины в конструкции, l - длина усталостной трещины. В соответствии с РД 09-102-95 можно принять /Q(t)/ = 0,05.

В момент времени tэ проводится инструментальная оценка технического состояния конструкции (техническая диагностика) в соответствии с методическими указаниями [2] (согласно группе классификации крана). tp - время достижения расчетной долговечности.

Таким образом, согласно схеме (рис. 1), остаточный ресурс представляет собой разность между tp и tэ.

Предлагаемый нами метод даёт возможность рассчитать функцию долговечности (кривая 1 на рис. 1) в интервале времени tp - tэ.

Метод расчета базируется на учете постепенного снижения исходного предела выносливости конструкции в рассматриваемом сечении вследствие действия амплитуд напряжений, превышающих исходный предел выносливости. Кроме этого, по результатам неразрушающего контроля (ультразвуковая толщинометрия) представляется возможным внести коррективы в части уменьшения площади расчетного сечения и увеличения концентрации напряжения вследствие локального эффекта из-за коррозии внутренних полостей металлоконструкций крана. Алгоритм и пример расчета надёжности приведены ниже.

Фактически оценка остаточного ресурса по указанному предельному состоянию металлоконструкции крана основывается на прогнозировании процессов деградации рассматриваемого сечения конструкции в результате усталостного и коррозионного повреждения.

Использование этого метода для сварных рам тележек рефрижераторных вагонов и электровозов показало, что точность получаемых результатов по вероятности разрушения находится в пределах достигнутой в настоящее время точности вероятностных расчетов на прочность деталей машин.

Для принятия окончательного решения о возможности дальнейшей эксплуатации металлоконструкции крана на основе данных расчета остаточного ресурса можно воспользоваться консервативной схемой принятия решения, основанной на показателе относительного ресурса [6]:

N0 = N / Np .

Здесь N0 - показатель относительного ресурса; Np - расчетное число циклов нагружения; N - фактическая наработка в циклах нагружения.

Предполагается, что при N0 < 0,8 конструкция обладает достаточным остаточным ресурсом. Если выполняется условие 0,8 < N0 < 1, то конструкция находится вблизи границы области безопасности. При N0 > 1 рассматриваемая конструкция попадает в область ограниченной безопасности; в этом случае необходимо выполнить дополнительный расчет ресурса конструкции на стадии роста усталостной трещины (график 2 на рис. 1).

Сущность расчета ресурса конструкции на стадии роста усталостной трещины заключается в следующем.

Для оценки взаимосвязи между параметрами режима нагружения и скоростью развития трещины в сечении конструкции предлагается использовать известное уравнение Периса-Элбера (после предварительного обоснования применимости основных положений линейной механики разрушения для рассматриваемого сечения конструкции):

V = dl / dN = A (?Kэф)n,

где l - текущее значение длины усталостной трещины; ?Кэф = (уi max - уi) (р l) Y - размах коэффициента интенсивности напряжений; уi max - максимальное напряжение в i-м цикле; уi - эффективное минимальное напряжение в i-м цикле; Y - коэффициент К-тарировки, который получен по результатам натурных усталостных испытаний коробчатых сварных конструкций типа концевых и главных балок мостовых кранов из стали Ст.3; А, n - постоянные материала конструкции.

Экспериментальная зависимость Y = f(l) представлена на рис. 2.

Значения А и n были определены на основе корреляционных зависимостей между амплитудой напряжения и шагом усталостных бороздок на образцах, вырезанных из натурных конструкций после окончания усталостных испытаний. Как показывают результаты натурных испытаний коробчатых сварных конструкций, фронт трещины отличается зонами с различной шероховатостью: от сравнительно мягкой до грубой (на участках ускоренного развития трещины).

Рис. 2. Экспериментальная зависимость коэффициента К-тарировки от длины трещины

С учетом данных прямого эксперимента, ниже предложен алгоритм расчета скорости развития усталостной трещины в рассматриваемом сечении металлоконструкции крана.

вi = уimax - уi;

li = li-1 + ?li;

?li = ?Ni0,2(вi Yi)0,48;

?Kэфi = 1,77 вi Yi ?li;

Kэфi = Kэф(i-1) + ?Kэфi;

Vi = 7,899 • 10-9 (вi Yi)2,4 li1,2. (1)

По этим формулам получают значения скоростей развития трещин в зависимости от параметров режима нагружения конструкции. Интегрируя выражение (1) по длине трещины, получают функцию роста усталостной трещины:

l = f(N).

Отметим также, что точность расчета существенно зависит от точности исходных данных о нагруженности и усталостной прочности конструкции. Поэтому при их подготовке следует использовать результаты тех теоретических или экспериментальных исследований, которые дают наиболее достоверную информацию. Если достаточно точное определение параметров нагружения и усталостной прочности конструкции затруднительно, то необходимо выявить интервалы, в которых находятся их точные значения, и в этих интервалах исследовать влияние параметров на результаты расчета вероятности разрушения конструкции.

Рассмотрим подробно алгоритм расчета остаточного ресурса металлоконструкции крана в соответствии с методом ИМАШ (3-й расчетный случай). Число циклов нагружения ni напряжением уai

Ni = ti t нд ,

где нд - число циклов в блоке нагруженности (размер блока) в пределах принятой его длительности в единицах долговечности (за год эксплуатации, км. пробега и т.п.).

Соотношение i-й амплитуды напряжений и предела выносливости поврежденной детали у-1повi-1 после приложения (i-1)-й амплитуды напряжений, показывающее возможность накопления усталостных повреждений при действии уai (Х>1) или отсутствие повреждений (Х?1):

X = уai / у-1пов i-1 = np (уai / уa1) (у-1Dисх / у-1пов i-1).

При i = 1 у-1пов i-1 = у-1Dисх.

Предельный коэффициент нагруженности находится методом последовательных приближений. Начальное его значение nрн принимается в интервале 1..2.

Число циклов нагружения Ni до разрушения при действии напряжения уai

Ni = N0 (1/Х)m.

Предел выносливости поврежденной детали к моменту действия i-й ступени блока нагруженности

у-1пов i = у-1пов i-1 [1 - (ni/Ni) (X - 1) K],

где K - параметр, характеризующий интенсивность снижения предела выносливости вследствие действия перегрузок уai > у-1пов i-1.

Усталостное повреждение от действия i-й амплитуды напряжений, выраженное цикловым отношением:

Y = ni / Ni .

Если для заданной долговечности t на некоторой i-й ступени напряжения Х>1 и Y >1, то это означает, что разрушение для принятого значения nр происходит раньше долговечности t, (для поиска предельного коэффициента нагруженности np нужно уменьшить его начальное значение npн). Если на некоторой i-й ступени напряжения X < 1, то это означает, что накопление повреждений на этой ступени прекращается, разрушение в течение заданной долговечности t отсутствует (для поиска предельного коэффициента нагруженности np следует увеличить его начальное значение nрн).

Квантиль нормального распределения, соответствующий вероятности разрушения Q,

,

где с = np / n, n = уai / у-1Dисх - средний коэффициент нагруженности.

При сложном напряженном состоянии с компонентами у (нормальное напряжение) и ф (касательное напряжение) функция надежности может быть оценена по формуле (2). Предполагается, что долговечности tу и tф детали до разрушения при действии только нормальных (tу) и только касательных (tф) напряжений являются случайными некоррелированными величинами.

P(t) = P(tу) P(tф), (2)

где Р(tу), Р(tф) - вероятности неразрушения при действии только нормальных и только касательных напряжений соответственно.

Для оценки Р(tу) и Р(tф) требуется провести расчет дважды при соответствующих исходных данных по нормальным и касательным напряжениям.

Вероятность разрушения конструкции определяется по зависимости

Q(t) = I - P(t).

В соответствии с приведённым алгоритмом был выполнен расчет надежности балки моста крана (кривая 1 на рис.1) [7, с. 367 и 8, с. 89]. При этом нормативный срок службы кранов мостового типа для режимов А4, А5 принимался равным 25 лет [4].

у-1D = 74 МПа; = 0,15; у-1Dmin = 62,9 МПа; у-1Dmax = 85,1 МПа; N0 = 2•106; m = 6.

Отметим также, что значение величины у-1D, принятое нами для расчета, очень близко к приведенному в руководящем документе [3] с учетом коэффициента вариации (у-1D = 60 МПа).

Коэффициент интенсивности снижения предела выносливости примем К = 1,33 [5]. Блок нагруженности балки крана представлен в табл. 1.

Таблица 1

Этапы нагружения балки крана

Коэффициент вариации амплитуды напряжений каждой ступени блока нуа= 0,08. Результаты расчета по программе FATIGUE представлены в табл. 2 и на рис. 3.

Таблица 2

Результаты расчета вероятности появления трещины

Вероятность появления трещины Q(t) = 1 - P(t).

Рис. 3. Функция долговечности балки моста

Анализ результатов расчета позволяет сделать вывод о том, что уже после 12 лет эксплуатации вероятность появления усталостной трещины превышает допустимое значение с учетом реального рассеивания предела выносливости балки крана (линия 2 на рис. 3). По истечении данного срока эксплуатации возникает необходимость проведения экспертизы промышленной безопасности, включающей инструментальный анализ с последующим расчетом ресурса на стадии развития усталостной трещины в соответствии с алгоритмом методических указаний.

После анализа результатов расчета живучести конструкции (кривая 2 на рис. 1) принимается решение о дальнейшей её эксплуатации. Если результаты расчета Q(t) с учетом изменения у-1D по коэффициенту вариации превышают значение долговечности 25 лет, то рассчитывать живучесть нецелесообразно (линия 3 на рис. 3).

Список литературы

РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору РФ.

РД 10-112-5-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истёкшим сроком службы.

РД 24-112-5Р. Руководящий документ по оценке остаточного ресурса кранов мостового типа.

Краны мостовые электрические грузоподъемностью от 5 до 30т: техн. описание и инструкция по эксплуатации: 92.000.000 ТО. - 1994.

Когаев, В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев. - М., 1980.

Махутов, Н.А. Методические аспекты оценки остаточного ресурса оборудования потенциально опасных промышленных объектов / Н.А. Махутов // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - № 11.

Биргер, И.А. Расчет на прочность деталей машин / И.А. Биргер, Б.Ф. Шор, P.M. Шнейдерович. - М.: Наука, 1966.

Справочник по кранам / под ред. М.М. Гохберта. - М.: Наука, 1988. - Т. 1.

Размещено на Allbest.ru