CC BY
17
УДК 621.643
Н. П. Дергунов, В. В. Габигер, В. С. Зорин
ОБ ИНДИВИДУАЛИЗИРОВАННЫХ МОДЕЛЯХ ДЕГРАДАЦИИ В ЭЛЕМЕНТАХ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Обеспечение надежности и безопасности эксплуатации горно-шахтного оборудования (ГШО) диктует необходимость оценки выработанного ресурса в опасных зонах конструктивных узлов и анализа скорости накопления повреждений в этих зонах в процессе эксплуатации. Эта проблема приобрела особое значение, поскольку преждевременный выход из строя узлов, которые определяют безопасность и надежность ГШО в целом, может привести к значительным материальным и моральным потерям, снятие же с эксплуатации машин, формально выработавших свой назначенный ресурс, но не исчерпавших свою фактическую долговечность, приводит к неоправданным дополнительным затратам [1]. Возникает все более актуальная проблема продления назначенного срока службы и ресурса. Эксплуатационные условия узлов характеризуются многопараметрическими воздействиями, взаимодействием с внешней средой (в том числе полей различной природы), приводяшими к развитию различных механизмов деградации начальных прочностных свойств конструкционных элементов и в конечно итоге исчерпанию ресурса конструктивных узлов ГШО. Процессы исчерпания ресурса являются многомерными, многостадийными, сильно нелинейными, взаимосвязанными и в значительной степени (чаще непосредственно) зависящими от конкретных условий изготовления и эксплуатации.
Как правилу под де1радаиией понимается совокупность всех процессов, ведущих к потере первоначальных прочностных свойств и снижению остаточного ресурса горно-шахтного оборудования (ГШО). Предлагаемые в настоящее время аналитические модели определения деградацион-ных и ресурсных показателей обычно учитывают некоторые отвлеченные или аппроксимирующие параметры (нормальный закон распределения наработок, интенсивности отказов, подчинение скорости износа линейной зависимости от наработки и др.), полученные обработкой некоторого статистического материала. По методу расчета на выносливость при регулярном и нерегулярном погружении [2) вводятся такие усредняющие понятия, как блок нагружения цикл нагружения. запас прочности, среднее напряжение цикла и т. п. Абстрактно предполагаются законы и плотности распределения амплитуд напряжений (закон Релея, экспоненциальный, нормальный). Обычным в
область
•OIMO* *
»»wx
скоростЫ mituca
У
Рис. 1. Схема процесса параметрического отказа ГШО
инженерной практике является расчет ресурса по линейной гипотезе суммирования повреждений, которая неадекватно включает историю нагружен ия Рассматривают также другие модели деградации сложных систем: на основе черного ящика и декомпозиции системы [3), кривых усталости для случайных спектров нагружения ¡4, 5].
Ммитэчиониа* модели функиноиирооаиия НПО
Миогомсрпая модели текущего юмоса у » ltx(l),
Текущее монома г имсскос описание ис'ории силоаык и кинема! ическнх факторов F(t). хСО с MUMCirr* начала paCovu
Рнс.2. Схема связи модели дефадации и накопления повреждений с функционированием ГШО: A'=(A'|, A'j... А'я) - вектор параметрических характеристик надежности, *=(*i. х2 • •• х„) вектор состояния системы; у ={уи у2.. уя) - вжтор скоростей деградации;
F "(F,, F2......i'\) - силовые воздействия на деградируемый узел; «=(05,, <ю2... Шу) •
состояние внешней среды и программа функционирования
Существуют решения подобных задач, которые сводятся к "стохастическому" моделированию, где состояние системы описывается обобщенной случайной функцией времени (наработки). Та^в рамках теории восстановления (одновременно протекающие процессы старения и восстановления (6)) обычно пытаются строить стохастичес<ую имитационную модель одновременно протекающих процессов старения и восстановления технической системы. Состояние системы как результат одновременно протекающих процессов ее старения (дефадации) и восстановления описывают (моделируют обобщенным показателем) случайной функцией времени, которую называют потенциалом работоспособности системы, зависящим от наработки. Свойства и особенности процесса старения конкретных типов систем определяют специально сконструированной функцией затухания (параметр дифференциального уравнения старения), а процесс восстановления моделируется в виде случайной последовательности ремонтных воздействий, распределенных по пуассо-новскому закону с некоторой интенсивностью. Каждое ремонтное воздействие моделируется как скачок потенциала работоспособности системы - переход с одной линии старения на другую с большим значением потенциала.
В таких способах определения поврежденности и остаточного ресурса получение фазовых координат характеристик состояния механической системы или интенсивности ее отказов практически неосуществимо по причине недостаточности статистического материала для построения адекватных вероятностных характеристик.
На настоящий момент наиболее перспективными являются методы и модели определения деградации механических систем и на базе этого - остаточного ресурса, широко привлекающие знания сложившихся естественных наук. И на основе этого построение интегрированной (включающей рассмотрение любых интересующих п - мерных векторов входа, возмущения и фазовых координат системы) модели текущей деградации и наког ления повреждений в элементах ГШО.
Существенный шаг в решении проблемы определения текущих накопленных повреждений сделан в предложенной В. Л. Колмогоровым "феноменологической модели", где учитываются такие явления, как упругость, пластичность, ползучесть, уменьшение поврежден ности при тепловом воздействии, а также начальная поврежденность материала |7|.
Мы принимаем (8-10) в качестве основного метода исследования сложных систем метод машинного эксперимента, базирующийся на использовании имитационных моделей. Специальные программы, обслуживающие модель, генерируют различные конкретные реализации входного сигнала х(0 (текущие нагрузки и внешние условия) моделируемой системы (ГШО) и строят в соответствии с введенным описанием системы (включая се начальное состояние - начальную поврежденность до эксплуатации) выходной сигнал у(1) (например, ресурсные показатели: текущие
деградация и уровень накопленных повреждений и прогноз их изменения во времени или системные показатели: надежность, риск). Далее идет обработка результатов с помощью специальных программ, отображающих отклик, характеризующий поведение исследуемой системы, например в виде гистограмм распределения. Система машинных программ также дополняется средствами, обеспечивающими интерактивный диалог ЭВМ с человеком. Схема процесса деградации и накопления повреждений в элементах горных машин показана на рис.1 и рис.2.
аь'пмим .»»■» кяь.1 люп^и
Форуировииис к|мггерк8
(МЛ.ПГ 1Ш.ОМШ11
Л>и«ци<1ч
ап\жи
Роундеьоиика -м-юнииы иикпидокюи ии.1с<|. ГШО(«. и|«мс1(1ми да |и.ич.и-) и ■мняпк услмим к шммпу акот«Н1М
Щри&ПКИ ЛИаГнисТМЧ№0ОЙ программы
ТУ"
Цсхтог пркрвиккмя Ни параметрам рамьиакХ'Щсйсм .■лекмпю« миле 1« и яопгстши
не&язкй
11рограммы>: и мемцио юритк «о« ■чилсйстяис Ремонты« »оикилъил Закомы распре.*-»««« ииаЛ*
Встреомми ■имчиая Гвкичасри«с«и1ис сиетп-м ИмкрстиирмгаАчжсг рсчонк-
Рис. 3. Схема получения текушей адекватной имитационной моле ли взаимодействия ГШО и внешних условий
Следует учесть, что в ряде случаев оказывается целесообразным дополнять машинный эксперимент натурным. Такое сочетание является важным направлением совершенствования процесса исследования деградации и накопления повреждений в элементах ГШО Таким образом, идет построение иного подхода к синтезу имитационной модели деградации и накопления повреждений, основанного на представлении вектора деградации элементов машин в пространстве состояния естественных технических характеристик функционирования ГШО. Такая модель при изменении целей использования или при смене режимов работы ГШО идентифицируется по фрагментам функционирования или по специальным экспериментам, далее проходит этап проверки на адекватность по уровню невязки реального и модельного функционирован ия и при необходимости корректируется. Схема построения текущей адекватной имитационной модели на базе объединения теоретических и экспериментальных знаний изображена на рис. 3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Боярских Г. А., Симисинов Д. И. Актуальные проблемы оптимизации предельного состояния горно-шахтного оборудования по критерию энергозатрат // Вестник энергосбережения: Межрегиональный научно-практический журнал. 2000. X» 2. (I!).
2. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т Т. 3: Колебания машин, конструкций и их элементов Ред. совет: В.И. Челомей (пред.); М.: Машиностроение, Под. ред. Ф. М. Диментберга и К. С. Колесникова. 1980 544 с
3. Самарин К). П. О проблемах деградации и катастроф в механических системах // Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте:Труды Международной конференции. Часть I. Самара: СГТУ, 1999. С. 3.
4. Ермишкин В. А., Овчинников И. Н. Расчет криьых усталости для случайных спектров нагру-жения. // Труды Международной конференции. Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте. Часть 1. Самара: СГТУ. 1999. С. 11 - 12.
5. Машиностроение: Энциклопедия / Ред. совет: К. В.Фролов (пред.) и др.: М.: Машиностроение. Т. 4-3: Надежность машин / В. В. Клюев, В. В. Болотин. Ф. Р. Соснин и др.: М.: Машиностроение. 1998
6. Ремонт автомобилей: Учебник для вузов /Л. В. Дехтеринекий и др.: Под ред. Л В. Дехгерин-ского. М.: Транспорт, 1992. 295 с.
7. Колмогоров В. Л., Мигачев Б А., Бурдуковский В. I". Феноменологическая модель накопления повреждений и разрушения при различных условиях нагружения. УрО РАН, 1994, 106с.
8. Дергунов Н. П. О современной теории надежности машин // Международьая конференция "Разрушение и мониторинг свойств металлов" 15-19 .05. 2001 г.: Тезисы докладов. Екатеринбург, 2001. С. 29 -35.
9. Дер! у нов Н. 11., 1 аоигер В. В., Сеьосгьинок А. Д., Чернышев Ь. И. Схема процесса с (¿рении (модель параметрического отказа) // Разрушение и мониторинг свойств металлов: Тезисы докл. Международной конференции. Екатеринбург: ИМАШ РАН, 2001. С. 25-28.
10. Дергунов Н. П., Габигер В. В., Шаманин А. П. Об индивидуализированных моделях деградации и катастроф в элементах механических систем // Разрушение и мониторинг свойств металлов: Тезисы докладов международной конференции С. 35 - 37. Екатеринбург, май 2001.
УДК 621.643
В. Л. Колмогоров, Н. П. Дергунов
РАЗВИТИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НЕФТЕПРОВОДОВ
Проблема надежности деталей машин и элементов конструкций стоит с давних пор. Однако, несмотря на развитие теории и методов расчета на прочность и долговечность, случаются неожиданные на первый взгляд разрушения, которые иногда приводят к катастрофам. Все это требует более точного прогнозирования ресурса прочности в зависимости от условий и режимов эксплуатации механических и природных систем. Известно, что деформирование или нагружение материалов этих систем всегда сопровождается нарушением их сплошности. Первоначально такие нарушения имеют вид скопления дислокаций. Но мере нагружения материала они развиваются, приобретают вид субмикропор и субмикротрещин: умножаются и увеличиваются по размеру до микродефектов. Эти микроскопические нарушения сплошности до поры до времени не лишают материал его несущей способности. Однако наступает момент исчерпания материалом способности нести нагрузку и тогда лавинообразно возникает макротрещина и происходи! собственно разрушение материала с потерей несущей способности всей системы. Из сказанного ясно, что точность прогноза ресурса прочности материала (исчерпания ресурса его прочности) определяется точностью моделей процесса постепенного накопления повреждений сплошности материала под воздействием нагрузки и конечно точностью прогноза самой нагрузки. В современной механике разрушения поврежденность сплошности материала характеризуется дополнительной фазовой координатой у. Расчетная поврежденность ц/ нормирована так. что материал до нагружения имел Ц1=0, а в момент макроразрушения ц/=/. Эта переменная связана обыкновенным дифференциальным уравнением, описывающим кинетику нарушения сплошности для различных случаев деформирования и нагружения металлов. Вид правой части уравнения установлен в работах урапьской научно-педагогической школы механики деформирования и разрушения [1] и представляет собой многомерную функцию, для различных технологических процессов инженерной пракгики многомерную регрессию всех значимых фазовых координат состояния металла и внешних условий нагружения, а также ошибок их измерения в экспериментах. Наряду с разрушением металла идет процесс восстановления ресурса пластических свойств металла. В основе этого восстановления лежат диффузионные процессы переноса вещества в микронссплошности. которые были названы поврежденностью. Чем выше температура и гидростатическое давление воздействия на материал, тем интенсивнее идет процесс «залечивания» поврсждснности. При построении описанной феноменологической модели накопления повреждений и разрушения при различных условиях наг ру-
