Новый метод технической диагностики механизмов

У большинства существующих металлоконструкций подъёмно-транспортных машин со временем развиваются внутренние усталостные процессы, которые приводят к отказам механизмов или более серьёзным аварийным ситуациям, в которых могут пострадать и люди. Вследствие чего техническая диагностика на предмет выявления усталостных напряжений является приоритетным направлением развития в области технической эксплуатации строительных машин и оборудования. Недавно силами российских учёных был разработан эффективный метод использования углеродного волокна для диагностики машин и механизмовпо на предмет усталостных повреждений. Данный метод даёт возможность не только вовремя отыскать проблемное место в металлоконструкции, но позволяет создать целую систему для наблюдения и контроля технического состояния подъёмно-транспортного оборудования. Новый метод диагностирования основан на особенностях углеродного волокна, а именно: углеродное волокно проводит электрический ток; оно обладает тензочувствительностью, способностью пропорционально изменять своё электрическое сопротивление в соответствии с изменением напряжённо-деформированного состояния окружающего материала.

 

Данные способности материала позволяют вести наблюдения о напряжённом состоянии материала конструкции и делать выводы о работоспособности и степени усталостного повреждения. При помощи методики можно осуществлять мониторинг необходимых параметров непосредственно во время эксплуатации. Это даёт возможность получать достоверную и детальную информацию о состоянии металлоконструкции и прогнозировать дальнейший способ эксплуатации и расписание проведения ремонтно-восстановительных работ. При разработке новой методики были изучены свойства чувствительных элементов на основе углеродных волокон, и по результатам исследований разработана система наблюдения и контроля технического состояния подъёмно-транспортных машин. В процессе ряда экспериментов выяснено, что углеродные волокна, полученные, например, из вискозы, не подходят в качестве тензочувствительных элементов из-за неправильного сечения волокон, что приводит к широкому разбросу теплофизических свойств. Разработанная методика диагностирования повреждений металлоконструкции может применяться только с волокнами, имеющими правильное сечение. Сечение правильной формы, круглой, было обнаружено у графитизированных полиакрилонитрильных волокон, т.н. ПАН-волокон, размер нитей которых колеблется от 25 до 100нм. Правильная форма нитей позволяет получать данные с малой долей ошибки. Совместно с экспериментальным изучением свойств углеродных волокон выведена математическая модель, которая связывает ресурс металлоконструкций с их эксплуатационными характеристиками. Это позволяет оптимизировать процессы диагностики. Также предложена система оценки работоспособности элементов диагностируемой конструкции.

 

В зависимости от заданных параметров точности система разделяет элементы на две группы: простые, представляющие собой пружинно-поршневые модели, и сложные. Для простых моделей разработаны расчётные схемы, с помощью которых можно определить общую совокупность усталостных повреждений с учётом диссипации энергии, и отработаны алгоритмы подсчёта энергии необходимой для деструкции материала; сформированы модели на основе регрессионного анализа, позволяющие учесть в расчёте эксплутационные детерминанты и с помощью теории катастроф определить интервал их работоспособного состояния. В сложных системах процессы переменных состояний элементов металлоконструкций оцениваются величиной энтропии, которая определяется из условий её равновесия в данный момент времени. В такой системе устанавливают связи между идентифицирующими её обратимыми и необратимыми внешними и внутренними соотношениями. Таким образом, разработан метод структурного моделирования элементов металлоконструкций, который состоит из следующих составляющих:

Полученные теоретические и экспериментальные данные помогли создать технологию, при помощи которой будет происходить сам процесс диагностики машин на предмет определения зон подверженных усталостным нагрузкам. Новая технология позволит применять методы, использующие для диагностики графитизированные углеродные волокна следующим образом: части металлоконструкции, которые теоретически должны испытывать сильные усталостные нагрузки покрывают слоем вяжущего диэлектрика. Дальше элемент конструкции обматывается лентами из углеродного волокна, которые наносятся с максимально возможным натягом. Чем меньше шаг углеродных лент, тем точнее будут входящие данные о происходящих в металлоконструкции процессах. Нанесенные на конструкцию ленты повторно покрываются сверху слоем связующего диэлектрика и оставляют на время полного отвердевания связующего материала. После чего концы углеродных лент подсоединяют к омметрам и фиксируют в начале базовое значение сопротивления, затем любые изменения сопротивления в конструкции в режиме реального времени. Постоянный рост сопротивления на локальной площади будет свидетельствовать о наличие в данном элементе прогрессирующих усталостных напряжений. Данная технология позволяет предупредить усталостные разрушения материала, обозначить эффективный эксплутационный период для подъёмно-транспортной машины до отправки её на ремонт/восстановление. Таким образом, существующий метод рекомендуется в первую очередь для башенных кранов, консолей фасадных подъёмников, мачт грузовых подъёмников и т.д. Метод позволяет предупредить серьёзные аварии, особенно на тех подъёмно-транспортных механизмах, которыми управляют непосредственно люди, тем самым, снижая травматизм и смертность при работах на высоте.