Исследование коррозионной усталости металлоконструкций грузоподъемных машин Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.873.001.891.54

Г.В. Селиверстов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-22-88, seliverstov_gw@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.С. Данилов, асп., (4872) 33-22-88, aavptm06@mail.ru (ТулГУ)

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Предложена схема построения моделей накопления усталостной поврежден-ности металлоконструкций грузоподъемных машян, взаямодействующих с агрессивными средами. Рассмотрена стадия зарождения усталостных трещин.

Ключевые слова: усталость, коррозионная усталость, адсорбционная усталость, коррозионный износ, моделирование.

Эксплуатация металлоконструкций грузоподъемных кранов часто осуществляется в условиях совместного воздействия деформаций (создается напряженное состояние в конструкции) и агрессивной среды. Эти процессы называются коррозионным растрескиванием (статические нагрузки) и коррозионной усталостью (циклические нагрузки).

Однако факты коррозионно-механического разрушения крановых металлоконструкций редки, основную их часть составляют случаи щелевой коррозии (преимущественно в ферменных металлоконструкциях), котора возникает в узких полостях различных соединений и приводит к возникновению распирающих усилий из-за увеличения объема окисленных слоев метала (скопление ржавчины), что, в частности, приводит к образованию трещин (рис. 1).

Рис. 1. Щелевая коррозия в ферменной металлоконструкции

В связи с этим возникает необходимость в уточнении совместного влияния коррозионно-активной среды и циклических нагрузок.

В процессе исследования авторами было выделено два основных фактора воздействия среды: явление адсорбционного понижения механических характеристик материала и снижение несущей способности металлоконструкции вследствие износа конструктивных элементов.

Адсорбционное воздействие среды на материал объясняется эффектом Ребиндера [1], оно первично и универсально для всех твердых тел. При совместном воздействии адсорбции среды и циклических напряжений происходит изменение усталостной прочности, что называется адсорбционной усталостью [2]. Следует отметить, что адсорбционное воздействие мгновенно и процесс снижения механических характеристик материла будет протекать до тех пор, пока есть контакт на границе материал - среда.

Коррозионный износ конструктивных элеменов наблюдается в течение всего жизненного цикла металлоконструкции. Чтобы оценить влияние коррозионного износа при циклических нагрузкх обратимся к типовой усталостной кривой (рис. 2а, б). Как видно, с течение времени т припоженна нагрузка не изменется, а следовательно, и возникающие в конструкции напряжения о также постоянны. Однако снижение несущей способности металлоконструкции в результате коррозионного износа приводит к увеличению напряжений при постоянной (в течение времени Т) нагрузке (рис. 2в, г). В связи с этим необходимо постоянно корректировать приложенные нагрузки, чтобы избежать превышения значений возникю-щих напряжений некоторой определенной величины.

Итак, на первом этапе исследования были выделены два первичных фактора воздействия агрессивной среды, влияющие на усталостные характеристики конструкций. В связи с этим возникает необходимость в прогнозировании данных процессов, например методом математического моделирования с помощью специальных параметров.

Представим уравнение накопления усталостной повреждаемости в общем виде:

^ = Ф(а, ю, т), (1)

ат

где ю - скорость накопления усталостной повреждаемости.

Для того чтобы учесть влияние агрессивной среды на процесс разрушения, необходимо использовать некий дополнительный параметр Б,

характеризующий воздействие агрессивной среды. Тогда

аТ- ю т)-/(). (2)

Рис. 2. Типовые усталостные кривые: а, б - «чистая» усталость; в, г-усталость с учетом первичных

факторов коррозии

Полученные ранее выражения позволяют характеризовать развитие первичных факторов воздействия среды [3]:

5 = 0,047

Ґ 0,056ф ґ

4,25 + 0,019Є

+ 24,38

1 -е ’

-0,0033С.

802

\\

(3)

где 5 - глубина деградации материала, мм; ф - относительна влажность воздух, %; С§о9 - концентрация агрессивных загрязнений, мг/м3,

X

^кор _ сгГ0 ехр

-0,085Сс

Р

т

1 -Т~Т0

X

0,0889е ^о2 +0,9129е-°,0001С8О2

V У

где аКОр - механическа характеристика материала подверженного воздействию среды, Па; от0 - предел текучести материала при температуре Т0 = 293 К; - характеристика материала; Т - температура окружающей среды, К.

В дальнейшем мы обратимся к модели, описывающей этап зарождения усталостных трещин на стадии рассеянной повреждаемости [4]:

(4)

N =_____— Г V_______^^__с1 1 -УпТ/ (5)

т г Г л да /Уш ’ ^

СЫ/п/ А— V /к0,5уи;

Ао

где Nт - число циклов на стадии рассеянной повреждаемости; С N и тс -параметры, определяемые физико-механическими свойствами материала;

/// = ©0 _ присутствующая до нагружения мера структурного повреждения; /пт - структурно поврежденный объем, обусловленный числом циклов нагружения п при переменном уровне действующей нагрузки; Уо,5уП - опасный объем, зависящий от величины максимальных напряжений —тах п, МПа; А—п - уровень повреждающих напряжений, МПа.

Мера накапливаемого усталостного повреждения

©пТ=/пт/ ■ (6)

/'0,5 уп

Уровень повреждающих напряжений

А—п = —тах п — —ИК , (7)

где —ик - предел выносливости МПа.

Из анализа выражения (7) были сделаны следующие предположения: агрессивна среда приводит к увеличению коррозионного износа, а следовательно, и к увеличению —тах, адсорбционное воздействие среды к снижению —ик, поэтому в целом будет происходить рост характеристики А—п :

Аап = —тах п Т ~—ЕК ^= А—п ТТ, (8)

где —тах п Т - увеличение максимальных напряжений в результате корро-

зионного износа конструкции; —ик ^ - снижение предела выносливости

как следствие адсорбционного воздействия среды; А— п ТТ - общий рост уровня повреждающих напряжений.

Относительно изменения меры накапливаемого усталостного повреждения с учетом коррозионного износа было сделано предположение, что максимально опасный объем повреждаемости ввиду уменьшения объема метала / будет снижаться, как следствие проявления масштабного эффекта. В результате скорость образования усталостной трещины увеличится, поскольку при коррозионной усталости наблюдается инверсия масштабного фактора, т.е. чем больше /0, а следовательно и /о 5уп, тем выше

стойкость конструкции (в отличие от случая «чистой» усталости):

©пт =пт/ =©пТ Т > (9)

//0,5 уп ^

С

где V),5уп і - снижение максимально опасного объема повреждаемости в

результате инверсии масштабного фактора.

Тогда обща схема динамики скорости потери телом сплошности на стадии рассеянной повреждаемости принимает следующий вид:

V

п

СЫ

\тс

1

^0,5уи

і

1-Т

(10)

->о

где Уп ТТТ - возрастание скорости потери телом сплошности (зарождения усталостной трещины) с учетом первичных факторов воздействия агрессивной среды.

Итак, первичные факторы коррозионного воздействия приводят к увеличению скорости образования усталостных трещин. Графически это представлено на рис.3.

На рис. 3 кривая 1 отражает период до зарождения усталостной трещины при постоянных во времени характеристиках («чиста» усталость), 2 - влияние масштабного фактора, 3 и 4 - совместное воздействие адсорбционной усталости, коррозионного износа и масштабного фактора согласно схеме (10).

1

Ресурс, %

Рис. 3. Зарождение усталостных трещин с учетом воздействия коррозии:

1- • ; 2 - ; 3 - ; 4- —**—

Таким образом, модель усталости (5) с учетом параметров повреж-денности (3) и (4) отражает процесс совместного воздействия коррозии и циклических нагрузок. Полученные в ходе исследования результаты опи-

сывают возможное развитие в металлоконструкциях грузоподъемных кранов коррозионной усталости.

Список литературы

1. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. М. : Наука, 1966. 128 с.

2. Карпенко Г.В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов. Киев. : Наукова Думка, 1976. 128 с.

3. Селиверстов Г.В., Данилов А.С. Влияние атмосферной коррозии на металлоконструкции машин // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 3. 2007. С. 81-88.

4. Сорокин П.А., ДроновВ.С., Селиверстов Г.В. Метод оценки остаточного ресурса несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов // Изв. ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины. 2001. С. 164-166.

G. Seliverstov, A. Danilov

The researching of corrosion fatigue of the hoisting machines metalwares The scheme of fatigue damageability accumulation of the hoisting machines metalwares interacting with hostile environments is offered.

Получено 07.04.09

УДК 621.873

В.В. Суглобов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (38-0629) 44-65-88, suglobov_v_v@pstu.edu (Украина, Мариуполь, ПГТУ),

В.А. Михеев, доц., (38-0629) 44-65-47, (Украина, Мариуполь, ПГТУ),

И.А. Нефедов, ст. преп., (38-0629) 44-66-84 (Украина, Мариуполь, ПГТУ), П.В. Шиков, инж.-конструктор 1 кат.

(Украина, Мариуполь, ОАО «ГСКТИ»)

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И РАСШИРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ МАШИН МОРСКИХ ПОРТОВ

Рассмотрены разработки кафедры подъемно-транспортных машин и деталей машин ПГТУ, направленные на повышение эксплуатационной надежности и расширение технологических возможностей перегрузочной техники Мариупольского морского торгового порта.

Ключевые слова: морской порт, перегрузочная машина, надежность, технологические возможности.

Особая роль в морских и речных портах отводится организации погрузочно-разгрузочных операций и перемещению грузов, поскольку доля таких операций в общей себестоимости выполнемых работ весьма значи-