Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов технического диагностирования и профилактического восстановления несущих металлоконструкций грузоподъемных машин 10
1.1. Факторы, определяющие повреждения грузоподъемных машин 10
1.2. Методы и технические средства неразрушающего контроля и мониторинга грузоподъемных машин 14
1.3. Диагностирование металлоконструкций 22
1.4. Модели профилактического восстановления металлоконструкций грузоподъемных машин 32
1.5. Цель и задачи исследования 44
2. Метод технического диагностирования несущих металлоконструкций грузоподъемных машин 47
2.1. Модель развития зоны пластической деформации вблизи концентратора напряжений под воздействием циклического нагружения 47
2.1.1. Модель развития зоны пластической деформации вблизи концентратора напряжений 53
2.2. Способ диагностики накопленной повреждаемости метало- конструкции по размерам зоны пластической деформации 64
2.2.1. Анализ развития размеров зоны пластической деформации под воздействием пластического деформирования 73
2.3. Оптический рефлектометрический способ измерения размеров зоны пластической деформации 80
2.3.1. Метод измерения расстояния между реперными метками анализом дисперсий составляющих рассеянного света 802.3.2. Оценка эффективности обнаружения реперных меток методом дисперсионного анализа 83
Выводы 87
3. Оптимизация режима технического диагностирования металлоконструкций в системе профилактического восстановления грузоподъемных машин 88
3.1. Математическая модель процесса технического диагностирования металлоконструкции грузоподъемной машины 89
3.2. Алгоритм оптимизации режима технического диагностирования элементов металлоконструкций грузоподъемных машин 96
3.3. Исследование процесса технического диагностирования элемента металлоконструкции грузоподъемной машины методом статистического моделирования 101
3.4. Техническое диагностирование металлоконструкции грузоподъемной машины 108
3.5. Исследование режима профилактического восстановления металлоконструкций грузоподъемных машин 109
Выводы 119
4. Система технического диагностирования металлоконструкций грузоподъемных машин 121
4.1. Информационная поддержка оптимизации периодичности контроля
состояния металлоконструкций грузоподъемных машин 121
4.2. Разработка конструкции оптического датчика системы диагностирования 122
4.3. Аппаратное и алгоритмическое обеспечение управления системой диагностирования
4.3.1. Выбор микроконтроллера для реализации управления 130
4.3.2. Структура типового микропроцессора 132
4.3.3. Основные виды архитектур микропроцессоров 134
4.3.4. Микроконтроллер ATmega128 136
Микроконтроллер ATmega128 представляет собой 8-разрядный микроконтроллер с 128 К байтами внутри системно программируемой Flash памяти [46]. 136
4.4. Выбор интерфейса для построения сети ПЭВМ – микроконтроллер 139
4.4.1. Последовательный интерфейс RS-232 140
4.4.2. Порядок обмена по интерфейсу RS-232 141
4.4.3. Формат передаваемых данных 142
4.5. Схема управления шаговым двигателем 145
4.6. Разработка принципиальной электрической схемы 149
4.7. Разработка программы управления микроконтроллером ATmega128154
Выводы 159
Заключение и основные выводы по работе 160
Список литературы 162
- Методы и технические средства неразрушающего контроля и мониторинга грузоподъемных машин
- Модель развития зоны пластической деформации вблизи концентратора напряжений
- Алгоритм оптимизации режима технического диагностирования элементов металлоконструкций грузоподъемных машин
- Аппаратное и алгоритмическое обеспечение управления системой диагностирования
Методы и технические средства неразрушающего контроля и мониторинга грузоподъемных машин
Основными факторами, вызывающими повреждения грузоподъемных машин являются: воздействия окружающей среды; металлургические дефекты; конструктивные ошибки при проектировании машины; технологические промахи при изготовлении; условия эксплуатации (изнашивание деталей механизмов в процессе эксплуатации); качество технического обслуживания; а также внутренние процессы, изменяющие физико–механические свойства материала конструкции: изнашивание, деформация, коррозия, старение, в результате чего происходит разупрочнение и утонение, снижаются твердость, износостойкость, появляются и растут усталостные трещины, происходит деградация структуры материала.
К воздействию окружающей среды относится влияние атмосферных осадков, обледенения, воздушных потоков, температуры, запыленности и т.д. Атмосферная коррозия металлов – наиболее распространенный вид электрохимической коррозии, протекающий во влажном воздухе при обычных температурах. Коррозионная среда во всех случаях представляет собой слой влаги, в котором растворены кислород и двуокись углерода, в промышленной атмосфере еще и двуокись серы, окислы азота, сероводорода и др. Толщина этого слоя колеблется от нескольких ангстрем до нескольких микрометров в зависимости от условий образования [68]. Механизм атмосферной коррозии в значительной мере зависит от толщины слоя электролита.
Состав и свойства продуктов коррозии значительно влияют на скорость коррозии. Пористые пылеобразные продукты ускоряют коррозионный процесс, так как способствуют химической и капиллярной конденсации. Чистый влажный воздух не способствует заметному повышению скорости коррозии даже при относительной влажности, близкой к 100%. Повышение температуры приводит к уменьшению относительной влажности и растворимости газов в водном слое и в то же время способствует высыханию поверхности металлоконструкции. Все это приводит к снижению скорости коррозионного процесса.
Наиболее часто в металлоконструкциях грузоподъемных машин встречается коррозия под напряжением, которая является источником развития усталостных трещин. Этот вид коррозии возникает при одновременном воздействии деформации (создается напряженное состояние в металлоконструкции) и агрессивной среды, что приводит к коррозионному растрескиванию и коррозионной усталости.
Коррозионная усталость – процесс постепенного накопления повреждений, которые обусловлены одновременным воздействием переменных нагрузок и коррозионно – активной среды, приводящим к уменьшению долговечности и снижению запаса циклической прочности [85].
Эксплуатация металлических конструкций машин при низких температурах (ниже -30 С) дает значительное количества примеров хрупких разрушений [42]. Большинство их происходит зимой в начальной стадии эксплуатации конструкции, часто при ненагруженном состоянии, т. е. при низких напряжениях.
Эксплуатация крановых металлических конструкций в условиях повышенных температурах (+30 С) не оказывает значительного воздействия на работоспособность и накопление повреждаемости, и лишь при испытаниях на усталость обычно наблюдается небольшое снижение пределов выносливости в связи с влиянием процессов ползучести, особенно в случае, если среднее напряжение цикла не равно нулю [89].
К воздействию окружающей среды также относятся ветровая и сейсмическая нагрузки. Механические и служебные свойства металлов во многом зависят от химического состава, поэтому, к металлургическим дефектам следует относить несоответствие качества стали ГОСТ, выражающееся в повышенном (или пониженном) содержании примесей, что может привести к преждевременному выходу из строя узла, механизма или машины в целом.
Неудовлетворительное конструктивное решение при проектировании грузоподъемной машины приводит к преждевременному выходу узла или конструкции из строя.
Основным технологическим процессом для изготовления металлоконструкций грузоподъемных машин [34] является сварка. Поэтому дефекты сварочного процесса будут являться основными технологическими дефектами для металлоконструкций грузоподъемных машин.
Все дефекты по их значимости можно условно распределить по трем группам: малозначительные, значительные и критические. К малозначительным относят отдельные включения и непровары без надреза, к значительным – протяженные дефекты и критическим – трещиноподобные. Трещины и трещиноподобные дефекты, как правило, считают недопустимыми независимо от их размеров. Объемные дефекты допускают до определенных размеров и количества.
Изменение параметров деталей в процессе эксплуатации определяются характером повреждения рабочей поверхности, который в свою очередь зависит от типа взаимодействия контактирующих поверхностей деталей сопряжения. Более половины отказов грузоподъемных машин происходит в следствие изнашивания, поэтому при исследовании процессов изменения технического состояния грузоподъемных машин необходимо особое внимание уделять трению и изнашиванию.
Модель развития зоны пластической деформации вблизи концентратора напряжений
В процессе разрушения материалов принято выделять два этапа усталостного разрушения [24]. Этап, включающий формирование обратимых и необратимых повреждений (зарождение усталостной трещины), и этап распространения усталостной трещины до критической величины и окончательного разрушения. На первом этапе происходит зарождение микротрещин в приповерхностных слоях деформируемого материала посредством эволюционной структуры, которое контролируется в основном касательными напряжениями и локальными свойствами структуры. На втором этапе разрушение локализовано у вершины макротрещины и происходит в условиях автомо-дельности в плоскости действия максимальных растягивающих напряжений. Ее распространение зависит от трещиностойкости материала в заданных условиях.
Зарождение макротрещины может происходить в условиях мало- и многоцикловой усталости. На рисунке 2.1. [90] показана полная кривая усталости в диапазоне напряжений от временного сопротивления разрушению (предела прочности) до предела выносливости (предела усталости). Область малоцикловой усталости охватывает диапазон напряжений от сть до jk (ломанная линия АБВ). В области малоцикловой усталости можно выделить два характерных участка. На участке / (см. рисунок 2.1), который иногда называют участком циклической ползучести, разрушение пластичных металлических материалов носит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома. Для этого участка характерно непрерывно возрастающее с числом циклов нагружения накопление пластической деформации. При этом петля механического гистерезиса вплоть до разрушения образцов всегда остается открытой. На участке II области малоцикловой усталости на по верхности разрушения можно отчетливо выделить зону усталостного излома. На этом участке циклического деформирования петля механического гистерезиса становится замкнутой. Напряжение перехода от одного вида разрушения к другому при малоцикловой усталости обозначается ап. Переход от циклической ползучести к собственно малоцикловой усталости сопровождается изменением механизма макропластического деформирования материала и в некоторых случаях перегибом кривой усталости. При фрактографических исследованиях усталостный тип излома в случае малоциклового разрушения характеризуется тем, что зона окончательного разрушения находится в центральной части образца. Это связано с однородными условиями распростра нения усталостных трещин из многочисленных мест их зарождения.
Обобщенная диаграмма многоцикловой усталости, представленная на рисунке 2.2, отражает основные закономерности накопления повреждений в основных периодах и стадиях процесса усталостного разрушения металличе ских материалов, имеющих на кривой статического растяжения физический предел текучести.
Период зарождения усталостных трещин можно разделить на три основные стадии. Первая стадия – стадия циклической микротекучести. На этой стадии происходит некоторая микропластическая деформация металла, причем наиболее интенсивно она идет в приповерхностных слоях глубиной порядка размера зерна [29,62].
Дислокационная структура металла на стадии циклической микротекучести характеризуется следующими изменениями [52]. Во-первых, на границах ферритных зерен генерируются новые дислокации. Во-вторых, в феррит ных прослойках перлита в области микротекучести возможно образование свежих дислокаций, которые генерируются границами раздела феррит – цементит. В-третьих, на стадии микротекучести протекает микропластическая деформация в объеме ферритных зерен. Наиболее важной особенностью поведения металла является то, что в первых циклах нагружения наблюдается более интенсивная пластическая деформация поверхностного слоя металла глубиной порядка размера зерна. На основании данных рентгеноструктурно-го анализа с использованием послойного удаления металла и результатов по определению плотности дислокаций в области микротекучести следует, что поверхностные слои металла на этой стадии усталости претерпевают пластическую деформацию, большую, чем внутренние объемы [78]. К окончанию стадии циклической микротекучести все сечение материала претерпевает небольшую микропластическую деформацию, а в поверхностном слое зерен образуется слой металла с повышенной плотностью дислокаций.
Вторая стадия – стадия циклической текучести (негомогенной деформации), в которой наблюдается негомогенное пластическое течение материала. Стадия циклической текучести наблюдается у металлических материалов, имеющих физический предел текучести, и связана с прохождением фронта Людерса – Чернова в условиях циклического деформирования. После определенного числа циклов (соответствующих окончанию стадии циклической микро текучести) наблюдается раскрытие петли механического гистерезиса и снижение действующего напряжения (процесс разупрочнения металла). Однако уже в процессе макроскопического разупрочнения элементарные объемы металла упрочняются, и это уменьшает скорость разупрочнения. Своеобразный характер изменения механических свойств малоуглеродистой стали (макроскопическое разупрочнение сопровождающееся упрочнением локальных объемов метала) в процессе циклического деформирования на этой стадии, согласно [89], вызван прохождением деформации Людерса – Чернова, т.е. процесса распространения пластически деформированных зон с подвижными дислокациями. Циклическое деформирование на стадии циклической текучести ведет к изменению некоторых физико – механических свойств: повышается микротвердость; уменьшается и затем полностью исчезают зуб и площадка текучести на кривых статического растяжения; происходит изменение характеристик внутреннего трения и магнитных свойств.
В поверхностных слоях металла на стадии циклической текучести образуются прямолинейные скопления дислокаций, которые при дальнейшем нагружении способствуют образованию усталостных полос скольжения. После прохождения этой стадии в поверхностных слоях металла сохраняется более высокая плотность дислокаций.
Третья стадия – стадия циклического упрочнения (разупрочнения), которая завершается достижением линии необратимых повреждений (линии Френча). Стадия циклического упрочнения наблюдается у пластичных металлов и сплавов, а стадия циклического разупрочнения – у высокопрочных металлических материалов.
На первых двух стадиях периода зарождения усталостных трещин, которые были рассмотрены выше, хотя и происходят изменения в структурном состоянии материалов, однако механические свойства изменяются незначительно. На стадии же циклического упрочнения (разупрочнения) происходит интенсивное изменение механических свойств до определенного числа циклов [47], которое зависит от амплитуды приложенной нагрузки, после чего достигается стабилизация этих свойств или их значения изменяются незначительно. На этой стадии возрастает твердость, условный предел текучести и мгновенный модуль упругости, а пластичность материала несколько снижается. Происходит дальнейшее повышение плотности дислокаций и формируется развитая дислокационная структура. В поверхностном слое металла развиваются отдельные устойчивые полосы скольжения, в которых к окончанию этой стадии развиваются экструзии, интрузии и первые субмикроскопические усталостные трещины (пунктирная линия КДЕ на рисунке 2.2). Стадией циклического упрочнения (разупрочнения) завершается период зарождения усталостных трещин, связанный с существенными изменениями дислокационной структуры металла и его физико- механических свойств и зарождением первых поверхностных субмикроскопических трещин (рисунок 2.3).
Схема изменения структурного состояния приповерхностного слоя метала Известно, что у пластичных материалов накопление микропластической деформации и повреждаемости в виде устойчивых полос скольжения или даже нераспространяющихся усталостных трещин наблюдается при напряжениях ниже предела выносливости. Циклическое напряжение, при котором начинают наблюдаться структурные изменения ниже предела выносливости, было названо автором [89] циклическим пределом текучести т (рисунок 2.2).
Таким образом, субмикроскопические трещины зарождаются задолго до окончательного разрушения, а общий срок службы металла в основном определяется длительностью развития трещин от субмикроскопических раз меров до макротрещин критического размера. Экспериментальные исследования устанавливают критический размер трещины, отвечающий линии Френча в сталях, величины порядка 0,1 мм [30].
2.1.1. Модель развития зоны пластической деформации вблизи концентратора напряжений
Стальные конструкции грузоподъемных машин и некоторые другие конструкции, интенсивно эксплуатируемые при нагрузках, близких к номинальным, рассчитывают по предельному состоянию на выносливость с нормативным ресурсом 106 – 107 циклов. Однако в период эксплуатации конструкции часто имеют место усталостные отказы, объективно обнаруживаемые на различных стадиях роста трещин и приводящие к вынужденному ремонту металлоконструкций, замене отдельных ее элементов раньше, чем будет исчерпан нормативный ресурс. Статистика эксплуатационных разрушений сварных конструкций, работающих в условиях переменных напряжений, показывает, что до 90% разрушений происходит от усталости [23]. Усталостным разрушениям чаще всего подвержены ГПМ весьма тяжелого и тяжелого, а также среднего режимов работы, включенных в технологический поток (узкая номенклатура поднимаемых грузов, фиксированные места подъемов и опусканий).
Как показывает практика, усталостные трещины возникают в зонах концентрации напряжений. Концентраторами напряжений являются места изменения формы и размеров элементов конструкций (конструктивная концентрация напряжений), включая сварные швы и дефекты сварных швов (технологическая концентрация напряжений) – поры, непровары, валик сварного шва и т.п. Для сварных соединений характерно и то, что на зоны концентрации напряжений дополнительно накладываются поля структурной неоднородности и остаточных напряжений и деформаций, вызванные термическим циклом нагрева и охлаждения. Концентрация напряжений образует не-53
Алгоритм оптимизации режима технического диагностирования элементов металлоконструкций грузоподъемных машин
Важную роль при организации системы технического обслуживания и ремонта грузоподъемных машин играет оптимальная организация процесса их технического диагностирования, под которым понимается комплекс контрольных измерений и методов анализа полученной информации, позволяющий сделать заключение о техническом состоянии конкретных грузоподъемных машин без их разборки, принять решение по управлению этим состоянием путем назначения оптимальных ремонтно-обслуживающих воздействий и дать прогноз остаточного ресурса составных частей грузоподъемных машин [88]. Организация процесса технического диагностирования грузоподъемных машин была бы значительно облегчена, если бы моменты и место отказов можно было точно предсказать. Но из-за значительного разброса наработки на отказ такое предсказание возможно только с ограниченной точностью, зависящей от доступной информации о состоянии элементов. Поэтому принципиальную трудность в процессе технического диагностирования грузоподъемных машин представляет обоснованное назначение сроков их контрольных осмотров, разрешение которой целесообразно производить на основе известных количественных моделей процессов профилактического восстановления (моделей профилактики) механических систем, представленных, например, в работе [38].
В работе [17] предложен способ диагностики трещинообразования в металлоконструкциях грузоподъемных машин, основанный на анализе изменений расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки под действием циклического нагружения. Для определения оптимальной периодичности технического диагностирования грузоподъемных машин указанным способом целесообразно использовать систему профилактики с плановыми осмотрами [38]. В соответствии с данной системой пред-88 лагается по прошествии планового периода восстанавливать только те элементы металлоконструкций грузоподъемных машин, состояние которых близко к предельному, а остальные элементы оставить до следующей профилактики. При этом достигается более полное использование ресурсов элементов.
Математическая модель процесса технического диагностирования металлоконструкции грузоподъемной машины
Рассмотрим подробнее процесс технического диагностирования только одного элемента металлоконструкции грузоподъемной машины. Этот случай прост для анализа и легко обобщается на общий случай обслуживания всей металлоконструкции грузоподъемной машины.
Процесс технического диагностирования элементов металлоконструкций грузоподъемных машин может быть описан следующей моделью. Пусть изменения расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки описываются известной схемой накопления изменений (рисунок 3.1) [38]. Эта схема характерна, например, для деталей машин, подверженных изнашиванию. В этом случае отказ считается наступившим, если расстояние между реперными метками на поверхности контрольной площадки достигает некоторого заранее установленного уровня.
Момент отказа случаен из-за колебания интенсивности изменения расстояния между реперными метками, которая определяется свойствами самой металлоконструкции («наследственными» факторами) и эксплуатационными условиями.
Показанная на рисунке 3.1 кривая изменения расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки является типичной. При этом процесс изменения расстояния между реперными метками включает три характерных периода: I - период приработки, II - период установившегося нормального изменения расстояния между реперными метками, III -период интенсивного (катастрофического) изменения расстояния между реперными метками.
Катастрофическое изменение расстояния между реперными метками обычно является не допустимым, поэтому момент максимально допустимого расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки должен устанавливаться по точке расстояния между реперными метками, соответствующей концу периода нормального изменения, для которого характерна независимость интенсивности изменения расстояния между реперными метками от величины этого расстояния.
Количественно увеличение расстояния между реперными метками на поверхности контрольной площадки во времени может быть описано по разному, что приводит к различным законам распределения вероятности безотказной работы металлоконструкции. К гамма-распределению с плотностью (рисунок 3.2)
Аппаратное и алгоритмическое обеспечение управления системой диагностирования
Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.
Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т.п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров — микроконтроллеры.
Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:
Массивы встроенной флеш-памяти. Наиболее распространённым семейством микроконтроллеров являются 8-битные микроконтроллеры, широко используемые в промышленности. В то время, как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость.
Одной из важных областей применения микроконтроллеров является робототехника. В робототехнике микроконтроллеры выполняют функции: 1. управление приводами звеньев и схватов робота; 2. сбор информации с различных датчиков; 3. расчёт управляющих воздействий на приводы; 4. организация сетевого (распределённого) управления роботом либо группой роботов; 5. передача информации на другие микроконтроллеры робота, на другие роботы или на ПК связанный с роботом или группой роботов, устройствами ввода-вывода; 6. управление средствами позиционирования мобильных платформ, подводных роботов, и БПЛ. Основными достоинствами микроконтроллерного управления является: 1. значительное снижение энергопотребления, в отличии от полноценных ЭВМ; 2. применение распределённой сети микроконтроллеров повышает производительность всей системы управления роботом или группы роботов; 3. возможность организации непрерывного обмена информацией с группой микроконтроллеров, ПК, либо сетью ПК; 4. при выходе микроконтроллера из строя, замена микроконтроллера производиться в кратчайшие сроки благодаря стандартному электрическому интерфейсу; 5. микроконтроллеры поддерживают подключение любой цифровой и аналоговой аппаратуры, удовлетворяющей стандартный электрический интерфейс и электрические характеристики микроконтроллера к которому её подключают.
Важным фактором влияющим на производительность микроконтроллера является архитектура его микропроцессора. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микро архитектуры и макро архитектуры [3].
Микро архитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макро архитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора. В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микро ЭВМ показана на рисунке 4.9. Микро ЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в со- став микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.
Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода [3].
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
