CC BY
8
УДК 53.082
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-60-63
РАЗРАБОТКА РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СТАЛЬНЫХ ТРОСОВ МЕТОДОМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
И.В. Меркурьев, В.Е. Хроматов
Рассмотрены вопросы проектирования нового робототехнического комплекса, предназначенного для автоматизированного проведения исследования технического состояния, дефектов, износа и несущей способности стальных тросов шахтного оборудования в труднодоступных и опасных для персонала местах. Разработанные новые схемотехнические решения и математические модели робототехнического комплекса описывают автоматически управляемое движение при выполнении технологических процедур неразрушающего контроля стальных тросов с использованием дефектоскопа компании Интрон. Исследована точность выполнения задач дефектоскопии с учетом динамики исполнительных и измерительных систем комплекса.
Ключевые слова: контроль технического состояния, магнитная и вихретоковая дефектоскопия, робот, гидропривод, проектирование.
Разработка математических методов прогнозирования состояния сложных технических систем является актуальной задачей научных исследований, решение которой позволяет обеспечить безопасность функционирования производства. Необходимость контроля технического состояния стального тросового оборудования связана с повышенными требованиями к безопасности эксплуатации на протяжении длительного периода в изменяющихся условиях функционирования. Оценку прочности конструкционного материала выполняют на всех этапах жизненного цикла: при входном контроле, в процессе изготовления, на готовом изделии, а также в ходе эксплуатации и после ремонта. При этом оценивают наличие дефектов конструкционного материала, поперечное сечение и несущую способность. Методы и технические средства для контролирования физическо-механических свойств конструкционных материалов основаны на различных физических принципах. В настоящее время успешно применяются акустический, виброакустический, вихретоковый, магнитный, радиационный, радиоволновой, тепловой, электрический и др. методы неразрушающего контроля, детально описанные в [1]. Достаточно подробное решение задач диагностики с использованием оборудования магнитной и вихретоковой дефектоскопии представлено в работах [2-4]. Системы периодического и непрерывного мониторинга состояния дают возможность сократить расходы на техническое обслуживание и проверки, обеспечивая при этом повышенную безопасность функционирования. В измерительную часть системы мониторинга технического состояния включаются прецизионные диагностические датчики, особенностью которых является высокая степень интеграции механических чувствительных элементов с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами управления [5-7]. Например, в работе [5] представлена методика оценки технического состояния железобетонных мостов и сооружений, построенная на применении прецизионных акселерометров, измеряющих линейное ускорение и вибрации основания в направлении осей чувствительности акселерометра. Применение вибрационных датчиков, акселерометров и наклономеров для оценки состояния строительных сооружений хорошо известно [6, 7]. По их показаниям производят расчет спектральных плотностей вибрационных процессов и находят частоты основных форм колебаний конструкции, а также определяют угловые подвижки сооружения в процессе эксплуатации. Фильтрация сигналов акселерометра позволяет не только зафиксировать ударный обрыв арматуры внутри железобетонной конструкции, но медленное изменение малых геометрических отклонений несущих элементов от расчетных значений [5].
Основной целью создания автоматизированного робототехнического комплекса для периодического мониторинга технического состояния тросового оборудования является увеличение безопасности эксплуатации основного шахтного, бурового, сталеплавильного подъемного оборудования. Для диагностирования каната реализован магнитный вид неразрушаю-щего контроля [8]. Дефектоскоп применяют при периодическом мониторинге технического состояния стального каната, подверженного эксплуатационным, механическим, термическим и климатическим воздействиям в процессе эксплуатации. В целях автоматизации технологиче-
60
Системный анализ, управление и обработка информации
ских процессов диагностики предложена конструкция робототехнического комплекса, представляющая собой управляемое многозвенное устройство для автоматического подведения и монтажа магнитных головок дефектоскопа на стальном тросе. Периодический мониторинг технического состояния стальных тросов осуществляется в заданных условиях эксплуатации без непосредственного участия специалистов по неразрушающему контролю. Экономический эффект достигается за счет предотвращения аварийных ситуаций, сокращения время простоя, автоматизации технологических процессов диагностики и дистанционного управления робото-техническим комплексом. Робототехнический комплекс представляет собой автономную многозвенную платформу с силовой и измерительной частями, интегрированными с бортовой вычислительной системой для выполнения заранее определенного набора технологических задач в изменяющихся условиях функционирования.
Обеспечение автоматического поиска троса в условиях его произвольного перемещение в пределах габаритов люка с последующим захватом и гарантированным зазором между поверхностями корпуса головок и тросом осуществляется в результате единого управляемого и синхронного движения обоих блоков прибора. Отличительной особенностью разработанного прототипа является разгрузка системы управления от ударных воздействий на дефектоскоп со стороны движущегося стального троса из-за случайных и систематических колебаний троса и возможных обрывов витых проволок троса. Принцип функционирования при штатной работе основан на свойстве передней стойки самолетного шасси парировать интенсивные колебания при внешнем взаимодействии и поддерживать заданное положение и движение. В системе предусматриваются два гидроцилиндра, обеспечивающих выдвижение магнитных головок дефектоскопа и смыкании их вокруг стального троса. Кожух позволяет защитить гидроцилиндры от угольной пыли и грязи. Технологический цикл работы системы характеризуется жёсткой логикой последовательно выполняемых движений, что позволяет использовать гидроприводную систему цикловой автоматики. Робототехнический комплекс обеспечивает автоматическое подведение двух магнитных головок дефектоскопа к стальному тросу, имеющему возможность произвольно перемещаться в пределах люка, располагать данные головки друг напротив друга и удерживать их в таком положении в процессе измерений. По окончании измерений магнитные головки автоматически отводятся от троса и размещаются в технологических нишах объекта. После получения нескольких схемотехнических решений, общей логики работы и вариантов конструкции робототехнического комплекса на следующем этапе работы проведен расчет тягово-скоростных характеристик системы и оценки энергозатрат, необходимых для осуществления движения. Для этой цели построена математическая модель динамики робототех-нического комплекса. Полученная математическая модель и диаграмма нагрузки позволили аналитически рассчитать массогабаритные, энергетические и динамические характеристики робототехнического комплекса.
Разработана новая математическая модель робототехнического комплекса и предложены конкурсные варианты схемотехнических решений для гидроприводной части системы при выполнении технологических процедур дефектоскопии. Найдено программное движение и управление движением звеньев комплекса. Проведено численное и полунатурное моделирование движения робота для закрепления магнитного дефектоскопа на стальном канате.
Работа выполнена в рамках проекта «Разработка прототипа нового автономного мобильного робота для решения задач мониторинга технического состояния тросового оборудования» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программ научных исследований «Технологии индустрии 4.0 для промышленности и робототехника» в 2020-2022 гг.
Список литературы
1.Матлин М.М., Мозгунова А.И., Казанкина Е.Н., Казанкин В.А. Методы неразруша-ющего контроля прочностных свойств деталей машин. Изд-во "Инновационное машиностроение", Москва, 2019, 247с.
2.Волоховский В.Ю., Воронцов А.Н., Сухоруков Д.В., Рудяк А.Р. Магнитная дефектоскопия - эффективный инструмент мониторинга технического состояния проводов и грозотро-сов воздушных линий электропередачи // Электрические станции. 2019. № 12 (1061). С. 28-37.
3.Волоховский В.Ю., Воронцов А.Н., Шпаков И.И., Гончаров В.В. Анализ эксплуатационной надежности грузовых канатов заливочных кранов сталеплавильного производства // Безопасность труда в промышленности. 2020. № 5. С. 7-16.
61
4.Слесарев Д.А., Потехин О.П., Шпаков И.И., Волоховский В.Ю., Воронцов А.Н. Мониторинг технического состояния талевых канатов буровых установок эксплуатационного и разведочного бурения нефтяных и газовых скважин: технология, эффективность, перспективы // Безопасность труда в промышленности. 2018. № 6. С. 13-22.
5.Коновалов С.Ф., Майоров Д.В., Пономарев Ю.А. Опыт применения системы мониторинга строительных сооружений, использующей компенсационные кварцевые акселерометры// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2015. № 4. С. 28-38.
6. Konovalov S., Mayorov D., Ponomarev Y., Soloveva T. High-precision smart system on accelerometers and inclinometers for Structural Health Monitoring: development and applications // Proceedings - 2018 12th France-Japan and 10th Europe- Asia Congress on Mechatronics, Mecatronics 2018 (Tsu, Mie, Japan, 8-10 September, 2018). USA: IEEE. P. 52-57.
7. Mita A., Hirai K., Ozawa S. Design strategy of Structural health monitoring system consisting of four sensors for tall buildings // 8th European Workshop on SHM, EWSHM 2016 (Bilbao), P. 2643-2650.
8. Slesarev, D. Defect identification based on wavelet decomposition for MFL nondestructive inspection of steel plates // Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring, 2021, 63(3). P. 146-150.
Меркурьев Игорь Владимирович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, MerkuryevIV@mpei.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ»,
Хроматов Василий Ефимович, канд. техн. наук, профессор, KhromatovVY@mpei.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ»
DEVELOPMENT OF A ROBOTECHNICAL COMPLEX FOR DIAGNOSTICS OF STEEL CABLES BY THE METHOD OF NON-DESTRUCTIVE CONTROL
I.V. Merkuriev, V.E. Khromatov
The design issues of a new robotic complex intended for automated research of the technical condition, defects, wear and bearing capacity of steel cables of mine equipment in hard-to-reach and dangerous places for personnel, are сonsidered. The developed new circuit solutions and mathematical models of the robotic complex describe the automatically controlled movement when performing technological procedures for non-destructive testing of steel cables using an Intron flaw detector. The accuracy ofperforming flaw detection tasks has been investigated taking into account the dynamics of the executive and measuring systems of the complex.
Key words: technical condition control, magnetic and eddy current flaw detection, robot, hydraulic drive, design.
Merkuriev Igor Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, MerkuryevIV@mpei.ru, Russia, Moscow, National Research University «MPEI»,
Khromatov Vasily Efimovich, candidate of technical sciences, professor, Khroma-tovVY@mpei. ru, Russia, Moscow, National Research University «MPEI»
