Кузьминов Александр Леонидович – Директор
Инженерно-технического института, заведующий кафедрой
подъемно-транспортных машин
ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет»,
доктор технических наук, профессор
Кожевников Александр Вячеславович – Доцент кафедры
подъемно-транспортных машин,
заместитель директора Инженерно-технического института
ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет»,
кандидат технических наук
В процессе эксплуатации с течением времени в металлоконструкциях (МК) машин и оборудования металлургического производства происходят процессы, приводящие к снижению (потере) их работоспособности и безопасности эксплуатации. Наличие непрерывного технологического процесса при высоких температурах и силовых воздействиях, характерных для машин и оборудования металлургического производства, ускоряет эти нежелательные процессы в МК.
Основными типами повреждений являются остаточные деформации, усталостные трещины и местные деформирования элементов МК. Наиболее поврежденными являются зоны изменения сечений МК, сварные соединения, узлы крепления механизмов, концентраторы напряжений и т.д.
Характерными причинами произошедших крупных аварий являются:
— длительная эксплуатация МК при наличии усталостных трещин;
— конструкционные недостатки (высокая концентрация сварных швов, наличие концентраторов напряжений в зоне повышенной нагруженности и т.д.);
— некачественный металл и дефекты сварки;
— повышенные эксплуатационные напряжения, приводящие к превышению предела выносливости или предела текучести стали;
— воздействие высоких температур (температурные деформации, прогары и т.д.).
Своевременная оценка остаточной несущей способности и надежности МК машин и оборудования металлургического производства имеет существенное значение для обеспечения безопасной эксплуатации и ремонта в оптимальные сроки для увеличения их ресурса, а также для осуществления нормального технологического процесса.
Ключевым узлом оборудования, обеспечивающим подачу стали в сталеплавильных производствах металлургических заводов, является стенд сталеразливочных ковшей.
Сталеразливочный стенд предназначен для приема сталеразливочного ковша с жидким металлом с разливочного крана в исходном положении; передачи ковша поворотом траверсы на 180о в позицию разливки; подъема и опускания ковша для выполнения технологических операций разливки; возвращения порожнего ковша в исходную позицию. Стенд состоит из двух основных частей, подковообразных балок, предназначенных для установки сталеразливочных ковшей и траверсы, состоящей из двух балок коробчатого сечения. Траверса устанавливается на опору с помощью осей на подшипниках качения и совместно с двуплечими рычагами образует Т-образное коромысло, качательные движения которого обеспечивают подъем и опускание сталеразливочного ковша. Опора устанавливается на поворотной платформе и крепится к ней болтами. Поворотная платформа в свою очередь служит основанием поворотной части стенда. Она выполнена сварно-литой и состоит из трех частей, соединенных аналогично балкам траверсы.
Большие нагрузки (масса разливочных ковшей с расплавом 500 т), непрерывный технологический процесс, температурные воздействия, ограниченность доступа к элементам и т.д. ускоряют процессы, приводящие к снижению его работоспособности и безопасности эксплуатации, а также затрудняют получение полной информации по результатам испытаний. Надежность и безопасная эксплуатация сталеразливочного стенда в первую очередь зависят от состояния его металлоконструкций, особенно после выработки нормативного срока эксплуатации.
Проблема оценки состояния несущих металлоконструкций сталеразливочных стендов актуальна не только из-за большого числа объектов, отработавших нормативный срок, но и из-за нехватки методик неразрушающего контроля для получения достоверной информации о несущей способности МК, для достоверного определения остаточного срока эксплуатации, а также отсутствием удобных для использования методик оценки надежности МК.
Предлагается новый метод испытания, который относится к интегральному неразрушающему методу, и который можно применять при испытании балок траверс сталеразливочных стендов. Рассмотрено два варианта определения несущей способности МК сталеразливочных стендов: при линейной зависимости между напряжениями и нагрузкой, а также между напряжениями и деформациями материала, т.е. σ = ε·Е, F = k·ε, и при нелинейной зависимости между F и σ [1].
Рассмотрим методику определения несущей способности МК сталеразливочного стенда при линейной зависимости F от σ.
Предварительно выбирается значение испытательной нагрузки, которое может быть равно нагрузке, при которой работает сталеразливочный стенд или в 2-3 раза меньше этой нагрузки.
Суть метода в следующем. В конструкции выявляются места (элементы) с наибольшими напряжениями или усилиями от прилагаемой нагрузки, где и устанавливают измерители деформаций (перемещений). Если этого сделать не удается, то в дальнейшем необходимо произвести перерасчет по опасному сечению. Установка тензометров на балке траверсы сталеразливочного стенда (сечения 1-1 и 2-2) показана на рис.1.
Расстановка приборов-измерителей деформаций в сечении элемента зависит от вида деформации (удлинение, укорочение, искривление, закручивание), формы и размеров поперечного сечения стержня и возможного наложения одного вида деформации на другой вид.
В двутавровых балках при равномерно распределенной или сосредоточенной нагрузке, а также в балках коробчатого сечения таким местом является верхняя или нижняя кромка (грань) балки в зависимости от формы ее поперечного сечения, как показано на рис.2.
Если в ходе обследований конструкции обнаружено наличие трещин в растянутой зоне или в ходе испытаний получены подозрительно маленькие значения деформаций, то необходимо произвести установку измерителей деформаций и в сжатой зоне металлоконструкции.
В зависимости от количества нагружений (допустим 15-20 и более раз) возможно получение достаточной информации и, следовательно, возможная дальнейшая обработка результатов измерений по теории вероятностей и математической статистике. Но в условиях эксплуатации получить исчерпывающую статистическую информацию нередко бывает сложной, а порой и невыполнимой задачей из-за ряда существенных ограничений в условиях непрерывного производства (обеспечение технологического процесса). В этом случае дальнейшая обработка результатов измерений ведется на основе теории возможностей.
Методика определения несущей способности металлоконструкций
на основе теории вероятностей при линейной зависимости
напряжений от нагрузки
После проведения анализа на выброс полученных значений деформаций и других случайных величин находят параметры распределений. Например, для нормального закона распределения это будут среднее значение и среднее квадратическое отклонение [2].
Известно, что статистическое математическое ожидание (среднее значение) деформации будет
Обычно вырезание заготовок для испытания образцов производится в наименее напряженных участках МК сталеразливочных стендов, что не отражает истинного состояния физико-механических свойств металла в самых опасных (наиболее напряженных) участках МК. Ограниченное число заготовок диктуется требованиями «не навреди», т.е. безопасной эксплуатацией оборудования, что сводит это количество к минимуму и, как следствие, – получение ограниченной статистической информации, затрудняющей анализ результатов испытаний на основе теории вероятностей и математической статистики.
Методика определения несущей способности
металлоконструкций при нелинейной зависимости
Предлагаемый метод отличается от описанного ранее тем, что диаграмма F-σ будет криволинейной, которую можно аппроксимировать полиномом n-й степени (n≥2). В связи с этим испытания балки траверсы проводятся, как минимум, тремя разными по величине нагрузками, каждая последующая испытательная нагрузка больше предыдущей, т.е. должно выполняться условие F1<F2<F3. Последняя испытательная нагрузка, в данном случае F3, может быть меньше или равной той нагрузке, при которой эксплуатируется сталеразливочный стенд.
Затем, после каждого нагружения балки траверсы сталеразливочного стенда нагрузкой F1 измеряется деформация ε1 несколько раз. Аналогично поступают при нагружениях конструкции нагрузками F2 и F3.
Таким образом, проблема оценки технического состояния несущих МК сталеразливочных стендов актуальна из-за большого числа объектов, отработавших нормативный срок, и из-за отсутствия методик неразрушающего контроля для получения достоверной информации о несущей способности МК, по оценке надежности МК и достоверного определения остаточного ресурса.
Разработка и применение методов, позволяющих определять несущую способность, надежность и ресурс МК сталеразливочных стендов машин непрерывного литья заготовок металлургического производства, экономически целесообразны и необходимы по условию безопасности производства и возможности выявления резерва несущей способности.
Библиографический список
- Уткин В.С. Прогнозирование долговечности материалов и конструктивных элементов при ограниченной статистической информации / В.С. Уткин, Д.А. Погодин // Конструкции из композиционных материалов. – 2003. — №1. — С.71-74.
- Горев В.В. Математическое моделирование при расчетах и исследованиях строительных конструкций: Учеб. пособие / В.В. Горев, В.В. Филипов, Н.Ю. Тезиков. – М.: Высшая школа, 2002. – 206 с.