СПОСОБ ПРОГНОЗА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01N29/14 G01N3/32 G01N29/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля стальных металлоконструкций посредством анализа откликов акустоэмиссионного излучения металла механических систем для прогноза остаточного ресурса, в том числе горных машин.

Известен способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем, в том числе горных машин, с использованием неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающий определение спектральной плотности эталонных сигналов, сравниваемых со спектральной плотностью сигналов на момент замеров (см., например, патент РФ 1237915, кл. G 01 N 29/10, опубл. 1986 г.).

Недостатком этого решения является необходимость эталонных спектров на все имеющиеся элементы механических систем, выполненные из разных марок металла, на различные сварные соединения, а также их спектры деградации, что практически невозможно.

Наиболее близким аналогом к техническому решению - прототипом является способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем посредством неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающий определение спектральной плотности и эталонных физико-механических параметров металла, в том числе временного предела прочности при растяжении, предела текучести относительного удлинения и сужения, угла трения (см. патент РФ 2020476, кл. G 01 N 29/14, опубл. 1994 г.).

Существенным недостатком этого известного решения является то, что анализ прогноза требует периодических повторных замеров, например через месяц, год и т.п., заменяя тем самым эталонные параметры текущими, определенными в предыдущий замер. Это обусловлено особенностями процесса эксплуатации металлоконструкций многих механических систем, например горных машин, которые, обычно, подвергаются ремонту без фиксации времени начала эксплуатации, ремонтной марки металла, углеродного эквивалента использованных электродов и др. параметров.

Задачей изобретения является обеспечение возможности прогноза остаточного ресурса без проведения периодически повторных замеров параметров, что позволяет заранее наметить сроки ремонта или замены изношенной техники и обеспечить непрерывную и эффективную работу объекта.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем, в том числе горных машин, посредством неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающем определение спектральной плотности и эталонных физико-механических параметров металла, в том числе временного предела прочности при растяжении, предела текучести, относительного удлинения и сужения, угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей, дополнительно определяют спектры следующих резонансов на пяти диапазонах частот отклика акустоэмиссионного излучения: ультразвуковых колебаний субзерна в диапазоне 62,7-19,1 кГц, колебаний сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц, модулирующих релаксационных колебаний двойникования в диапазоне 434-82 Гц, модулирующих релаксационных колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,85 Гц и модулирующих релаксационных колебаний инфрачастоты в диапазоне 4,6-4,2 Гц для определения и анализа физико-механических параметров на момент начала эксплуатации, момент замера и на момент полной деградации металла, причем диаметр деградированного зерна d*_з.д определяют по формуле
d*_з.д=6•d*_з.э,
где d*_з.э - диаметр эталонного зерна;
а при фиксированном времени эксплуатации T_i механической системы, то есть на момент замеров, определяют остаточный ресурс ΔT_п по формуле

где d*_сз.i - диаметр субзерна на момент замеров;
d*_сз.д - диаметр деградированного субзерна;
d*_сз.э - диаметр эталонного субзерна.

Кроме того, угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^* может быть определен по формуле

где ψ_су - относительное сужение;
δ_уд - относительное удлинение;
16^o - угол трения адсорбировавшейся влаги в межзеренных протоках стали при рН 6-8;
диаметр эталонного зерна d*_з.э определяют по формуле

где σ_в - временнoй предел прочности при растяжении;
σ_т - предел текучести,
а диаметр субзерна d*_cз определяют из формулы

где f_узк.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц;
С*_др - скорость дрейфа тепловой энергии.

По сравнению с прототипом ( 2020476) изобретение содержит отличительные признаки, заключающиеся в том, что дополнительно определяют спектры следующих резонансов на пяти диапазонах частот отклика акустоэмиссионного излучения: ультразвуковых колебаний субзерна в диапазоне 62,7-19,1 кГц, колебаний сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц, модулирующих релаксационных колебаний двойникования в диапазоне 434-82 Гц, модулирующих релаксационных колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,85 Гц и модулирующих релаксационных колебаний инфрачастоты в диапазоне 4,6-4,2 Гц для определения и анализа физико-механических параметров на момент начала эксплуатации, момент замера и на момент полной деградации металла, причем диаметр деградированного зерна d*_з.д определяют по формуле
d*_з.д=6•d*_з.э,
а при фиксированном времени эксплуатации Т_i механической системы, то есть на момент замеров, определяют остаточный ресурс ΔT_п по формуле

Кроме того, угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^* и диаметр эталонного зерна d*_з.э могут быть определены по формулам


а диаметр субзерна d*_сз может быть определен из формулы

Наличие указанных отличительных признаков подтверждает соответствие предложенного способа критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен график анализа смещений резонансов откликов акустоэмиссионного излучения в зависимости от диаметра субзерна d*_сз, мм.

На чертеже обозначены:
1 - изменение ультразвуковых колебаний;
2 - изменение колебаний сдвига-отрыва;
3 - изменение частоты модулирующих релаксационных колебаний двойникования;
4 - изменение частоты модулирующих релаксационных колебаний структурных упрочнений;
5 - изменение модулирующей релаксационной инфрачастоты;
6 - момент установки изделия на эксплуатацию, т.е. Т₀=0;
7 - фиксированный момент времени эксплуатации Т_i;
8 - полный ресурс Т_р.

Для наглядности размерность диаметра зерна d*_сз на графике дана в микронах (мкм).

Способ осуществляется в три этапа следующим образом.

Для реализации способа используются известный метод неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения за счет искусственного возбуждения атомов и молекул структуры металла с помощью известных приборов, а также экспериментальные и расчетные данные.

На первом этапе анализируются и определяются согласно сертификату завода-изготовителя эталонные физико-механические параметры металла стальных металлоконтсрукций механических систем, в том числе: временной предел прочности при растяжении - σ_в, МПа; предел текучести - σ_т, МПа; относительное удлинение - δ_уд,%; относительное сужение - ψ_су,%; объемная плотность - ρ_оп, кг/м³, и продольная скорость звука - С*_L, м/сек.

Угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^* определяют по формуле

где 16^o - угол трения адсорбировавшейся влаги в межзеренных протоках стали при рН 6-8 (определен именно для стали в лабораторных условиях).

Диаметр эталонного зерна

по О.А. Берман-И.А. Воронцовой.

Анализ физико-механических параметров позволяет определить частоты спектральной плотности акустоэмиссионного излучения, которые даны в табл. 1, из которой следует, что они взаимосвязаны с диаметром субзерна d*_сз.э (при расчетах размерность d*_cз принимается в метрах).

Табл. 1 содержит полученные экспериментальным и расчетным путем по известным зависимостям соотношения физико-механических параметров при плоской деформации с резонансными частотами спектра отклика акустоэмиссионного излучения по А. В. Берману и Д.В. Берману (см. патент РФ 2127349, кл. Е 21 С 25/38).

По табл. 1 могут быть определены следующие физико-механические параметры (в зависимости от величины ρ^*):
d*_сз - диаметр субзерна, размерность для наглядности дана в мм (субзерно представляет собой совокупность определенного количества пар пластинок цементита и феррита с толщиной присущей данной структуре);
C*_др - скорость дрейфа тепловой энергии, м/сек;
f_узк.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц (ультразвуковые колебания);
f_сд-о - отклик частоты сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц (колебания сдвига-отрыва);
f_мр - отклик модулирующей релаксационной частоты колебаний двойникования в диапазоне 434-82 кГц;
f_мс - отклик модулирующей релаксационной частоты колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,82 Гц;
f_мв - модулирующая релаксационная инфрачастота в диапазоне 4,6-4,2 Гц;
l_пн - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации, м.

Величина f_узк.-сз может быть определена также по формуле

Определяют также эталонное значение динамической вязкости μ_эт по формуле
μ_эт = 0,499•l^*•ρ_ОП•C*i

, МПa•c,
где l^* - длина магистральной трещины в конце ее ускоренного развития по Пэрису-Лейбову Б.М. определяется по формуле

где σ*П - коэффициент Пауссона, который в момент сдвига-отрыва по А.Н. Зеленину равен 0,52 (кн. А.Н. Зеленин "Основы разрушения грунтов механическими способами", М., 1968 г., стр. 375), а по И.А. Биргеру и Я.Г. Пановко "Прочность, устойчивость, колебания". М. 1968 г., больше 0,5.

Коэффициент турбулизации R_p* при α = 90^° равен 0,5.

Далее, для ускорения расчетов используются данные, сведенные в табл. 2 (получены экспериментальным и расчетным путем с помощью известных зависимостей).

Вектор интенсивности тензора разрушающего напряжения из эллипсоида интенсивности, отражающей совокупность вектора шарового тензора гидростатистического давления и вектора девиатора напряжений при угле между ними 90^o и угле наклона элементов сдвига-отрыва ϕ = 90^° обозначают Т*_э-90.

Коэффициент метоморфизма по Т.И. Берман - К*_мм и коэффициент скорости деформаций - dV*, м/сек, при максимальном энергетическом угле α^* = 45^*+0,5ρ^* по Е.З. Позину (Е.З. Позин "Сопротивление углей разрушению инструментом", М. , 1972, стр. 450); ширина пластической зоны - dn* при плоском напряженном состоянии (в метрах). Эти параметры в зависимости от d*_сз определяют эталонное минимальное напряжение сдвига-отрыва по А.В. Берману, то есть

Далее определяют модуль динамической упругости по В. В. Присташу: E*g

= 1,0555•ρ_ОП•C*2L, ГПa; спектральную плотность энергии поглощения при накоплении малоцикловой усталости по В.М. Берману: ω_из.э = τ_сд-о.эт•f_сд-о.эт; ГПа/с; энергоемкость разрушения, формируемую релаксационно-модулируюшей инфрачастотой, по Р.М. Штейнцайгу, Г.Я. Воронкову и А.В. Берману:

(журнал "Открытые горные породы", 1999, стр. 65-68); спектральную плотность освобождаемой энергии в устье усталостной трещины по А.А. Гриффиту и Дж. Р. Ирвину, равную интегралу И.Р. Райса, то есть J_1C-f = H_w.мв•l_пн, МДж/м², и эталонную трещиностойкость стали

в момент Т₀=0 установки изделия на эксплуатацию.

На втором этапе, после определения эталонных параметров, определяют физико-механические параметры полностью деградироваиного металла стальных металлоконструкций с использованием табл. 1 и 2 и физических зависимостей, изложенных выше, при диаметре субзерна d*_сз.д=0,043295 мм (см. табл. 2), т. е. при габаритном зерне деградированной структуры, по формуле d*_з.д=6•d*_з.

Для определения предела текучести σ_т.д полностью деградированного металла стали используют зависимость σ_т.д = k_т-сд•τ_сд-о.д, где коэффициент перехода

а для определения относительного сужения ψ_су-д полностью деградированного металла стали используют зависимость ψ_су-д = ψ_э•K_μ-ψ, где

при этом относительное удлинение δ_уд-д = 0,2867794•ψ_су-д = ψ_су-д/tgρ_о.д.
Резонансы на ультразвуковой частоте и на других частотах, т.е. f_{узк.сз-д}, f_сд-о.д, f_мр.д, f_мс.д и f_мв.д определяют по табл. 2.

Расчет коэффициента трещиностойкости К_1с-f.д выполняют по формуле

где μ_д - динамическая вязкость деградированного металла;
ω_{из-д =} - спектральная плотность энергии поглощения, ГПа/с;
l_пн - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации, м (табл. 1).

Указанные выше формулы основаны на том, что в момент полной деградации металла продольная скорость звука С*_Lд уменьшается и становится равной поперечной скорости звука С*_s.эт эталонного металла. Поэтому, зная величину С*_s.эт= 0,637•С*_L по Г.М. Авчяну, можно определить и величину С*_Lд=С*_s.эт, м/с.

Затем, на третьем этапе, т.е. в период эксплуатации механической системы, когда уже определены эталонные параметры и параметры на момент полной деградации металла, определяют физико-механические параметры при фиксированном времени эксплуатации, т.е. на момент замеров Т_i, используя формулы второго этапа.

В период эксплуатации экспериментально определяются следующие параметры на момент замеров:
f_{узк.сз.i} - ультразвуковая частота излучения;
f_сд-о.i - резонансная частота сдвига-отрыва, Гц;
f_мр.i - релаксационно-модулирующая частота двойникования, Гц;
f_мc.i - рекласационно-модулирующая частота скольжения винтовых дислокаций, Гц;
f_мв.i - релаксационно-модулирующая инфрачастота, Гц.

По этим параметрам, то есть с пятикратным дублированием по взаимосвязанным частотам, определяется величина субзерна d*_сз.i на фиксированный момент времени эксплуатации Т_i (по табл. 1), а по ней все физико-механические параметры металла по аналогичным формулам второго этапа способа (см. чертеж).

Таким образом, изобретение содержит три этапа анализа исследований и расчетов, определяющих эталонные физико-механические параметры металла, аналогичные параметры на момент его полной деградации и на фиксированное время эксплуатации, т.е. на момент замеров.

По окончании этих этапов исследований и расчетов прогноз остаточного ресурса определяют по формуле

где T_i - фиксированное время эксплуатации;
d*_сз.i - диаметр субзерна на момент замеров;
d*_сз.д - диаметр деградированного субзерна;
d*_сз.э - диаметр эталонного субзерна.

Полный ресурс Т_р металла изделия равен
T_p = ΔT_п+T_i.
Величина ΔT_п может быть в месяцах, годах, циклах и т.п. в зависимости от размерности Т_i.

Ниже приведен пример расчета прогноза остаточного ресурса низколегированной конструкционной стали марки 16ГС для сварных металлоконструкций экскаваторов (вид поставки: прокат листовой толщиной 40 мм).

Расчет производится в три этапа на основе сертификата завода-изготовителя и по формулам, изложенным выше.

Данные расчетов сведены в табл. 3.

Определив все необходимые параметры, по формуле определяем остаточный ресурс:

Для измерения различных частот могут быть использованы известные приборы, например "Шумомер-анализатор спектра SVAN-912АЕ" польской фирмы "Свантек", изготавливаемый по японской лицензии. Этот прибор воспринимает амплитуды в динамическом диапазоне 146 децибел конденсаторными микрофонами, например, типа SV-02-1/2 при чувствительности 50 мВ/Па при 200 В поляризационного напряжения, обеспечивая частотный диапазон 2 Гц-20 кГц, что удовлетворяет всем требованиям проведения прецензионных звуковых измерений.

Возможно также использование шумомеров и виброанализаторов датской фирмы "Брюль и Кьер".

Для более точного определения диаметра субзерна на момент замера в зависимости от спектра резонансных частот акустоэмиссионного излучения может быть использован график, показанный на чертеже.

Из графика следует, что резонансы эталонного спектра смещаются по частоте (уменьшаются) на момент замера и далее смещаются (уменьшаются) до величины деградации, определяющей диаметр деградированного субзерна d*_сз.д.

Отождествляя участок от эталонных частот при времени эксплуатации, равном нулю, до времени Т_i (время замера) с величиной изменения диаметра субзерна d*_сз, прогнозируемое время остаточного ресурса от Т_i до Т_д (время остаточного ресурса) отождествляют с изменением от d*_сз.i до d*_сз.д, в результате чего определяют ΔT_п, т.е. прогноз остаточного ресурса.

Изобретение позволяет исключить повторные замеры и практиктически достоверно определить остаточный ресурс, что обеспечивает, с одной стороны, долговременный прогноз остаточного ресурса, с другой, своевременную подготовку к ремонту, ремонт и замену эксплуатируемой техники, предотвращает ее простои и повышает эффективность работы объекта.

Изобретение относится к области анализа стальных металлоконструкций механических систем, в том числе горных машин. Прогноз остаточного ресурса без повторных замеров достигается за счет того, что определяют спектральную плотность, временной предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное удлинение и сужение, угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей. Определяют эталонные спектры следующих резонансов на пяти диапазонах частот отклика акустоэмиссионного излучения: ультразвуковых колебаний субзерна в диапазоне 62,7-19,1 кГц, колебаний сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц, модулирующих релаксационных колебаний двойникования в диапазоне 432-82 Гц, модулирующих релаксационных колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2-17,85 Гц и модулирующих релаксационных колебаний инфрачастоты в диапазоне 4,6-4,2 Гц. Определяют все указанные физико-механические параметры на момент полной деградации металла и на момент замера Т_i, а затем определяют остаточный ресурс ΔT_п по определенной формуле, включающей фиксированное время эксплуатации и величины диаметров субзерна металла. 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ прогноза остаточного ресурса стальных металлоконструкций механических систем, например горных машин, посредством неразрушающего контроля отклика акустоэмиссионного излучения, включающий определение спектральной плотности и эталонных физико-механических параметров стали, в том числе временного предела прочности при растяжении, предела текучести, относительного удлинения и сужения, угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей, отличающийся тем, что дополнительно определяют эталонные спектры следующих резонансов на пяти диапазонах частот отклика акустоэмиссионного излучения: ультразвуковых колебаний субзерна в диапазоне 62,7-19,1 кГц, колебаний сдвига-отрыва в диапазоне 2,7-1,9 кГц, модулирующих релаксационных колебаний двойникования в диапазоне 432-82 Гц, модулирующих релаксационных колебаний структурного упрочнения в диапазоне 50,2- 17,85 Гц и модулирующих релаксационных колебаний инфрачастоты в диапазоне 4,6-4,2 Гц, а также все указанные физико-механические параметры на момент полной деградации металла и на момент замера Т_i, а затем определяют остаточный ресурс ΔT_п по формуле

где, d*_сз.i - диаметр субзерна на момент замеров;
d*_сз.д. - диаметр деградированного субзерна;
d*_сз.э. - диаметр эталонного субзерна. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметр деградированного зерна d*_з.э определяют по формуле
d*_з.д. = 6• d*_сз.э.,
где d*_з.э - диаметр эталонного зерна. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^* определяют по формуле

где ψ_су - относительное сужение;
δ_уд - относительное удлинение.

16^o - угол трения адсорбировавшейся влаги в межзеренных протоках стали при рН 6-8;
диаметр эталонного зерна d*_з.э. определяют по формуле

где σ_в - временный предел прочности при растяжении;
σ_т - предел текучести, а диаметр субзерна d*_с.з. определяют из формулы

где f_укз.-сз - частота излучения ультразвуковой энергии субзерном в диапазоне 62,7-19,1 кГц;
С*_др - скорость дрейфа тепловой энергии.