Оценка, прогнозирование и управление рисками грузо-подъемных машин критериями магнитного контроля (стр. 7 )

Рис. 5.13. Зависимость величины коэрцитивной силы  и магнитной индукции  от числа циклов нагружения

В работах [268, 269, 270] продемонстрирована возможность с помощью магнитных структуроскопов осуществлять контроль ресурса стальных конструкций по величине коэрцитивной силы при мало и многоцикловой усталости.

В результате поведенных механических и магнитных испытаний можно сделать вывод: в дополнение к дислокационному механизму накопления повреждений в сталях SAE 4140 (0,4С; О,75Мn; 0,2Si; 1,1Cr; 0,25Мо% wt) существенную роль играет диффузия углерода через границу зерен феррита, сопровождающаяся ростом и снижением магнитной индукции , см. рис. 5.13. В сталях, где содержание углерода менее 0,2%, диффузионные процессы углерода при усталости пока мало изучены.

Учесть все физические процессы, происходящие в металле при усталости, достаточно сложно. Поэтому до сих пор не существует единой теории усталости, но все специалисты по теории прочности металлов сходятся на необходимости экспериментального определения предела усталости и расчета конструкции, исходя из данных о статической и циклической прочности, а также вязкости разрушения стального полуфабриката, применяемого при производстве оборудования.

С целью создания методики магнитной диагностики действующего оборудования в процессе эксплуатации специалисты по неразрушающему контролю подъемной техники провели серии циклических испытаний традиционных малоуглеродистых сталей типа ВСт3сп5 [271, 273] Испытания производили на установке «Гидропульс» фирмы «Шенк», оборудованной датчиками силы и деформации при отнулевом цикле нагружения с частотой 3 Гц в режиме МЦУ. Амплитуду нагружения варьировали в диапазоне от 150 МПа до 350 МПа. Это позволяло моделировать основные режимы нагружения металлоконструкций подъемных крапов в соответствии с ИСО 4301/1:

Q1	– легкий режим		(Кр=0,125)
Q2	– умеренный режим		(Кр=0,250)
Q3	– тяжелый режим		(Кр=0,500)
Q4	– весьма тяжелый режим		(Кр=1,000)

Характерные зависимости величины коэрцитивной силы  (А/см) от числа циклов нагружения N представлены на рис. 5.14.

Рис. 5.14. Характерные зависимости величины коэрцитивной силы  (А/см) от числа циклов нагружения N

При нагрузках ниже предела текучести для листов из стали ВСт3сп5 накопление повреждений активно начиналось после  циклов и сопровождалось ростом от исходного  А/см до  А/см, соответствующего предельному состоянию стали перед разрушением (). С ростом амплитуды цикла до 250МПа, когда металл достигает физического предела текучести, тот же процесс начинается уже при циклов и завершается при  А/см (). Когда амплитуда цикла превышает предел текучести стали, рост начинается уже через циклов нагружения и достигает того же максимума  А/см перед разрушением при . То, что во всех случаях низколегированная сталь ВСт3сп5 разрушается при одних и чех же значениях , свидетельствует о возможности энергетического подхода к процессу накопления повреждений и усталостному разрушению при контроле этих процессов с помощью анализа роста коэрцитивной силы .

Сравнивая критические значения , соответствующие предельным состояниям при статическом () и циклическом ( ) нагружениях, видно их соответствие. Это значит, что независимо от способа приложения нагрузки, разрушение происходит после исчерпания энергии, запасенной в металле при его производстве.

Как предел прочности стали одной марки не может быть увеличен выше значения, определенного химическим составом и условиями производства, так и предельная величина коэрцитивной силы для каждой марки стали, есть величина, ограниченная магнитной энергией, заложенной в металле.

Энергетический подход к анализу состояния металла позволяет установить количественные критерии предельных состояний и определить параметры ресурса при диагностике элементов металлоконструкций оборудования по величине коэрцитивной силы.

Здесь необходимо подчеркнуть понятие «элемента», так как в большинстве случаев оборудование собирают из сталей различных марок, для каждой из которых существуют свои критерии предельных состояний.

В работе [273] на основе усталостных испытаний традиционных марок сталей ВСт3сп, 09Г2С были построены зависимости , см. рис. 5.15, в диапазоне параметров нагружения, соответствующих режимам Q1….Q3.

Рис. 5.15. Номограмма для магнитного контроля остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин по ISO 4301

После статистической обработки кривых усталости и определения критериев перехода металла в упруго-пластической состояние и в стадию разупрочнения () были установлены три режима эксплуатации металлоконструкции, характеризующие се остаточный ресурс в , физических циклах нагружения и условных сменах:

1. Режим «Надежной эксплуатации» при , когда металл работает в упругой области диаграммы нагружения и максимальные напряжения значительно ниже предела текучести.

2. Режим «Контролируемой эксплуатации» при , когда отдельные элементы работают в упруго-пластической области диаграммы нагружения, а максимальные остаточные напряжения достигают физического предела текучести стали.

3. «Критический» режим эксплуатации при , когда отдельные элементы конструкции работают в упруго-пластической области диаграммы нагружения или на стадии исчерпания запаса пластичности, а остаточные напряжения в них превышают предел текучести стали.

В работе [212] рассматриваются три способа оценки остаточного ресурса (ОР) на основе кривых усталости равной вероятности разрушения (R=0,95), построенных при МЦУ и МНЦУ.

– Первый, в рабочих сменах (часах), когда ОР рассчитывают через отношение разности числа циклов до разрушения () и отработанного числа циклов () к числу циклов и смену :  (смен). Существенным недостатком такого способа является отсутствие объективных данных о режимах эксплуатации ГПМ как, но числу циклов, так и но амплитуде нагружения. Такую информацию можно получить, при использовании системы «Сирена».