Введение к работе
з
Состояние проблемы и актуальность работы. Проблема обеспечения надежности машин является очень актуальной, поскольку старение парка машин, в том числе и грузоподъемных, несмотря на позитивные перемены последнего десятилетия, по-прежнему опережает темпы необходимого технического перевооружения. Количество техники, находящейся в эксплуатации 10 и более лет в целом по России составляет более 90%.
Проблема обеспечения безопасности машин (особенно грузоподъемных) с каждым годом обостряется, из-за увеличения их сложности и интенсивности эксплуатации. Снижение работоспособности элементов машин является следствием различных динамических процессов, их описание связано с целым рядом сложностей, основной из которых служит неоднозначность связи между состоянием системы и количественным значением параметров.
В настоящее время полимерные материалы (ПМ) широко применяются при ремонте машин для восстановления изношенных или поврежденных деталей и сопряжений. Между тем области применения ПМ существенно шире. С их помощью возможно создание информационных систем, которые позволят в процессе производства и эксплуатации накапливать и передавать информацию о техническом состоянии (ТС) машин в дискретном или непрерывном режиме.
Разработка комплексной системы мониторинга позволит в режиме реального времени фиксировать информацию о ТС машины на всех этапах ее жизненного цикла. Перспективные средства мониторинга изменения ТС машин основаны на результатах диагностирования с использованием наноструктурированных интеллектуальных материалов. Такой встроенный контроль позволит обеспечить снижение аварийности, повышение безопасности эксплуатации, сокращение простоев в ремонте, снижение затрат на ремонт и повышение эффективности использования техники. Создание такой системы требует специального технологического обеспечения производства и ремонта машин, разработки (или подбора) новых интеллектуальных материалов и технологических процессов.
Таким образом, проблема разработки технологического обеспечения систем мониторинга ТС машин на различных этапах жизненного цикла является актуальной для производителей и потребителей машин. Настоящее
4 исследование посвящено решению данной крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение.
Цель исследований. Разработка технологического обеспечения применения наноструктурированных материалов при производстве, мониторинге изменения технического состояния и ремонте машин, с целью повышения их надежности и безопасности.
Область исследований. Технологическое обеспечение системы мониторинга изменения технического состояния машин с использованием наноструктурированных интеллектуальных материалов.
Объектом исследования являлись конструктивные элементы машин, в том числе металлоконструкции грузоподъемных машин.
Предметом исследования являлись наноструктурированные
интеллектуальные материалы на базе углеродных волокон.
Основные задачи исследования, в соответствии с целью, состояли в следующем:
-
Разработать математические модели процессов изменения состояния элементов металлоконструкций машин.
-
Исследовать сенсорные свойства наноструктурированных углеродных волокон.
-
Разработать методологию применения наноструктурированных материалов при производстве, мониторинге изменения технического состояния и ремонте машин.
-
Исследовать эксплуатационные свойства наноструктурированных чувствительных элементов на базе углеродных волокон.
-
Разработать систему мониторинга машин с применением наноструктурированных материалов на базе углеродных волокон.
-
Сформировать систему технологического обеспечения производства, мониторинга изменения технического состояния и ремонта машин с использованием наноструктурированных чувствительных элементов на базе углеродных волокон.
Методологическая основа исследований - математический аппарат теории катастроф, основные законы и методы теории вероятности, теории надежности, теории информации, аналитические и численные методы оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов машин, методы
5 математической статистики, методы планирования эксперимента, технологии машиностроения и материаловедения.
Контроль достоверности полученных результатов осуществлялся сопоставлением теоретических положений с экспериментальными данными, полученными при проведении испытаний большого количества опытных образцов и реальных конструкций.
Научная новизна работы:
Разработаны принципы формирования во времени и расчетные методы определения работоспособности механических систем, описанных синергетическими моделями, с учетом вариаций параметров свойств материалов используемых для диагностирования конструкций (МДК), что позволило оптимизировать выбор варианта из множества МДК.
На основе теории катастроф описаны явления, протекающие в процессе эксплуатации системы «углеродное волокно - ПМ - элемент металлоконструкции машины», установлены границы работоспособности в областях хрупкого и усталостного разрушения, позволившие оценить долговечность системы при воздействии внутренних и внешних факторов.
Разработаны математические модели процессов изменения технического состояния элементов металлоконструкций машин, определены условия ее равновесия и установлены связи между определяющими ее обратимыми и необратимыми внешними и внутренними изменениями.
Разработана методология структурно-имитационного моделирования элементов металлоконструкций машин, включающая:
-разработку критериев локального разрушения, алгоритмов перераспределения напряжений и механизмов разрушения;
-моделирование на ЭВМ различных ситуаций, связанных с накоплением повреждений при изменении внешних нагружающих факторов.
Разработано технологическое обеспечение производства, мониторинга изменения ТС и ремонта металлоконструкций машин с использованием наноструктурированных углеродных волокон, позволяющее обеспечить высокий уровень надежности и безопасности машин.
На защиту выносятся:
-аналитические и прогностические модели и алгоритмы, позволяющие оценить суммарную совокупность повреждений механических систем;
-научно-методические основы использования углеродных волокон (УВ) в качестве сенсоров при мониторинге НДС металлоконструкций машин;
-классификация наноструктурных дефектов УВ, влияющих на точность мониторинга изменения технического состояния металлоконструкций машин;
-установленные в результате лабораторных и эксплуатационных испытаний закономерности, позволившие выявить и оценить влияние технологических, эксплуатационных и климатических факторов на точность мониторинга изменения технического состояния машин;
-результаты математического моделирования НДС металлоконструкций машин и разработка оптимальной схемы установки УВ на диагностируемую конструкцию;
-методология применения наноструктурированых материалов при производстве, мониторинге изменения технического состояния и ремонте машин;
-метод диагностирования НДС металлоконструкций машин в дискретном и непрерывном режиме;
-технологическое обеспечение производства, мониторинга изменения технического состояния и ремонта машин с применением наноструктурированных материалов.
Практическая значимость работы. Диссертационная работа выполнена в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы» 2006-2008 годы (проект №7865) и 2009-2010 годы (проект №1249).
Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:
-ООО «В.К.Шенстрой» при диагностировании башенного крана POTAIN MD265B1J12 2006 г.в. и POTAIN MD265B1 2001 г.в., и быстромонтируемого крана (крана-манипулятора) POTAIN HD32A, 1997 г.в.;
-21НИИИ МО РФ г. Бронницы при диагностировании крано-манипуляционной установки ИНМАН, крана-стрелы ремонтной мастерской на базе а/м УРАЛ-532362 и транспортного оборудования РЭМ-КЛ;
-Первом Экспериментальном Проектно-Производственном Объединении МО РФ (1ЭППО) г. Бронницы при испытаниях жесткой сцепки (сцепка-буксир) для грузовых автомобилей на базе КАМАЗ;
-ООО «ЭнергоСнаб» при диагностировании и ремонте автокрана КС-35715 «ИВАНОВЕЦ» (на шасси МАЗ-5337А2) и а/м МАЗ-437043-329.
-4-й автобусный парк ГУП «Мосгортранс»;
-ГУП Мосгортранс Трамвайный ремонтный завод «ТРЗ» при диагностировании хребтовых балок трамвайных вагонов «Татра-3», а также при ремонте трамвайных токоприемников.
-в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) при подготовке специалистов по специальностям 190601 (150200) «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190205 (170900) «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и 150205 (120600) «Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановления деталей машин и аппаратов».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, симпозиумах:
-Международные выставки автомобилей двойного назначения в 21 НИИИ AT МО РФ, г. Бронницы, в 2002-2003 годах;
-Международная научно-техническая конференция «Надежность и ремонт машин», г. Орел, 2004 год;
-Научно-технический семинар «Клеи, герметики, компаунды. Современные разработки и технологии» и Научно-технический семинар «Современные полимерные материалы и покрытия» в Российском Доме Знаний, г. Москва, 2007 год;
-11-я Всероссийская конференция «Подъемно-транспортная техника, внутризаводской транспорт, склады», г. Москва, 2008 год;
-Международная научно-техническая конференция «Интерстроймех-2008», г. Владимир, 2008 год и «Интерстроймех-2009», г. Бишкек, 2009 год.
-13-я Московская международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, МАДИ, 2009 год.
-11-я Молодежная международная научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 год.
-Научно-методические и научно-исследовательские конференции МАДИ в 2003-2010 годах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 научных работы, из них 27 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций, в том числе 1 монография и 2 патента на изобретение.
8 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, направлений дальнейших исследований, списка использованной литературы из 295 наименований. Основной текст изложен на 313 страницах и включает 99 рисунков, 53 таблицы и 3 приложения на 32 страницах.
