CC BY
118
The output of the model is made of scattered destruction for cold stamping isotropic metals on the basis of modern ideas about the physical nature of the phenomenon of destruction and deformable material. Using the experimental results evaluated the effectiveness of the results of the newly proposed prediction models and their comparison with the results of existing models and approximating functions plasticity chart.
Key words: failure criterion; cold sheet punching; indicator the state of stress; indicator of the stress state; plasticity chart.
Harseev Vitali Evgenyevich, postgraduate, harseevve@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State Engineering University (MAMI),
Petrov Pavel Alexandrovich,, candidate of technicale sciences, docent, head of chair, pulpit, harseevve@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State Engineering University (MAMI)
УДК. 681.518.5
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ МЕТАЛЛА ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН
В.И. Сероштан, Т.В. Гаах
Приведен обзор применения метода магнитной памяти металла для диагностирования сварных швов грузоподъемных машин. Доказана практическая целесообразность его применения на примерах контроля сварных образцов с известными дефектами и реальных металлических конструкций.
Ключевые слова: грузоподъемная машина, диагностирование, сварные швы, метод магнитной памяти.
В последние годы успешно применяется при диагностировании металлоконструкций энергетического оборудования метод магнитной памяти металла (МПМ), предложенный в 90-е годы ХХ века проф. А.А. Дубовым (ООО «Энергодиагностика») [1].
Физический смысл метода состоит в проявлении остаточной индукции и остаточной намагниченности в ферромагнитных конструкциях под действием магнитной нагрузки, находящихся в магнитном поле Земли. Это возможно, если энергия возникающей деформации должна превышать энергию внешнего магнитного поля Земли. Величина изменения напряженности собственных магнитных полей рассеяния (СМПР) отражает фактическое напряженно-деформированное состояние объекта диагностирования [2].
Метод МПМ, по мнению авторов, перспективен [3, 4] для предварительного диагностирования сварных металлоконструкций грузоподъемных машин (ГПМ). В настоящее время порядка 80 % процентов ГПМ отработали нормативные сроки службы. В этой связи необходимо своевременно и на качественно высоком уровне проведение оценки их технического состояния и установления их остаточного ресурса с целью определения долговечности. При этом важны поиск и определение в них источников возможных повреждений и разрушений. Такими источниками являются конструктивные и технологические дефекты в виде концентраторов напряжений, т.е. зон концентрации напряжений (ЗКН).
Анализ критичности различных дефектов сварных соединений [5] показал, что, например, в ряде случаев концентрация напряжений, вызванная формой стыкового шва, может быть более опасной, чем от выявленных внутренних дефектов в виде пор и включений. С другой стороны, дефекты в виде пор, включений, подрезов, отдельных несплавлений в сварных швах, как правило, работают как объёмные концентраторы напряжений, а непровары на значительной длине шва и форма шва - как плоские концентраторы напряжений.
Наиболее опасными являются случаи, когда концентраторы напряжений совпадают с максимальными напряжениями от рабочих нагрузок, так как основные разрушения сварных металлоконструкций, влияющие на их долговечность, происходят в ЗКН. Поэтому выявлению мест и характера дефектов металла и сварных соединений уделяется особое внимание. Для проведения таких работ применяют методы неразрушающего контроля (НК), а при необходимости методы разрушающего контроля.
В практике диагностирования сварных соединений получил практическое распространение ультразвуковой контроль основного металла и сварных швов. Однако этот метод в достаточной степени трудоемок и неоперативен для определения источников повреждений на ранней стадии их зарождения. В случаях, когда известны ЗКН, эффективно применение методов акустической эмиссии, оптического рефлектометрического и теплового контроля. Но в этих случаях требуется информация о зонах возможного источника возникновения усталостных повреждений и подготовка специальных контрольных площадок [5-9]. Таким образом, при предварительном диагностировании сварных соединений в качестве экспресс-метода может быть применен МПМ, позволяющий определять фактические ЗКН. Так как метод МПМ основан на регистрации и анализе СМПР, то магнитные поля рассеяния отображают необратимые изменения намагниченности в направлении действия главных напряжений от рабочих нагрузок, а также структурную и технологическую наследственность деталей и сварных соединений после их изготовления и охлаждения в магнитном поле Земли.
В современных условиях диагностирования ГПМ при их эксплуатации целесообразно применение малогабаритных облегченных приборов НК, что повышает безопасность и значительно упрощает выполнение высотных работ на металлоконструкциях ГПМ. Этому требованию в полной мере отвечают компактные и достаточно малые по массе приборы МПМ, что даёт возможность проводить неограниченные объемы диагностирования вплоть до стопроцентного охвата реальных конструкций в любых производственных условиях. Кроме того, нет необходимости в специальной подготовке контролируемой поверхности (зачистки, обезжириванию и т.п.), что упрощает и обеспечивает высокую производительность диагностирования. С помощью метода МПМ возможно определение ЗКН как в поле действующих нагрузок, так и после их снятия (определение остаточных напряжений). Также в процессе контроля возможно проявление заранее неизвестных ЗКН.
Эффективность процесса диагностирования с применением метода МПМ обеспечивается достаточной точностью измерений, возможностью формирования электронных баз данных, большой вероятностью безотказной работы приборов и визуализацией контроля в процессе измерения. Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что метод МПМ является перспективным как элемент совокупности методов комплексной оценки сварных соединений.
Наиболее ответственными и часто разрушаемыми сварными швами металлоконструкции, обеспечивающими надежность и долговечность эксплуатации ГПМ, являются стыковые односторонние швы со скосом двух кромок. Они сложны в конструктивном и технологическом аспектах, качество их в настоящее время зачастую определяется внешним осмотром, что не позволяет выявлять внутренние дефекты. В процессе сварки в этих швах вероятно возникновение непроваров, пор, трещин, подрезов, шлаков и несплавлений. Поэтому важно еще на стадии изготовления проводить оценку качества сварных соединений для предотвращения возникновения данных дефектов.
На кафедре «Детали машин и подъемно-транспортное оборудование» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана в порядке освоения метода МПМ и применяемого оборудования, а также соответствующего программного обеспечения были проведены испытания образцов сварных соединений со стыковыми односторонними швами с заранее предусмотренными при их изготовлении дефектами [10, 11]. При этом использовался измеритель концентрации напряжения ИКН-1М-4.
В качестве примера на рис. 1 представлены образцы сварных соединений, выполненных стыковым швом и внахлест с порами и подрезами по всей длине.
Сварка образцов производилась полуавтоматом в среде углекислого газа. Диагностирование осуществлялось сканированием феррозондовым преобразователем по трем каналам. Обработка полученных результатов производилась с помощью программного пакета «ММП-Система». В результате обработки магнитограмм, полученных при сканировании, были построены графики распределения составляющей магнитного поля (Нр) и градиентов напряженности (йН/йх). На рис. 2 представлены графики распределения напряженности и градиента на образце сварного шва №1.
Рис. 1. Образцы №1 и 2 сварных швов с порами и подрезами
О : К 15 И » Ж К М Я 55 Я) К 73 75 * Ю « К 1М И» НЕ 1И
О I 10 15 И 15 м М <4 я щ № ¡5 Ч Н бС К М Я 1« НК 1«
Рис.2. Графики распределения напряженности магнитных полей Нр и градиента йН/йх сварного шва образца №1
38
Наиболее напряженными явились зоны наличия внутренних пор в пределах от 0 до 10 мм, и в зоне наличия трещины в пределах от 55 до 75 мм. На рис. 3 представлены графики нормальной составляющей поля Нр и градиентов dH/dх на поверхности образца № 2.
( и ■:(|«аед»я«<5»я«мт»ч»м и к « ш » ш и щ
9 4 10 11 X И Л » « « Я И № и Я га » « » И НС (И 110 11* иб
Рис. 3. Графики распределения напряженности магнитных полей Нр и градиента йН/йх сварного шва образца №2
Сканирование проводилось по левому (Нр1), центральному (Нр2) и правому (Нр3) каналам. Кривая напряженности Нр3 пересекает нулевой уровень Нр в точке 85 мм. В этой же точке наблюдается скачок градиента dH/dх, что указывает на наличие дефекта в этом месте сварного шва.
Кроме испытаний образцов, были проведены пробные испытания фермы укладочного крана УК 25/9-18 [3]. На рис. 4 представлены результаты оценки состояния сварного шва металлоконструкции укладочного крана. Сканирование проводилось до нагружения (рис. 4, а) и после снятия нагрузки (рис. 4, б). При сканировании фермы до нагружения явных дефектов шва не обнаружено, кроме наблюдаемых на краях сварного шва скачков на графике интенсивности изменения поля Нр (градиента dH/dх), что свидетельствует о неоднородной структуре сварного шва на его концах.
После нагружения фермы наблюдалось увеличение абсолютного значения нормальной составляющей поля Нр, что свидетельствует о приросте намагниченности металла вследствие изменения его структуры под
действием на него статических нагрузок. Также обнаружено увеличение числа пиков градиента с!Н/с1х, что свидетельствует об изменении неоднородности структуры по сравнению с состоянием шва до нагружения. Увеличение числа пиков свидетельствует о наличии и развитии микродефектов, дальнейший рост которых может привести к образованию трещин. Такая же тенденция наблюдается и при анализе результатов диагностирования остальных швов фермы укладочного крана.
б
Рис. 4. Сравнительные графики распределения Нр и градиентов (¡Н/(1х сварного шва фермы крана до (а) и после (б) ее нагружения
В марте 2005 года ООО «Энергодиагностика» на производственной базе (г. Вязьма) проводилось диагностирование элементов стрелы укладочного крана с использованием метода МПМ с выявлением оценки ее напряженно-деформированного состояния [12]. Для количественной оценки качества сварного шва определялся коэффициент концентрации напряжений, который представляет собой градиент (интенсивность изменения) нормальной и тангенциальной составляющих собственных магнитных полей рассеяния.
На графиках распределения поля Нр и интенсивности его изменения dH/dх четко просматриваются ЗКН, проявившиеся в сварных швах накладок. Кроме того, на стреле выявлены пять ЗКН, наличие которых обусловлено эксплуатационными факторами.
Результаты диагностирования сварных швов образцов (рис. 2, 3) и стрелы укладочного крана (рис. 4) свидетельствуют о практической целесообразности применения метода МПМ для диагностирования металлических конструкций ГПМ. Возможность передачи данных на ПЭВМ обеспечивает объективную и адекватную обработку данных, что способствует созданию баз данных, в том числе о техническом состоянии ГПМ, на основе документирования результатов диагностирования.
Наряду с отмеченными практическими преимуществами и положительными аспектами метода МПМ [3-6, 10-14] отмечаются серьезные недостатки [13] в методологии анализа магнитограмм остаточного магнитного поля (ОМП). Оспаривается декларирование представления зон рассеяния единственно зонами концентрации механических напряжений (ЗКН). Такие зоны рассеяния напряженности образуются не только на концентраторах механических напряжений от дефектов. В связи с влиянием большого разнообразия факторов характер распределения магнитодоменной текстуры и уровень напряженности ОМП не имеют прямой зависимости и не повторяются. Это химсостав, класс стали (углеродистые, легированные), вид технологического передела (литье, прокатка, ковка, штамповка, сварка, гибка, вальцовка и др.), термообработка (закалка, нормализация, термоулучшение, т.в.ч), неоднородность по зеренному и фазовому составу, по геометрической и деформационной нестабильности, по физической дефектности и т.п.
Градиент напряженности не позволяет однозначно характеризовать реальное магнитное состояние металла, обезличивая концентраторы напряжений фазной природы. Магнитная память металла интегрально характеризует общую нестабильность собственного магнитного структурно деформированного состояния определенного участка металлического изделия. Поэтому объективность диагностических возможностей метода МПМ для дефектации металлоконструкций и ферромагнитного металла ограничена.
Главная проблема метода МПМ состоит в установлении, какая зона рассеяния (концентрации) напряженности ОМП соответствует зоне концентрации напряжений от дефектов несплошности металла.
Тем не менее, наряду с отмеченными замечаниями [13] отмечается позитивность метода МПМ в возможности определения потенциальных ЗКН на металлоконструкциях при условии конкретизации обнаруженных возможных источников повреждений другими локальными методами НК.
В этой связи интересен аспект сравнения методов МПМ и акустической эмиссии (АЭ) [15]. Сравнительные результаты испытаний образцов стали 20 на растяжение с использованием методов МПМ и АЭ выявили одинаковую энергетическую связь используемых магнитных и акустических параметров с механическими характеристиками металла (проделами прочности ов и текучести от). Выявлено преимущество метода МПМ по сравнению с методом АЭ в локализации на образце ЗКН еще на этапе до предела текучести (примерно 0,5...0,6) от). Из этого вытекает целесообразность взаимной дополняемости методов МПМ и АЭ.
Поэтому методом МПМ на раннем этапе (на уровне (0,5.0,6) от) предлагается выявлять зону максимальной концентрации напряжений и деформации, а затем в этой зоне устанавливать с точностью до 1 мм датчики АЭ для выявления мониторинга технического состояния объекта диагностирования и его остаточного ресурса.
Список литературы
1. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учеб. пособие / М.: ЗАО «Тиссо», 2008. 365 с.
2. Власов В.Т., Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла: учебное пособие М.: ООО «Энергодиагностика», 2007. 30 с.
3. Сероштан В.И., Хабаров В.Н., Шубин А.А. Перспективное направление в технической диагностике грузоподъемных машин // Известия ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. Вып.7. С. 177 - 187.
4. Селиверстов Г.В., Анцев В.Ю., Вобликова Ю.О. Построение оптимального алгоритма диагностирования крановых металлоконструкций // Строительные и дорожные машины. 2013. № 7. С. 23 - 24.
5. Сероштан В.И., Испирян Р. А. Неразрушающий контроль сварных соединений металлоконструкций грузоподъемных машин // Известия ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. Вып. 6. С.167 - 173.
6. Сероштан В.И., Гаах Т.В., Долгов К. А. Диагностирование металлоконструкции козлового крана с применением акустической эмиссии контроля // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Всероссийской научно-технической конференции. М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2014. т. 3. С.196 - 200.
7. Сорокин П.А., Селиверстов Г.В., Толоконников А.С. Перспективы применения методов оптической рефлектометрии для диагностирования металлоконструкций // Подъемно-транспортное дело. 2008. №2. С. 5 - 6.
8. Котельников В.В. Тепловой контроль технического состояния металлических конструкций с концентраторами напряжений // Подъемно-транспортное дело. 2008. №4. С. 5 - 8.
9. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Ковалева А.Е. Управление эксплуатацией грузоподъемных машин на основе процессного подхода // Подъемно-транспортное дело. 2012. № 1. С. 5-7.
10. Жоровков В.Л., Сероштан В.И., Шубин А.А. Техническая диагностика сварных швов с использованием метода магнитной памяти металла // Труды МГТУ №593 "Методы исследования и проектирования сложных технических систем". М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2006. С. 46-54.
11. Сероштан В.И., Жоровков В.Л. Определение повреждений сварных металлоконструкций подъемных сооружений методом магнитной памяти металла // Техническая диагностика и оценка остаточного ресурса грузоподъемных кранов: сборник статей. Екатеринбург: ЗАО УЭЦ, 2007. С. 116 - 128.
12. Отчет по результатам контроля элементов стрелы укладочного крана от 03.2005г., утвержденный генеральным директором ООО «Энергодиагностика» Дубовым А.А.
13. Демин Е.А. Возможности применения метода магнитной памяти металла для диагностирования металлоконструкций // Точная диагностика [Электронный ресурс]. UDL: http://td.ru/blogs/entry (дата обращения: 13.03.2015).
14. Романов Д.А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Разработка методики диагностики и расчета остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин методом магнитной памяти металла // материалы Международной научно-технической конференции. «Интерстроймех 2014». Самара, 2014. С. 246 - 249.
15. Дубов А. А., Семашко Н.А., Привалов В.Ю. Сравнительные результаты испытаний образцов из стали 20 на растяжение с использованием методов магнитной памяти металла и акустической эмиссии // Контроль. Диагностика. 2014. №10. С. 70 - 72.
Сероштан Владимир Иванович, канд. техн. наук, доц., swi77@yandex.ru, Россия, Калуга, Филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,
Гаах Татьяна Владимировна, магистр, tatusha_g@mail.ru, Россия, Калуга, Филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана
EXPERIENCE OF APPLICATION OF THE METHOD OF THE MAGNETIC MEMORY OF METAL TO DIAGNOSE LIFTING MACHINES
V.I. Seroshtan, T. V. Gaakh 43
Provides an overview of the application of the method of metal magnetic memory for diagnostics of welded joints of load-lifting machines. Proven practical usefulness of the examples of welded samples with known defects and real metal structures.
Key words: lifting machines, diagnosing, welds, magnetic memory method.
Seroshtan Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, swi77@yandex.ru, Russia, Kaluga, Kaluga branch of the Moscow Bauman State Technical university,
Gaah Tatyana Vladimirovna, master, tatusha g@,mail.ru, Russia, Kaluga, Kaluga branch of the Moscow Bauman State Technical university
УДК 539.3
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ОРТОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПАНЕЛЕЙ КОНИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК
О.В. Игнатьев, А.Н. Панин, А. А. Семенов
Проводится исследование прочности и устойчивости панелей конических оболочек из современных ортотропных материалов. Математическая модель деформирования конструкции представлена в виде функционала полной потенциальной энергии деформации с учетом поперечных сдвигов и ортотропии материала. К модели применены метод Ритца и методпродолжения решения по наилучшему параметру. По результатам проведенных расчетов конических панелей показана эффективность современных ортотропных материалов по сравнению с традиционными.
Ключевые слова: оболочки, конические панели, прочность, устойчивость, ор-тотропия
Введение
Наиболее широкое применение конические оболочки находят в авиационной технике и машиностроении, и их исследование важно для большого числа различных прикладных задач [1-4]. В области исследования устойчивости конических оболочек одной из первых была работа Х.М. Муштари [5]. Также здесь необходимо отметить вклад Н.А. Алумяэ, Э.И. Григолюка, А.В. Саченкова и др. В работе [6] задача устойчивости конических оболочек была сведена к отысканию собственных значений системы дифференциальных уравнений в частных производных с переменными коэффициентами и было показано, что решение необходимо искать приближенно.
Одним из применяемых ранее подходов к решению данной проблемы было сведение конической оболочки к цилиндрической. Радиус цилиндрической оболочки принимался как среднее между большим и малым ра-
