Способ диагностики трещинообразования в металлоконструкциях
Владельцы патента RU 2384813:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТулГУ) (RU)
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля усталостных повреждений металлоконструкций, предельным состоянием которых является усталость или исчерпание трещиностойкости при длительной эксплуатации. Согласно изобретению способ диагностики трещинообразования в металлоконструкциях заключается в том, что определяют наиболее вероятные места разрушения металлоконструкции, подготавливают контрольные площадки в этих местах, исследуют поверхности контрольных площадок, по которым судят об образовании макротрещины при достижении ими своего максимального значения. Особенность способа заключается в том, что дополнительно исследуют профиль поверхности контрольных площадок вблизи концентратора напряжений перпендикулярно предполагаемому направлению развития трещины, на котором дополнительно проводят измерение среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости на выбранной базовой длине, изменение которого служит мерой степени поврежденности узла исследуемой металлоконструкции. Это повышает надежность контроля благодаря возможности наблюдения кинетики процесса накопления усталостного повреждения во времени. 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для диагностики деформаций, трещинообразования и прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкции до образования макротрещины в зонах концентрации напряжений, нагружение которых проходит в условиях циклического нагружения.
Известен способ диагностики работоспособности металлоконструкций (патент РФ №2170923, МПК 7 G01N 21/88, G01B 11/30, БИ №20, 2001), заключающийся в том, что на диагностируемой металлоконструкции определяют места наиболее вероятного разрушения. В наиболее вероятных местах разрушения подготавливают контрольные площадки - участки поверхности с высокой чистотой обработки (Ra=0,16…0,032 мкм). С помощью оптических датчиков проводят исследование изменений оптических свойств поверхности под действием циклического нагружения. Обнаружение и количественная оценка изменений оптических свойств поверхности контрольных площадок служат мерой степени усталостного повреждения исследуемой металлоконструкции. Недостатком способа является сложность технических средств и алгоритмов обработки сигнала для оценки изменений оптических свойств и влияние на достоверность контроля внешних засветок.
Наиболее близким является способ контроля трещинообразования металлоконструкций (патент РФ №2255327, МПК7 G01N 21/88, G01B 11/30, БИ N18, 2005) заключающийся в том, что на диагностируемой металлоконструкции определяют наиболее вероятные места разрушения металлоконструкции и подготавливают в них контрольные площадки. Подготовка контрольных площадок заключается в зачистке их поверхностей до шероховатости 0,32 мкм≥Ra>0,16 мкм. С помощью оптических датчиков проводят измерение зоны упругопластического деформирования. Регистрация и количественная оценка изменений линейных размеров зон упругопластического деформирования поверхности контрольных площадок служат мерой степени усталостного повреждения узла исследуемой металлоконструкции, а при достижении зоной своих максимальных размеров происходит образования макротрещины. Недостатком является ненадежность контроля, т.к. большая площадь контрольных площадок и слабая защищенность от световых засветок влияют на результат диагностирования.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности контроля.
Поставленная задача решается тем, что определяют наиболее вероятные места разрушения металлоконструкции, подготавливают контрольные площадки в наиболее вероятных местах ее разрушения, исследуют поверхности контрольных площадок, по которым судят об образовании макротрещины при достижении ими своего максимального значения. Исследуют профиль поверхности контрольных площадок вблизи концентратора напряжений перпендикулярно предполагаемому направлению развития трещины, на котором дополнительно проводят измерение среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости на выбранной базовой длине, изменение которого служат мерой степени поврежденности узла исследуемой металлоконструкции.
Регистрация и количественная оценка изменения среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины Ra служат мерой степени поврежденности узла исследуемой металлоконструкции. Образование макротрещины произойдет, когда Rа достигнет своего максимального значения.
На фиг.1 показан профиль поверхности до нагружения; на фиг.2 показан профиль поверхности после 100 тыс.циклов; на фиг.3 показан профиль поверхности после 150 тыс.циклов; на фиг.4 показан профиль поверхности после 200 тыс.циклов; на фиг.5 показаны профиль поверхности после 250 тыс.циклов и образование макротрещины. В таблице приведены значения Ra, полученные в результате испытания.
Способ заключается в следующем.
Для контролируемой металлоконструкции (например, металлоконструкции грузоподъемного крана) определяют каким-либо известным методом, например исследованием конечно-элементной модели (Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И.Мяченков, В.П.Мальцев, В.П.Майборода и др.; Под общ. ред. В.И.Мяченкова. - М.: Машиностроение, 1989 - 520 с.), наиболее вероятные места разрушения. Определив их количество (например, пять) и месторасположение, подготавливают контрольные площадки в зонах концентрации напряжений, определенных ранее наиболее вероятных мест разрушения. Исследуют профиль поверхности контрольных площадок вблизи концентратора напряжений перпендикулярно предполагаемому направлению развития трещины, на котором дополнительно проводят измерение среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости на выбранной базовой длине, изменение которого служат мерой степени поврежденности узла исследуемой металлоконструкции.
Подготовка контрольных площадок заключается в зачистке выбранной области до среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости Ra=0,16 мкм.
Для определения параметра шероховатости поверхности контрольных площадок контактным методом используют известные контактные профилографы-профилометры (например, TR200).
Мерой степени усталостного повреждения исследуемой металлоконструкции служит количественная оценка среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины Ra.
Образование макротрещины произойдет, когда параметр Ra достигнет своего максимального значения.
Пример. На лабораторных плоских образцах из Ст 3сп с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля при теоретическом коэффициенте концентрации напряжений ασ=5,73 в условиях циклического растяжения с асимметрией цикла А=σmin/σmax = 0,2 (σmin - минимальное напряжение в образце за цикл, σmax - максимальное напряжение в образце за цикл) моделировали условия работы нижнего пояса мостового крана грузоподъемностью 32/5 т, пролетом 28,5 м, группы режима 5К. Образец испытывали при напряжении σmax=150 МПа, отвечающем расчетным напряжениям в нижнем поясе крана.
Поверхность испытываемых образцов в районе концентратора напряжений перед испытанием полировалась до величины среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости Ra=0,16 мкм.
Базовое число циклов нагружения каждого испытываемого образца составит Nб=5·106 в соответствии с регламентом для групп режима кранов по ГОСТ 25546/ИСО 4301. Для определения среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины Rа использовали контактный профилограф-профилометр TR200.
Число циклов нагружения для первой контрольной проверки составило 100 тыс.циклов. Последующие проверки выполнялись через 50 тыс.циклов в соответствии с регламентом для групп режима кранов по ГОСТ 25546/ИСО 4301. На фиг.1 показан профиль поверхности до нагружения. На фиг.2-5 показаны профили поверхности через 100 тыс.циклов, 150 тыс.циклов, 200 тыс.циклов и 250 тыс.циклов соответственно.
Результаты замеров среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости Ra сведены в таблицу.
Анализируя полученные данные можно судить о том, что данное изобретение позволяет отслеживать кинетику накопления поврежденности на контрольной площадке, прогнозировать остаточный ресурс и определять момент образования макротрещины. Предложенный способ может применяться для автоматизированной диагностики трещинообразования и деформаций металлоконструкций, работающих в условиях циклического нагружения и имеющих концентраторы напряжений (такие, как сварные швы, заклепки, отверстия, подрезы и т.п.).
| Таблица | ||||
| 0 | 100 | 150 | 200 | 250 |
| тыс.циклов | тыс.циклов | тыс.циклов | тыс.циклов | тыс.циклов |
| Ra, мкм | Ra, мкм | Ra, мкм | Ra, мкм | Ra, мкм |
| 0,16 | 0,58 | 0,72 | 1,7 | 2,1 |
| Профиль поверхности до нагружения, фиг.1 |
Увеличение микронеровностей, фиг.2 | Увеличение микронеровностей, фиг.3 | Увеличение микронеровностей, фиг.4 | Максимальное увеличение микронеровностей и образование макротрещины, фиг.5 |
Способ диагностики трещинообразования в металлоконструкциях, заключающийся в том, что определяют наиболее вероятные места разрушения металлоконструкции, подготавливают контрольные площадки в наиболее вероятных местах ее разрушения, исследуют поверхности контрольных площадок, по которым судят об образовании макротрещины при достижении ими своего максимального значения, отличающийся тем, что дополнительно исследуют профиль поверхности контрольных площадок вблизи концентратора напряжений перпендикулярно предполагаемому направлению развития трещины, на котором дополнительно проводят измерение среднего арифметического из абсолютных значений отклонений профиля параметра шероховатости на выбранной базовой длине, изменение которого служит мерой степени поврежденности узла исследуемой металлоконструкции.
