Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ПРОГНОЗА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
СПОСОБ ПРОГНОЗА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

СПОСОБ ПРОГНОЗА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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 ΔTп по определенной формуле, включающей фиксированное время эксплуатации и величины диаметров субзерна металла. 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2193772
Класс(ы) патента: G01N29/14, G01N3/32, G01N29/00
Номер заявки: 2001105893/28
Дата подачи заявки: 05.03.2001
Дата публикации: 27.11.2002
Заявитель(и): Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Геотехпрогресс"
Автор(ы): Берман А.В.; Берман Д.В.; Артеменко А.И.; Шахмейстер Ю.Л.; Воронцова И.А.; Берман О.А.; Штейнцайг Р.М.; Хаспеков П.Р.
Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Геотехпрогресс"
Описание изобретения: 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=6•d*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 ΔTп 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 ρ* может быть определен по формуле

где ψсу - относительное сужение;
δуд - 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 σв - временнoй предел прочности при растяжении;
σт - предел текучести,
а диаметр субзерна d* 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=6•d*з.э,
а при фиксированном времени эксплуатации Тi механической системы, то есть на момент замеров, определяют остаточный ресурс ΔTп по формуле

Кроме того, угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ* 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 - σв, МПа; предел текучести - σт, МПа; относительное удлинение - δуд,%; относительное сужение - ψсу,%; объемная плотность - ρоп, кг/м3, и продольная скорость звука - С*L, м/сек.
Угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ* 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* 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 ρ*):
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 μэт по формуле
μэт = 0,499•l*•ρОП•C*i, МПa•c,
где l* - длина магистральной трещины в конце ее ускоренного развития по Пэрису-Лейбову Б.М. определяется по формуле

где σ*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 α = 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 ϕ = 90° обозначают Т*э-90.
Коэффициент метоморфизма по Т.И. Берман - К*мм и коэффициент скорости деформаций - dV*, м/сек, при максимальном энергетическом угле α* = 45*+0,5ρ* 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•ρОП•C*2L, ГПa; спектральную плотность энергии поглощения при накоплении малоцикловой усталости по В.М. Берману: ωиз.э = τсд-о.эт•fсд-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.мв•lпн, 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=6•d*з.
Для определения предела текучести σт.д полностью деградированного металла стали используют зависимость σт.д = kт-сд•τсд-о.д, где коэффициент перехода

а для определения относительного сужения ψсу-д полностью деградированного металла стали используют зависимость ψсу-д = ψэ•Kμ-ψ, где

при этом относительное удлинение δуд-д = 0,2867794•ψсу-д = ψсу-д/tgρо.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 μд - динамическая вязкость деградированного металла;
ωиз-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* уменьшается и становится равной поперечной скорости звука С*s.эт эталонного металла. Поэтому, зная величину С*s.эт= 0,637•С*L по Г.М. Авчяну, можно определить и величину С*=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 = ΔTп+Ti.
Величина ΔTп 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 ΔTп, 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: 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 Тi, а затем определяют остаточный ресурс ΔTп 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 ρ* определяют по формуле

где ψсу - относительное сужение;
δуд - 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 σв - временный предел прочности при растяжении;
σт - 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.