способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций

Формула изобретения

1. Способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем, например горных машин, посредством неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающий определение спектральной плотности и эталонных физико-механических параметров стали, в том числе временного предела прочности при растяжении, предела текучести, относительного удлинения и сужения, угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей, отличающийся тем, что дополнительно 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, а также все указанные физико-механические параметры на момент полной деградации металла и на момент замера Т_i, а затем определяют остаточный ресурс T_п по формуле



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.

16^o - 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 f_укз.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц;

С*_др - скорость дрейфа тепловой энергии.

Описание изобретения к патенту

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 T_i механической системы, то есть на момент замеров, определяют остаточный ресурс T_п 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;

16^o - 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 f_узк.-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 Т_i механической системы, то есть на момент замеров, определяют остаточный ресурс T_п 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 Т_i;

8 - полный ресурс Т_р.

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 16^o - 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;

f_узк.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц (ультразвуковые колебания);

f_сд-о - отклик частоты сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц (колебания сдвига-отрыва);

f_мр - отклик модулирующей релаксационной частоты колебаний двойникования в диапазоне 434-82 кГц;

f_мс - отклик модулирующей релаксационной частоты колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,82 Гц;

f_мв - модулирующая релаксационная инфрачастота в диапазоне 4,6-4,2 Гц;

l_пн - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации, м.

Величина f_узк.-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 R_p* 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 90^o 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 = 1,0555_ОПC^*2_L, ГПa; спектральную плотность энергии поглощения при накоплении малоцикловой усталости по В.М. Берману: _из.э = _сд-о.этf_сд-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 J_1C-f = H_w.мвl_пн, 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 = k_{т-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 = 0,2867794_су-д = _су-д/tg_о.д.

Резонансы на ультразвуковой частоте и на других частотах, т.е. f_{узк.сз-д}, f_сд-о.д, f_мр.д, f_мс.д и f_мв.д определяют по табл. 2.

Расчет коэффициента трещиностойкости К_1с-f.д выполняют по формуле



где _д - динамическая вязкость деградированного металла;

_{из-д =} - спектральная плотность энергии поглощения, ГПа/с;

l_пн - 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 Т_i, используя формулы второго этапа.

В период эксплуатации экспериментально определяются следующие параметры на момент замеров:

f_{узк.сз.i} - ультразвуковая частота излучения;

f_сд-о.i - резонансная частота сдвига-отрыва, Гц;

f_мр.i - релаксационно-модулирующая частота двойникования, Гц;

f_мc.i - рекласационно-модулирующая частота скольжения винтовых дислокаций, Гц;

f_мв.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 Т_i (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 T_i - 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 Т_р металла изделия равен

T_p = T_п+T_i.

Величина T_п может быть в месяцах, годах, циклах и т.п. в зависимости от размерности Т_i.

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 Т_i (время замера) с величиной изменения диаметра субзерна d*_сз, прогнозируемое время остаточного ресурса от Т_i до Т_д (время остаточного ресурса) отождествляют с изменением от d*_сз.i до d*_сз.д, в результате чего определяют T_п, 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.