О контроле прочности металла конструктивных элементов плавучих кранов

Введение. Грузоподъемные краны являются объектами повышенной производственной опасности, вследствие чего особенно высокие требования предъявляются к их безопасности, в значительной степени определяемой эксплуатационной надежностью. Из анализа работ, посвященных надежности плавучих кранов [1–3], следует, что 22 % отказов вызваны нарушением правил эксплуатации, 27 % отказов связаны с течью в гидравлической системе и 51 % — доля отказов, обусловленных физическими и механическими свойствами металла конструктивных элементов, из которых: 24 % — отказы по причине износа (каната, опорных роликов, подшипниковых узлов, элементов канатно-блочной системы, тормозов и др.) и 27 % отказов имеют происхождением потерю прочности металла (разрушение основного металла и сварных швов, а также чрезмерная деформация элементов металлоконструкции стрелы, контактная деформация опорных роликов и крюков и др.).

В конце 2021 года силами сотрудников кафедры «Эксплуатация транспортных систем и логистика» Донского государственного технического университета произведено обследование технического состояния плавучего крана УМК-2, который использовался при демонтаже старого и строительстве нового Ворошиловского моста через реку Дон в городе Ростов-на-Дону, а также на других водных объектах, где работы мог выполнить только плавучий кран. При обследовании деформированных металлоконструкций, согласно [4], необходимо обращать внимание на дефекты, приводящие к снижению несущей способности конструкции, а именно: отклонению от прямолинейности стоек элементов ферменных конструкций, скручиванию конструкций, несоосности соединений секций стрел, башен, наличию остаточных прогибов пролетных балок и т.п.

В результате обследования было выявлено, что основные отказы, происходившие с краном, приходились на стрелу, а именно на следующие причины: деформацию металла раскоса стрелы, трещины в средней части корневой секции стрелы, трещины в сварных швах корневой секции стрелы, трещины в блоке полиспаста крюка стрелы, дефекты части раскоса стрелы, подвергшиеся деформированию, вследствие чего кран был выведен из эксплуатации.

Постановка задачи. Задачей являлось исследование причины повреждения металлических элементов конструкции стрелы. В общем случае возможны три причины: недостаточно точный расчет конструкции стрелы, несоответствие прочностных характеристик применяемой марки стали требуемым, в соответствии с конструкторской документацией, и перегрузки, допускаемые при эксплуатации машины. Первая причина маловероятна, поскольку кран УМК-2 проектировался в середине 70-х годов в советское время и, как правило, с достаточным коэффициентом надежности по материалу. Чтобы установить вторую и третью причину необходимо было определить прочностные возможности примененного металла поврежденного элемента стрелы. Определение механических характеристик металла действующей машины возможно только на основе применения неразрушающего контроля.

Теоретическая часть. Большинство методов неразрушающего контроля — ультразвуковой, радиационный, магнитный, вихретоковый, акустико-эмиссионный и т.д. предоставляют возможность качественной, а не количественной оценки состояния исследуемого объекта. Поэтому было принято решение применить разработанный в Донском государственном техническом университете метод неразрушающего контроля металла с получением количественных значений его механических характеристик. Метод реализован в системе «Прочность» [5–8], состоящей из электронного блока, включающего в себя аналогово-цифровой преобразователь L-CARDE 14-440, ударного механизма и ноутбука с программным обеспечением [9].

В основе лежит видоизмененный метод оценки твердости по Роквеллу, при этом статическое вдавливание заменено на динамическое с энергией удара 0,16 Дж, а угол при вершине индентора для большей информативности результатов измерения заменен со 120° на 90°. Ударное вдавливание осуществляется за счет пружинного механизма, в котором боек ударяет по держателю индентора. При этом электронный блок фиксирует промежуточные параметры: глубину, максимальную и минимальную скорости, ускорение и замедление индентора в процессе его внедрения в материал и переводит их в механические свойства материала.

Созданию системы предшествовали многолетние исследования механических характеристик большого числа марок сталей различных классов прочности. В результате были получены корреляционные зависимости промежуточных характеристик образа материала, стандартных пределов текучести и прочности относительного удлинения и твердости.

После наполнения этими зависимостями электронного блока достаточно провести измерение вновь исследуемого материала и на экране ноутбука, оснащенного разработанным программным обеспечением, высвечиваются значения стандартных механических характеристик. Система имеет суммарное рассеивание, вызванное разбросом свойств в металле и погрешностью измерения. Предельные значения погрешности одного измерения системой ±4%.

Обсуждение. Контролю подвергся металл деформированного элемента стрелы. Поверхность зачищалась от краски и коррозии до чистого металла, производилось от 10 до 15 измерений в различных точках элемента с единовременной регистрацией механических характеристик.

В соответствии с [10, 11] наилучшим образом распределение получаемых в результате измерений случайных значений механических характеристик описывается трехпараметрическим законом Вейбулла.

где X — величина механического свойства; A, B, C — параметры масштаба, формы и сдвига.

где X — величина механического свойства; A, B, C — параметры масштаба, формы и сдвига.

Важнейшим параметром этого распределения является параметр сдвига или минимальное значение механической характеристики.

По этой причине данные, полученные в разных точках элемента, объединялись в один массив (таблица 1) и затем обрабатывались с помощью программы на соответствие трехпараметрическому закону Вейбулла.

Таблица 1

Массив данных, подверженных обработке

Аппроксимация эмпирических значений предела текучести σ_т, предела прочности σв и относительного удлинения δ₅ проводилась по методам моментов и максимального правдоподобия с критерием согласия ω² (таблица 2).

Таблица 2

Аппроксимация эмпирических значений механических характеристик

По результатам испытаний обнаружилось следующее. При оценке предела текучести критерий значения ω² несколько ниже по методу моментов, что соответствует минимальному значению 285 МПа. При оценке предела прочности значение критерия ω² ниже по методу максимального правдоподобия и это соответствует минимальному значению 423 МПа. При оценке относительного удлинения значение критерия ω² незначительно ниже по методу моментов и это соответствует минимальному значению 17,3 %.

Заметим, что во всех случаях параметр формы «В» имел значение, превышающее 2, что также указывает на согласованность распределения текущих измеренных значений с распределением Вейбулла.

Выводы. В конструкторской документации на изготовление грузоподъемного крана УМК-2 указан материал раскосов стрелы сталь 09Г2С. Эта сталь должна иметь значения механических характеристик не ниже, чем: σ_т = 345 Мпа; σв = 490; δ₅ = 21%. Т.е. минимальные значения механических характеристик испытанного материала уступают заявленным соответствующим значениям для стали 09ГС по пределу текучести на 17 %, по пределу прочности — на 14% и по относительному удлинению — на 18%, что может явиться одной из причин пластической деформации раскоса стрелы.

Поступила в редакцию 05.07.2022

Поступила после рецензирования 29.07.2022

Принята к публикации 29.07.2022

Об авторах:

Вернези Никос Леонидович, доцент кафедры «Эксплуатация транспортных систем и логистики» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, vernezin@mail.ru

Русаков Владислав Андреевич, студент кафедры «Эксплуатации транспортных систем и логистика» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1) vlad.rusakov.1999@mail.ru

Заявленный вклад соавторов:

Н. Л. Вернези — постановка проблемы, разработка концепции статьи; В. А. Русаков — критический анализ литературы, сбор и обработка статистических данных.