Обеспечение безаварийной эксплуатации несущих элементов металлоконструкций экскаваторов – драглайнов на основе диагностики их технического состояния
На правах рукописи
Менчугин Александр Васильевич ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗАВАРИЙНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ЭКСКАВАТОРОВ – ДРАГЛАЙНОВ НА ОСНОВЕ ДИАГНОСТИКИ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2010
Работа выполнена: в Новационной фирме «КУЗБАСС-НИИОГР» и Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Герике Борис Людвигович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Насонов Михаил Юрьевич кандидат технических наук Журавлев Ростислав Петрович
Ведущая организация: ОАО «Угольная компания «Кузбассразрезуголь»
Защита состоится «_02_» _июля_ 2010 г. в _10_ часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учрежде нии высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
факс (3842) 36-16- е-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».
Автореферат разослан _01_ _июня_ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Захарова ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Актуальность исследований Анализ условий эксплуатации оборудования показывает, что количе ство и продолжительность аварийных ремонтов зависят от множества факто ров: горно-геологических и климатических условий эксплуатации;
износа оборудования;
квалификации обслуживающего и ремонтного персонала;
своевременности и качества проводимых плановых ремонтных работ и мно гого другого. Надо отметить, что доля и продолжительность аварийных про стоев и ремонтов в последние годы существенно возросли: на сегодняшний день около 40-45% отказов экскаваторов-драглайнов приходится на электро техническое оборудование, при этом небольшая доля отказов элементов ме таллоконструкций (около 4-6%) требует на их устранение около трети всех затрат. В целом ряде случаев это вызвано множеством факторов обязатель ствами перед потребителями продукции карьеров и смежниками (в частности железнодорожниками), требованиями собственников предприятий по эконо мии затрат и т.д. Не редко ремонты проводятся наспех, без должной подго товки, приобретения необходимых комплектующих, при отсутствии специа листов необходимой квалификации. Проблема усложняется еще и тем, что в целом ряде климатических зон нашей страны проведение работ по диагно стике металлоконструкций экскаваторов ограничено только летним временем года, когда стрела специально опускается для проведения диагностирования с применением методов неразрушающего контроля. Оборудование в этом случае полностью выводится из эксплуатации, при этом в зимний период времени такие работы производить нельзя.
Эксплуатация машинного оборудования неразрывно связана с контро лем его технического состояния, которое характеризуется структурными па раметрами, являющимися причиной изменения технического состояния, а определение совокупного влияния технических параметров позволяет харак теризовать фактическое техническое состояние оборудования.
Для оценки фактического технического состояния элементов металло конструкций экскаваторов необходимо использовать методы неразрушающе го контроля, которые позволят не только своевременно выявлять эксплуата ционные дефекты, но и следить за процессом их развития во взаимосвязи с напряженно-деформированным состоянием материала в летний и зимний пе риод. Из большого разнообразия диагностических методов контроля техни ческого состояния металлоконструкций шагающих экскаваторов, как пока зывает проведенный анализ, наиболее приемлемым является метод акустиче ской эмиссии (АЭ-контроль).
Такой выбор обусловлен как способностью метода к выявлению разви вающихся дефектов, так и возможностью преодоления его недостатков при работе в поле шумов на основе предложенного подхода к проведению кон троля, фильтрации полученных данных и оценки степени опасности выяв ленных дефектов.
В данной работе решена задача по проведению мониторинга техниче ского состояния на основе акустико-эмиссионного контроля элементов ме таллоконструкций экскаваторов-драглайнов, которая поставлена впервые и является весьма важной и актуальной, позволяющей ликвидировать аварий ные отказы и, тем самым, увеличить эффективность использования объекта исследования.
Отсюда становится очевидной цель выполнения работы – обеспечение безаварийной эксплуатации основных несущих элементов металлоконструк ций экскаваторов-драглайнов на основе оценки их технического состояния.
Идея диссертационной работы заключается в использовании метода акустико-эмиссионного контроля для обнаружения и оценки эксплуатацион ных дефектов металлоконструкций экскаваторов-драглайнов по характерным параметрам сигналов акустической эмиссии.
Задачи исследования:
установить связи напряженно-деформированного состояния (НДС) эле ментов металлоконструкций экскаваторов-драглайнов, определяющих их надежность, с характерными параметрами сигнала АЭ в условиях воздействия динамических нагрузок;
определить характерные зоны повышенной активности по совокупным признакам сигналов акустической эмиссии в элементах металлокон струкций экскаваторов-драглайнов при выполнении рабочего цикла экс кавации и разработать классификацию выявленных зон;
разработать методику проведения контроля и оценки опасности выяв ленных дефектов;
разработать методические рекомендации по оценке возможности безава рийной эксплуатации металлоконструкций при наличии эксплуатацион ных дефектов по параметрам сигналов АЭ.
Методы исследования.
В работе использован комплекс методов исследования, включающий:
статистический анализ отказов оборудования экскаваторного парка;
матема тический анализ напряженно-деформированного состояния элементов метал локонструкций;
лабораторные исследования на стендах, моделирующих ха рактерные дефекты оборудования;
экспериментальные исследования на ре альных действующих механизмах;
статистический анализ эксплуатационных дефектов и мест выявленных зон повышенной активности АЭ.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Изменение напряженно-деформированного состояния контролируемых элементов металлоконструкций приводит к изменению параметров сиг нала акустической эмиссии, характеризующих наличие источников по вышенной активности в материале, которые классифицируют по харак терным признакам на зоны шумовых и электрических помех, зоны тре ния и биения, а также зоны трещинообразования.
2. Определяемые в материале металлоконструкций зоны повышенной ак тивности АЭ, в зависимости от условий эксплуатации и параметров нагружения, можно разделить на три класса опасности: I класс – пассив ный;
II класс – активный или пассивный;
III класс – критически актив ный.
3. Локализация выявляемых при проведении мониторинга технического состояния развивающихся дефектов в элементах металлоконструкций экскаваторов-драглайнов с совместным применением метода акустиче ской эмиссии и тензометрии позволяет обеспечить безаварийную экс плуатацию контролируемого узла и оборудования в целом.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов, сформулиро ванных в работе, подтверждается:
постановкой задач по исследованию влияния напряженно деформированного состояния элементов металлоконструкций и сигналов акустической эмиссии;
использованием измерительно-регистрирующей аппаратуры с погреш ностью, не превышающей ± 1-2дБ по амплитуде сигнала акустической эмиссии и 8% по измерению напряженно-деформированного состояния;
сходимостью до 80% результатов исследования напряженно деформированного состояния элементов металлоконструкций, получен ных на основе математического моделирования, с экспериментальными данными;
положительными результатами апробации разработанной методики на разрезах ОАО УК «Кузбассразрезуголь».
Личный вклад автора заключается:
в обосновании влияния напряженно-деформированного состояния эле ментов металлоконструкций на параметры сигналов акустической эмис сии;
в определении набора наиболее характерных дефектов металлокон струкций одноковшовых экскаваторов-драглайнов, оказывающих влия ние на надежность с точки зрения напряженно-деформированного состо яния;
в разработке классификации характерных дефектов металлоконструкций одноковшовых экскаваторов-драглайнов, проявляющихся в АЭ сигналах, пригодных для мониторинга технического состояния;
в создании методики проведения мониторинга технического состояния элементов металлоконструкций одноковшовых шагающих экскаваторов;
в создании системы нормирования параметров сигналов акустической эмиссии для определения степени опасности выявленных дефектов в контролируемом узле.
Научная новизна:
впервые установлено, что наиболее рациональным признаком, характе ризующим зарождающиеся дефекты и позволяющим оценить степень опасности развивающихся дефектов несущих металлоконструкций, яв ляется сигнал акустической эмиссии;
впервые обосновано совместное сопоставление анализа параметров сиг нала акустической эмиссии и напряженно-деформированного состояния узлов и элементов металлоконструкций одноковшовых шагающих экс каваторов;
впервые разработана классификация выявляемых дефектов, определяю щих техническое состояние контролируемых узлов и элементов метал локонструкций экскаваторов-драглайнов, с использованием метода аку стической эмиссии, по степени их опасности и влиянию на безаварий ность.
Практическое значение работы. Полученные автором теоретические и практические результаты позволяют с высокой степенью вероятности вы явить на ранней стадии и локализовывать эксплуатационные дефекты в эле ментах металлоконструкций без вывода оборудования из технологического процесса, а также оценивать возможность дальнейшей безопасной эксплуа тации.
Апробация работы Основные положения работы докладывались на VI, VII, VIII, IX, XI Международных научно-практических конференциях «Экспо-Сибирь» (Ке мерово, 2004, 2005, 2006, 2007, 2009 гг.), 51-й студенческой научно практической конференции КузГТУ (Кемерово, 2006), на научно техническом совете НФ «КУЗБАСС-НИИОГР» (Кемерово, 2009, 2010 гг.), на заседаниях кафедры горных машин и комплексов ГУ КузГТУ (Кемерово, 2010), на научно-тематическом семинаре ГУ КузГТУ (Кемерово, 2010).
Публикации По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе работы опубликованы в изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Объем и структура диссертационной работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка исполь зованной литературы и приложений. Общий объем составляет 152 страницы, включая 103 страницы основного текста, 62 рисунка и 6 таблиц, список ис пользованной литературы из 80 наименования и приложений на 27 страни цах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрено состояние горной техники на угольных разрезах Кузбасса.
Оценке и повышению надежности горно-транспортного оборудова ния посвящены работы Богомолова И. Д., Волкова П. Н., Герике Б. Л., Гето панова В. Н., Горбунова И. В., Голубева В. А., Ефимова В. Н., Коха П. И., Квагинидзе В. С., Махно Д. Е., Морозова В. И., Нестерова В. И., Солода Г.
И., Подэрни Р. Ю., Попандопуло К. В., Радкевича Я. М., Русихина В. И., Са марина А. М., Тропа А. Е., Когана Б.И., Шадрина А. И. и других исследова телей.
На сегодняшний день на разрезах Кузбасса эксплуатируется значи тельное количество разнообразного оборудования. Многообразие условий залегания угольных месторождений обусловило применение различных тех нологических экскаваторов. Имеющееся оборудование охватило практически весь спектр карьерных экскаваторов, выпускаемых ранее отечественной про мышленностью. Не удовлетворяющие все более возрастающим требованиям экскаваторы заменялись новыми моделями и модификациями, наметилась тенденция увеличения емкости ковша технологических экскаваторов.
При этом, в связи с длительностью эксплуатации оборудования, большинство экскаваторов отработало более 18-20 лет, увеличиваются затра ты на содержание, ремонт и обслуживание.
В настоящее время на угольных разрезах Кузбасса эксплуатируется более 200 единиц экскаваторов, из них около 65 единиц приходится на ша гающие экскаваторы типа ЭШ (таблица 1).
Таблица 1 Структура экскаваторного парка ОАО УК «Кузбассразрезуголь» по состоянию на 2009 год №№ Базовая модель экскаватора Количество, шт.
п/п ЭШ-6/ 1 ЭШ-10/ 2 ЭШ-11/ 3 ЭШ-13/ 4 ЭШ-15/ 5 ЭШ-20/ 6 ЭШ-40/ 7 Однако, следует отметить, что в связи с длительным периодом экс плуатации этого типа оборудования, общий износ экскаваторов-драглайнов по нормативному сроку эксплуатации составляет по состоянию на 2009 год около 148%, а по наработанной горной массе более 117%. При этом, обору дование находится в работоспособном состоянии и при квалифицированном обслуживании способно выполнять свои функции.
Количество и продолжительность аварийных ремонтов зависят от множества факторов, таких как:
горно-геологические и климатические условия эксплуатации;
износ оборудования;
квалификация обслуживающего и ремонтного персонала;
качество проводимых плановых ремонтных работ и многого другого.
При этом доля и продолжительность аварийных простоев и ремонтов в последние годы существенно возросли.
Можно выделить несколько причин выхода из строя технологическо го оборудования:
выход из строя электротехнического оборудования;
ремонт канатов;
выход из строя электромеханического оборудования;
ремонты ковша;
ремонт элементов металлоконструкций;
прочие отказы.
Ниже приведены результаты анализа отказов экскаваторов драглайнов за период с 2004 - 2007 гг. (см. рис. 1) по АО УК «Кузбассраз резуголь» по каждой рассмотренной выше группе.
а) б) Анализ отказов экскаваторов-драглайнов за Анализ отказов экскаваторов-драглайнов за период 2005 года период 2004 года Ремонт металло Ремонт металло- конструкций 5% Прочие отказы Прочие отказы конструкций 4% Ремонт канатов 10% 8% 20% Ремонт канатов 25% Ремонт ковша Ремонт ковша 12% 9% Ремонт электро- Ремонт электро Ремонт электро технического механического механического Ремонт электро оборудования 44% оборудования 14% оборудования 10% технического оборудования 39% в) Анализ отказов экскаваторов-драглайнов за Анализ отказов экскаваторов-драглайнов за период 2006 года период 2007 года Прочие отказы Прочие отказы Ремонт канатов Ремонт канатов Ремонт метало- Ремонт метало 9% 8% конструкций 4% конструкций 6% 12% 14% Ремонт ковша Ремонт ковша 10% 14% Ремонт электро- Ремонт электро механического механического оборудования 20% оборудования 15% Ремонт электро- Ремонт электро технического технического оборудования 45% оборудования 43% Рис.1 Распределение отказов экскаваторов-драглайнов за 2004-2007 гг.
При этом продолжительность восстановительных работ по каждой группе составляет (см. табл. 2).
Таблица 2 Средняя продолжительность восстановления отказа за каждый период 2004-2007 гг., час/ед. отказа Ремонт Ремонт электроме- электротех- Ремонт ме Ремонт Ремонт ханическо- нического таллокон- Прочие отказы канатов ковша го оборудо- оборудова- струкций вания ния 2004 год 10,90 14,17 13,00 9,80 15,23 9, 2005 год 10,61 16,33 14,70 10,48 15,78 8, 2006 год 8,10 16,94 12,47 8,50 16,20 6, 2007 год 9,40 16,48 11,89 9,60 16,32 7, Как видно из табл. 2, наиболее трудоемкими являются работы по вос становлению электромеханического оборудования (подшипники, валы, ше стерни) и восстановление элементов металлоконструкций.
Применительно к элементам металлоконструкций можно выделить следующие процессы деградации материала:
изменение геометрии элемента конструкции;
образование и развитие макродефекта;
деградация (старение) механических свойств материалов.
В зависимости от действующего механизма деградационного процесса выделяют следующие основные виды предельных состояний:
вязкое, хрупкое или усталостное разрушение элемента конструкции;
потеря устойчивости элемента или всей конструкции;
предельная деформация (или перемещение) элемента конструкции.
В ряде случаев установлению вида предельных состояний способ ствует анализ отказов, повреждений и аварийных ситуаций в конструкции. В значительной степени возможность достижения конструкцией того или иного предельного состояния устанавливается по результатам диагностирования технического состояния элементов и всей конструкции в целом.
С точки зрения механики разрушения мгновенному катастрофическо му разрушению должен предшествовать устойчивый докритический рост трещины. В этих условиях становится возможным задолго до аварии, при пе риодическом контроле металла, обнаружить трещину с применением нераз рушающего контроля прежде, чем она достигнет критической длины.
С ростом сложности оборудования возрастают объемы работ по их ремонту, усложняется процесс обнаружения и устранения отказов, затрудня ется контроль из-за многообразия дефектов, увеличивается вероятность по явления отказов в связи с проведением ремонтов;
требуется обслуживающий персонал более высокой квалификации, т.е. появляется необходимость клас сификации степени опасности выявленных дефектов не по их геометриче ским размерам и местоположению, а по их влиянию на работоспособность конструкции в целом при существующих условиях эксплуатации.
Основная задача технической диагностики – распознавание техниче ских состояний объектов, в условиях ограниченного объема информации. По нятие техническое состояние включает совокупность признаков (параметров), характеризующих изменение свойств объекта в процессе эксплуатации. Тео рия диагностики предполагает, что объект может иметь множество состояний.
Однако практическое использование результатов диагностирования требует ограничения числа классов состояний. Это связано с необходимостью сопо ставления распознаваемых классов состояний с рекомендуемыми объемами работ по контролю, техническому обслуживанию, ремонту. Определение гра ниц различения технических состояний имеет важное значение при решении прикладных задач диагностирования машин. Правильный и своевременный выбор ремонтного воздействия позволяет не только избежать возникновения аварийных ситуаций, но и существенно продлить срок службы оборудования.
Образование и развитие эксплуатационного дефекта, например, рас тущей трещины, сопровождается совокупностью процессов, вследствие ди намической разгрузки участков материала, примыкающих к образующимся берегам, поэтому она излучает волны напряжений. Данное явление получило название акустическая эмиссия, а метод, основанный на регистрации этих волн – метод акустической эмиссии.
Работы по проведению акустико-эмиссионного контроля в горной промышленности, в частности при контроле элементов металлоконструкций одноковшовых экскаваторов-драглайнов, проводятся впервые, и позволяют оценивать не только условия эксплуатации оборудования, но и проверять каче ство выполненных ремонтных работ. Учитывая, что при контроле элементов экскаватора существует большая повторяемость циклов, можно с большой сте пенью достоверности характеризовать не только состояние оборудования в це лом, но и выявить причины разрушения.
Определенную сложность при проведении акустико-эмиссионного контроля элементов металлоконструкций шагающих экскаваторов представ ляет повышенная шумность, связанная с динамическим режимом работы. Ви ды шумов динамического оборудования можно разделить на две группы:
шумы, связанные с работой узлов и агрегатов: вибрация, ударные воз действия, механическое трение узлов;
шумы, связанные с эксплуатационными износами: увеличенный зазор в разъемных соединениях, трение конструктивных единиц, трение разрушен ных узлов и т.д.
Основной задачей метода акустической эмиссии при диагностирова нии объекта контроля является распознавание классов опасности по сово купности его акустических характеристик. Оценка технического состояния оборудования с использованием метода акустической эмиссии – это отнесе ние источника АЭ к определенному классу опасности не только по его ак тивности, но и определение составляющих, которые, в свою очередь, и долж ны характеризовать опасность выявленного дефекта.
Во второй главе рассмотрены вопросы усталостного разрушения не сущих элементов металлоконструкций и их связь с акустической эмиссией.
Развитию метода акустической эмиссии при контроле оборудования различных отраслей промышленности посвящены работы Дробота Ю. Б., Иванова В. И., Недосеки А. Я., Патона Б. Е. и других исследователей.
Наибольшее распространение акустико-эмиссионный контроль полу чил в химической промышленности и энергетике при испытаниях на проч ность технологического оборудования, работающего в статических условиях, зачастую не выходящих за пределы малоцикловых нагрузок. Работы по про ведению испытаний элементов металлоконструкций экскаваторов драглайнов, в связи с динамическим режимом работы и многоцикловыми нагрузками, имеет определенную проблему, которая обусловлена наличием высокого уровня собственных шумов.
Характерной особенностью АЭ при циклическом нагружении являет ся быстрое уменьшение числа импульсов АЭ и их амплитуд при первом и каждом последующем нагружениях – эффект Кайзера, что характеризует от сутствие развивающихся дефектов в контролируемом узле.
При оценке результатов измерения АЭ в процессе роста усталостной трещины учитывается влияние изменения режимов работы конструкции: из менения максимальных и минимальных нагрузок в цикле, пуски и остановы, выдержки под нагрузкой и т.д. Перерыв в нагружении объекта и связанные с ним релаксационные процессы в материале у вершины трещины приводят к тому, что в первых циклах нагружении после перерыва трещина дает более высокий уровень АЭ, чем при последующих.
Обнаруженное явление и было положено в основу методики выявле ния усталостных трещин, дефектов изготовления и ремонта в металлокон струкциях шагающих экскаваторов без их дополнительного нагружения сверх рабочих нагрузок.
При многоцикловой усталости уровень нагружения элементов метал локонструкций невелик. Накопление повреждений в цикле незначительно и соответственно амплитуда АЭ мала. В связи с этим при контроле многоцик ловой усталости необходимо особое внимание обращать на уровень соб ственных шумов оборудования.
Для многоцикловой усталости кроме инкубационного периода, кото рого нет в малоцикловой области, выделяют период зарождения трещины (образование субмикроскопических трещин) и период ее распространения.
Субмикроскопические трещины усталости зарождаются на ранней стадии развития. Влияние этих трещин на характеристики прочности матери ала ничтожно. Суммарный период развития усталостных трещин составляет 90-97% от общей долговечности. Последнее обстоятельство является прямым следствием низкой скорости роста трещин на начальной стадии. Для случаев, допускающих эксплуатацию узлов и элементов конструкции с имеющимися дефектами, наиболее значима вторая стадия распространения трещины – об разование микро-, а затем макротрещин.
Важнейшим параметром АЭ, характеризующим напряженно деформированное состояние (НДС), является энергия импульсов. Учитывая, что определение энергии сигнала зависит от большого количества факторов, а именно, от скорости затухания ультразвуковой волны, от расстояния между преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ), от удаления источника сигнала, от резонансной частоты преобразователя, зашумленности объекта контроля, установленного порога и т.д., то при контроле необходимо пользо ваться средствами оценки нагружености узла, имеющими метрологически определяемые показатели. К такому средству измерения можно отнести тен зометрию, которая позволяет оценивать интенсивность нагрузок не по ре зультатам регистрации энергии самого источника АЭ, а исходя из значений тензоизмерений, результаты которых можно использовать для трактовки из менения параметров АЭ.
На рис. 2 приведен характерный пример взаимосвязи активности АЭ от уровня напряжений, возникающих при нагружении объекта контроля в период проведении натурных испытаний. Как видно из графика (рис. 2 а), количество зарегистрированных импульсов напрямую зависит от величины приложенной нагрузки. При этом, в условиях циклического нагружения (рис. 2 б) элементов металлоконструкций экскаваторов-драглайнов выявлено влияние эффекта Кайзера, который характеризует уменьшение активности АЭ при каждом последующем цикле, в котором уровень напряжений не пре вышает предыдущее значение, свидетельствующее об отсутствии дефектов.
а) Активность АЭ при проведении б) Активность АЭ при проведении единичного нагружения циклического нагружения График нагружения Уровень активности АЭ, кол-во импульсов Уровень нагружения, Мпа (кгс/см2) Уровень активности АЭ, кол-во импульсов Уровень нагружения, Мпа (кгс/см2) График нагружения Количество импульсов АЭ Количество импульсов АЭ Время проведения испытания, мин Время проведения испытания, мин Рис. 2 Взаимосвязь активности АЭ от величины и характера изменения напряженно-деформированного состояния при одиночном и цикличном нагружении Ниже, на рис. 3 представлен график изменения активности и счета импульсов акустической эмиссии в зависимости от приложенных нагрузок при одноосном растяжении образцов в лабораторных условиях, изготовлен ных из сталей 10ХСНД и 16ГС, которые являются наиболее распространен ным материалом при изготовлении элементов металлоконструкций.
Рис. 3 Взаимосвязь амплитуды и счета импульсов от деформации при испы таниях образцов на одноосное растяжение По результатам исследований разрушений образцов металла экспери ментально подтверждено, что активность АЭ в упругой зоне деформаций возрастает до предела текучести (величина начала снижения активности АЭ при неизменной скорости растяжения составила 1,01 – 1,05 т), а затем сни жается. Эти результаты позволили объективно оценивать наличие дефектов при использовании метода АЭ-контроля для диагностирования материала элементов, эксплуатируемых в зоне упругих деформаций, для существующих значений НДС и уровня собственных шумов.
Проведенные результаты исследования образцов показывают увеличе ние амплитуды сигнала от амплитудного порога, находящегося в пределах 0,4т до 100 дБ, а активность акустической эмиссии возросла более чем в де сять раз при увеличении напряжений от 0,4т до 1,05т, с разбросом показа телей более 100 - 120%. Такой разброс не позволяет непосредственно ис пользовать параметры сигналов АЭ для определения НДС, но позволяет свя зать зарегистрированные импульсы, характеризующие фактическое техниче ское состояние, с результатами тензоизмерений, полученными в процессе экскавации, и позволяющими достоверно оценить, на каком этапе находится экскавационный цикл, так как высокий уровень собственных шумов обору дования при выполнении рабочего процесса требует точного знания уровня и характера изменения нагруженности металлоконструкций.
Результатом проведения акустико-эмиссионного контроля является оценка прочности контролируемых элементов, характеризуемая наличием концентраторов напряжений (трещин, дефектов изготовления и т.д.).
Поскольку метод акустической эмиссии является шумовым, то фик сируются все возможные шумы в частотном диапазоне применяемых преоб разователей.
В процессе проведения испытаний элементов металлоконструкций экскаваторов-драглайнов с сопровождением испытаний методом АЭ были выявлены следующие виды зон повышенной активности:
1. Зона шумовых помех. Обусловлена высокой эммиссивностью объекта контроля и равномерным распределением шума по всей контролируемой по верхности и за её пределами. Амплитуда импульсов до 50-60 дБ.
2. Зона электромагнитных помех. Обусловлена образованием электро магнитных помех за счет электродвигателей большой мощности, кабелей и т.п., что вызывает высокоэнергетические импульсы по всей контролируемой поверхности. Амплитуда импульсов 99-100 дБ, а их длительность близка к 0 мкс.
3. Зона трения элементов. Обусловлена наличием увеличенных зазоров в посадочных местах, образовавшихся в процессе эксплуатации (монтажа или ремонта) узла. Амплитуда импульсов 65-75 дБ, а их длительность значитель но превышает 1000 мкс.
4. Зона биения. Обусловлена значительным увеличением зазоров, кото рые позволяют при соприкосновении двух деталей производить отрыв друг от друга или грубое разрушение поверхности трения. Амплитуда импульсов 75-100 дБ, а их длительность в пределах 1000-1500 мкс.
5. Зона трещинообразования. Обусловлена наличием эксплуатационных трещин в контролируемом узле и их развитием. Амплитуда импульсов 60-90 дБ, а их длительность в пределах 1000 мкс.
Полученное графическое распределение зон повышенной активности представлено на рис. 4.
а) Шумовые помехи б) Электропомехи Длительность Длительность импульса (D), источника (N), импульса (D), источника (N), Активность Активность Количество импульсов имп.
мкс мкс имп. Огибающая 40000 40000 распределения импульсов по шкале 20000 1000 20000 10000 100 1000 Амплитуда (U), дБ Амплитуда (U), дБ 50 60 70 80 90 100 50 60 70 80 90 в) Трение г) Биение Длительность импульса (D), Длительность импульса (D), источника (N), источника (N), Активность Активность мкс мкс имп.
имп.
40000 10000 40000 30000 20000 20000 10 Амплитуда (U), Амплитуда (U), дБ дБ 50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 д) Трещинообразование Длительность импульса (D), источника (N), Активность мкс имп.
40000 20000 Амплитуда (U), дБ 50 60 70 80 90 Рис. 4 Графическое представление источников повышенной активности АЭ Для подробного исследования процесса трещинообразования в эле ментах металлоконструкций экскаваторов наиболее приемлемым, на началь ном этапе исследований, является мониторинг объекта контроля, т.е. кон троль состояния в течение продолжительного периода работы.
В этом случае появляется возможность отслеживать все возможные этапы развития дефекта применительно к реальным условиям эксплуатации, и при достаточности статистических результатов, можно с высокой степенью вероятности характеризовать возможность дальнейшей эксплуатации как контролируемого узла с наличием эксплуатационного дефекта, так и всего оборудования.
В третьей главе освещены вопросы практического применения АЭ контроля на элементах экскаваторов-драглайнов.
Высокая эффективность замены системы планово-предупредительных ремонтов на обслуживание технологического оборудования по фактическому техническому состоянию базируется не только на сокращении сроков и за трат на техническое обслуживание, но и на исключении необоснованных ре монтов, что приводит в конечном счете к повышению эффективной и безава рийной эксплуатации оборудования в целом. Оценка наличия дефектов в элементах конструкций на основе анализа их напряженно-деформированного состояния, и, следовательно, определение фактического технического состо яния может базироваться только на результатах акустико-эмиссионного кон троля, проводимого в рабочих условиях на различных эксплуатационных ре жимах.
Для определения расстояний установки преобразователей АЭ экспе риментально получены коэффициенты, характеризующие затухание ультра звуковой волны в зависимости от исполнения узла и частотного диапазона применяемых преобразователей. Эти коэффициенты варьируются от 0,5 до 1,0 для проката и от 2,0 до 2,6 для литья. При этом, эффективное расстояние установки ПАЭ для проката составляет 5,0 м и для литья 3,5 м.
При проведении комплексных измерений (акустическая эмиссия тензометрия) принималась во внимание закономерность изменения счета эмиссии от уровня нагрузки. Этот критерий относится к выявлению именно развивающихся дефектов, для уже образовавшихся дефектов (а также для зон трения) определяется динамика изменения скорости счета в процессе выпол нения технологического процесса (полный цикл, часть цикла или весь период контроля). Выявление наиболее нагруженных мест с помощью тензоизмере ний позволит сократить объем затрат на контроль экскаватора в целом.
На начальных стадиях экспериментальных работ по определению нагрузок в элементах металлоконструкций установка датчиков производи лась на всех элементах. Для уменьшения трудоемкости выполнения работ по контролю и повышения производительности диагностического обследова ния, разработана математическая модель распределения нагрузок в металло конструкциях экскаватора-драглайна, позволяющая по измерению нагрузок в контрольных точках рассчитать напряжения, возникающие в других узлах. В качестве контрольных точек выбраны оттяжки верхние и верхний пояс стре лы.
На рис. 5 представлены результаты измерения нагрузок в контроль ных точках и их взаимосвязь с остальными элементами конструкции при вы полнении технологического процесса экскавации. Экспериментальные ис следования проводились на угольных разрезах ОАО УК Кузбассразрезуголь.
Работа экскаваторов осуществлялась в соответствии с установленным техно логическим регламентом.
Пример взаимосвязи напряженно деформированного состояния лево го переднего подкоса (1) и верхнего пояса стрелы (2).
Пример взаимосвязи напряженно деформированного состояния лево го переднего подкоса (1) и правой балки нижнего пояса стрелы (2).
Рис. 5 Распределение нагрузок в элементах экскаватора-драглайна К основным несущим элементам металлоконструкций шагающих экс каваторов, подлежащих контролю методом АЭ, можно отнести: балка верх него пояса стрелы и элементы нижнего пояса;
колонна надстройки;
попереч ная рама, оттяжки верхние, подкосы передние, подкосы задние;
элементы поворотной платформы.
Для проведения акустико-эмиссионного контроля в условиях повы шенного уровня шумов разработана методика проведения испытаний, позво ляющая повысить эффективность сбора данных о состоянии оборудования и своевременно выявлять наличие эксплуатационных дефектов, а так же сле дить за их дальнейшим развитием.
Проведение акустико-эмиссионного контроля элементов металлокон струкций шагающих экскаваторов предполагает сбор данных о выполнении рабочего процесса без вывода оборудования из эксплуатации и без увеличе ния нагрузок сверх рабочего значения (непосредственный контроль техноло гического процесса экскавации).
При проведении контроля производится сбор данных о нагрузках, действующих на контролируемый элемент, которые определяются методом тензоизмерений, и сбор данных об эмиссивности контролируемого объекта.
В процессе проведения контроля выявляются характерные зоны повышенной активности АЭ, характер взаимосвязи источников с приложенной нагрузкой, влияние выявленных зон на работоспособность узла (элемента). В случае вы явления источника повышенной активности АЭ, влияющего на работоспо собность конструкции, производится локализация данного источника и кон тролируется процесс трещинообразования в нем, производится мониторинг дефектного узла на всем протяжении эксплуатации до принятия решения о проведении ремонтных работ.
При оценке результатов контроля, в качестве нормируемых, исполь зуются следующие параметры: амплитуда сигнала от источника акустиче ской эмиссии на каждом преобразователе (Hit, Event), дБ;
разность времени прихода импульсов от источника на соседние преобразователи, с;
длитель ность импульса, мкс;
количество сигналов за промежуток времени (актив ность источника акустической эмиссии).
В соответствии с разработанной методикой, последовательность вы полнения работ делится на следующие этапы: подготовительные работы, непосредственный контроль и обработка результатов.
Проведение подготовительных работ предусматривает предваритель ную оценку в лабораторных условиях и на натурном объекте основных пара метров волновых процессов в материале.
Проведение практических работ предусматривает сбор шумовой ин формации с контролируемой поверхности и наблюдение за потоком входя щей информации, оценка изменения потока от приложенных нагрузок, рас пределение шумов по поверхности.
Предварительная обработка сигналов АЭ производится по мере её по ступления в процессе контроля и позднее, в режиме постобработки, и преду сматривает выявление характерных зон повышенной активности АЭ, их идентификацию и положение на объекте.
Диагностирование технического состояния объекта методом акусти ческой эмиссии сводится к решению следующих задач:
построение характеристики отдельного бездефектного узла и создание его образа (маска «бездефектности»), либо использование существующего образа дефектного узла для его дальнейшего контроля;
сбор данных о техническом состоянии объекта;
выделение определенного типа дефекта из общего массива зарегистри рованных сигналов (фильтрация данных);
выбор системы классификации опасности зон повышенной активности;
принятие решения о принадлежности каждой отдельной зоны к одному из классов опасности;
принятие решения о целесообразности дальнейшей эксплуатации кон струкции, периодичности проведения повторного контроля, либо проведение незамедлительного ремонта.
Маска «бездефектности» формируется при подготовительных работах перед проведением испытания (ненагруженное и частично нагруженное со стояние) и необходима для более оперативного выявления эксплуатационных дефектов и оценки их опасности в поле повышенных шумов, а также для оценки динамики развития дефекта, как в период проведения испытания, так и при последующих контролях через отдельные промежутки времени. По строение маски «бездефектности» предусматривает выявление зон повышен ной активности на всех этапах цикла экскавации, за исключением нагрузок от подъема заполненного ковша, что позволяет выявлять именно развиваю щиеся дефекты и следить за их развитием при выполнении производственно го процесса. Зоны, выявленные при построении маски «бездефектности» можно считать как не оказывающие существенного влияния на работоспо собность, так как не зависят от приложенной нагрузки.
В работе предложена классификация источников акустических сигна лов. Отнесение источников повышенной активности АЭ к тому или иному классу опасности по типам дефектов производится исходя из их активности, конструктивного исполнения, ответственности узла, взаимного влияния кон структивных элементов, а также из статистических наработок по данному ти пу оборудования.
I класс – пассивный источник. К источникам I класса можно отнести зоны узлов и элементов, которые участвуют в эмиссивности объекта, но не оказывают влияния на работоспособность (не зависят от приложенной нагрузки).
II класс – активный или пассивный источник. К активным источникам II класса можно отнести зоны узлов и элементов, которые участвуют в эмис сивности объекта и при соответствующих условиях могут оказать влияние на работоспособность, а так же зависят от приложенных нагрузок. К пассивным источникам II класса можно отнести зоны узлов и элементов, которые участ вуют в эмиссивности но не оказывают влияния на работоспособность, при этом зависят от приложенной нагрузки.
III класс – критически активный источник. К источникам III класса можно отнести зоны узлов и элементов, оказывающие влияние на работоспо собность и напрямую зависящие от приложенных нагрузок. Отнесение ис точника к данному классу должно свидетельствовать о постоянной повторя емости результатов контроля. При этом частота повторения соизмерима с ко личеством циклов производственного процесса.
В четвертой главе приводится методика обработки результатов кон троля и оценка возможности эксплуатации элементов при наличии выявлен ных дефектов.
Выделение полезных импульсов из общего массива данных предлага ется производить по многоступенчатой схеме, так как при проведении кон троля в возбуждении акустической эмиссии участвуют все возможные типы источников. Применение такой схемы обработки обеспечивает эффективное определение зон повышенной активности, удаление ложных импульсов, ко личество которых может достигать 90% от общей массы зарегистрированных сигналов, и определение достоверности самого контроля.
На основе результатов распределения импульсов по амплитудной шкале выбирается порог дискриминации, характеризующий уровень шумов бездефектного участка оборудования. Порог дискриминации, определенный в постобработке, сопоставляется с результатами определения масок «безде фектности», т.е. производится обоснование выбора порога и анализ повыше ния уровня шумов на работающем оборудовании. При этом порог дискрими нации принимается на 6 дБ выше уровня шумов, установленных при опреде лении масок «бездефектности» с целью удаления из общего числа ложных импульсов, образовавшихся из многократно проходящих волн по поверхно сти контроля от мощных источников.
Общая масса сигналов АЭ делится на три диапазона: зона шумовых помех, зона низкоамплитудного сигнала и зона высокоамплитудного сигнала.
Шумовые помехи исключаются из обработки, а остальные импульсы, находящиеся правее порога дискриминации, разделяются либо на отрезки с диапазоном 10 дБ, либо по характерным границам. Целью такого анализа яв ляется определение истинного источника АЭ, а не его «фантомов», которые формируются при многократном переотражении волн от элементов кон струкции.
Предлагаемая схема анализа амплитудной шкалы состоит из: опреде ления активности каждого ПАЭ из выбранного участка поверхности, распре деления (расположения) источников на поверхности объекта контроля, по строения зависимости числа импульсов от действующих нагрузок, анализа импульсов АЭ, отнесения выявленных зон к определенному классу опасно сти, нанесения зон повышенной активности АЭ на поверхность контролиру емого объекта и проведения дополнительного неразрушающего контроля для подтверждения выявленных дефектов.
Как свидетельствует анализ причин разрушения несущих элементов металлоконструкций, большая часть разрушается по причине неквалифици рованного подхода к ремонтному процессу. На сегодняшний день применя ется только один способ ремонта образовавшихся дефектов (в основном это разной величины и направления трещины) – проведение сварочных работ, однако в силу специфики эксплуатации оборудования (отсутствие достаточ ного количества времени на проведение аварийных ремонтных работ, отсут ствие на месте работ квалифицированного специалиста, специального обору дования и расходных материалов) эти работы проводятся в полевых услови ях, в темное время суток, в условиях пониженных температур, что приводит к нарушению технологии проведения сварки.
Вторым, не менее важным вопросом, напрямую влияющим на безава рийность эксплуатации при проведении ремонтов, является выполнение диа гностических работ при пониженных температурах и определение качества сварных швов, так как в целом ряде климатических зон нашей страны прове дение таких работ не представляется возможным.
Анализ образовавшихся дефектов показывает, что около 75% выпол ненных ремонтных работ повторяются в течение календарного года, а остав шаяся часть – 25% повторяются в течение последующих 3-х лет, ремонтные работы направлены не столько на безопасность дальнейшей эксплуатации, сколько на временное поддержание оборудования в состоянии выполнять технологический процесс.
Ниже на рис. 6 приведен пример отремонтированного сварного со единения, который по результатам ультразвукового и визуального методов неразрушающего контроля были классифицированы как годные к дальней шей эксплуатации, при этом, по результатам акустико-эмиссионного кон троля на данном сварном шве была выявлена зона повышенной активности.
После вырезки участка этого сварного шва видно, что его переваривали не менее 3-х раз, при этом, в конечном варианте, эксплуатационный дефект ис правлялся совсем не в том месте, где он зародился, при этом допущено большое количество недопустимых дефектов, которые не позволяют в даль нейшем эксплуатировать данный узел.
Сварной шов тре тьего ремонта Заводской шов Сварной шов Сварной шов второго ремонта первого ремонта Рис. 6 Поперечное сечение ремонтного сварного шва С целью повышения безаварийности эксплуатации элементов метал локонструкций экскаваторов-драглайнов, без вывода оборудования из техно логического процесса, предлагаемый в работе мониторинг технического со стояния по параметрам акустической эмиссии позволит:
сократить простои в ремонте не менее чем в полтора-два раза, посколь ку высокая трудоемкость поиска дефекта и восстановления работоспособно сти составляет около 800-1000 часов в год;
сократить количество отказов, поскольку мониторинг технического со стояния позволит своевременно выявлять все дефекты, склонные к развитию;
предотвратить разрушение конструкций, в том числе в период низких температур;
обосновать перенос ремонтов на более благоприятный период;
предотвратить необоснованное вмешательство ремонтного персонала при выполнении ремонтных работ;
оценить качество проведенного ремонта для существующих условий эксплуатации с точки зрения прочности конструкции, поскольку большая часть (около 75%) отремонтированных сварных соединений разрушаются в течение календарного года, и только около 25% эксплуатируется более 3-х лет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи совершенствования системы технического обслуживания экскавато ров-драглайнов на основе мониторинга состояния их металлоконструкций методом акустической эмиссии, позволяющей повысить эффективность и безаварийность эксплуатации, имеющей важное практическое и экономиче ское значение для предприятий горной промышленности.
Теоретический анализ и экспериментальные исследования условий эксплуатации экскаваторов-драглайнов на разрезах ОАО УК «Кузбассраз резуголь» позволили сделать следующие выводы:
1. Впервые предложена и практически подтверждена возможность и необходимость проведения мониторинга технического состояния элементов металлоконструкций шагающих экскаваторов методом акустической эмиссии с целью выявления развивающихся эксплуатационных дефектов без вывода оборудования из технологического процесса экскавации.
2. Экспериментально доказано, что активность АЭ в упругой зоне дефор маций при одноосном растяжении образцов металла, изготовленных из ста лей 10ХСНД и 16ГС, возрастает до значений 1,01 1,05 от величины предела текучести, а затем снижается.
3. Предложена методика проведения мониторинга технического состоя ния элементов металлоконструкций экскаваторов-драглайнов с совместным использованием тензометрирования и акустической эмиссии, позволяющая не менее чем в полтора-два раза сократить трудоемкость поиска и устранения дефектов, что в свою очередь, обеспечивает возможность планирования меж ремонтных периодов и объемов плановых ремонтных работ.
4. Экспериментально получены коэффициенты затухания ультразвуково го сигнала в элементах металлоконструкций экскаваторов-драглайнов в зави симости от способа исполнения и частотного диапазона преобразователей:
для трубных элементов – 0,5 1,0;
для литых – 2,0 2,6. Эффективное рас стояние установки преобразователей составляет для трубных элементов – 5 м, для литых – 3,5 м.
5. Разработанная классификация дефектов по степени опасности и влия нию на работоспособность металлоконструкций позволяет достоверно выяв лять активные источники акустической эмиссии и на основе их анализа оце нивать возможность дальнейшей безопасной эксплуатации конструкции в целом.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ 1. Менчугин А. В. Применение акустико-эмиссионного контроля для оценки технического состояния одноковшовых шагающих экскаваторов/А. В. Мен чугин, С. И. Протасов, Г. Д. Стенин// Энергетическая безопасность России.
Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды VII междуна родной научно-практической конференции – Кемерово: ННЦ ГП-ИГД им.
А.А.Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2005.
– С.79-82.
2. Менчугин А. В. Испытание несущих элементов металлоконструкций од ноковшовых шагающих экскаваторов с использованием методов акустиче ской эмиссии и тензометрии/А. В. Менчугин, П. В. Буянкин// Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленно сти: Труды VIII международной научно-практической конференции – Кеме рово: ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2006. – С.110-114.
3. Менчугин А. В. Применение методов неразрушающего контроля при про ведении технического диагностирования металлоконструкций одноковшовых шагающих экскаваторов/А. В. Менчугин, И. Д. Богомолов, П. В. Буянкин// Сборник лучших докладов студентов и аспирантов Кузбасского государ ственного технического университета. По результатам 51-й студенческой научно-практической конференции – Кемерово: КузГТУ, 2006. – С.77-80.
4. Менчугин А. В. Основные проблемы эксплуатации металлоконструкций горно-транспортного оборудования на угольных разрезах Кузбасса/А. В.
Менчугин, П. В. Буянкин// Энергетическая безопасность России. Новые под ходы к развитию угольной промышленности: Труды IX международной научно-практической конференции – Кемерово: ННЦ ГП-ИГД им.
А.А.Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2007.
– С.137-140.
5. Менчугин А. В. Особенности оценки шумов при проведении АЭ-контроля стрел карьерных экскаваторов типа драглайн/А. В. Менчугин, С. И. Прота сов// М. - Безопасность труда в промышленности. - № 3. – 2009. – С. 48-51.
6. Менчугин А. В. Оценка технического состояния несущих металлокон струкций шагающих экскаваторов по параметрам акустико-эмиссионного сигнала/ Б. Л. Герике, С. И. Протасов, А. В. Менчугин, П. В. Буянкин//М. Горное оборудование и электромеханика. - № 5. – 2009. – С. 25-30.
7. Менчугин А. В. Основные виды дефектов в металлоконструкциях одно ковшовых шагающих экскаваторах и способ их выявления методом АЭ/А. В.
Менчугин// Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды ХI международной научно-практической конференции – Кемерово: ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2009. – С. 127-130.