Главная » 2014»Сентябрь»1 » Скачать Разработка методики акустико-эмиссионного контроля несущих элементов пролетных строений железнодорожных мостов. Власов, Константин бесплатно
8:51 AM
Скачать Разработка методики акустико-эмиссионного контроля несущих элементов пролетных строений железнодорожных мостов. Власов, Константин бесплатно
Разработка методики акустико-эмиссионного контроля несущих элементов пролетных строений железнодорожных мостов
Диссертация
Автор: Власов, Константин Владимирович
Название: Разработка методики акустико-эмиссионного контроля несущих элементов пролетных строений железнодорожных мостов
Справка: Власов, Константин Владимирович. Разработка методики акустико-эмиссионного контроля несущих элементов пролетных строений железнодорожных мостов : диссертация кандидата технических наук : 05.02.11 Новосибирск, 2007 135 c. : 61 07-5/3436
Объем: 135 стр.
Информация: Новосибирск, 2007
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ 1ЛНеразрушающий контроль железнодорожных мостов в России и за рубежом
12 Анализ причин возникновения дефектов в нролетных строениях металлических железнодорожных мостов
13 Обоснование выбора метода акустической эмиссии и тензометрии для неразрушающего контроля пролетных строений мостов
Выводы к первой главе и постановка задачи ИССЛЕДОВАЬШЕ ВЛИЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА НА ИНФОРМАТИВНЫЕ НАРАМЕТРЫ ИМНУЛЬСОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
21 Формирование модового состава импульса
22 Экспериментальные закономерности распространения импульсов АЭ
23 Влияние параметров акустического тракта на геометрические размеры акустической антенны
Выводы к второй главе ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАРАМЕТРОВ ЭКСНЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ НА ДЕФОРМАЦИИ В МАТЕРИАЛЕ КОНСТРУКЦИИ И НАРАМЕТРЫ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
31 Исследование связи параметров сигналов акустической эмиссии с параметрами поездной нагрузки
32 Определение типа источника АЭ по параметрам сигналов акустической эмиссии
33 Результаты АЭ контроля продольных несущих балок железнодорожного моста через реку Обь в г Новосибирске 3,4 Разработка методики АЭ контроля крупногабаритных сварных объектов железнодорожного транспорта при нагрузках, не превышающих эксплуатационные
Выводы к третьей главе РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ КОНТРОЛЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЛИСТОВЫХ ОБЪЕКТОВ
41 Оценка основных влияющих факторов на погрещность координат внутри акустической антенны
42 Распределение погрешности координат источника акустической эмиссии внутри прямоугольной акустической антенны
43 Анализ экспериментальных погрешностей координат источника на продольной балке
Выводы к четвертой главе Основные выводы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение:
Долговечность и надежность эксплуатации искусственных сооружений зависит от запаса прочности заложенного при конструировании, качества изготовления и сборки, от характера и величины эксплуатационных нагрузок, климатических условий и ряда других влияющих факторов. В различной степени все эти факторы влияют на эксплуатационную надежность, которая определяется достоверностью информации о несущей способности основных частей конструкции. Железнодорожные мосты наиболее характерные представители металлоконструкций, содержащих в себе узлы сложной конфигурации и сварные соединения различного вида, к качеству которых предъявляются особо жесткие требования. В процессе эксплуатации несущие конструкции мостовых пролетных строений (ПС) находятся под воздействием циклических эксплуатационных нагрузок. Образование и развитие усталостных дефектов происходит в длительных временных промежутках. По действующим нормам срок службы ПС составляет 60 лет. Решение о целесообразности реконструкции старого или строительстве нового моста нринимается с учетом сроков проведения предполагаемых работ и материальных затрат. Запасы прочности заложенные при конструировании и реальное техническое состояние объекта позволяют, во многих случаях, безопасно эксплуатировать мосты сверх установленного срока, а некоторые по 100 лет и более. Железнодорожные мосты в условиях России являются стратегическими объектами. Кроме того, многие мосты это историческое и культурное наследие. Таким образом, проблема продления срока гарантируемой значение. В настоящее время практически вся информация о техническом эксплуатации мостов приобретает государственное состоянии моста формируется на основе его периодических визуальных освидетельствований. Требования надзору за состоянием 5 мостов и организации ремонтных работ изложены в [96]. Периодические осмотры на предмет обнаружения усталостных трещин, нарушения целостности окраски, коррозии, ослабления болтовых соединений не может считаться стопроцентно достоверным. Не выявляются скрытые дефекты, а также дефекты, расположенные в труднодоступных для осмотра местах. Усталостные трещины в сварных конструкциях (когда сварной шов не является препятствием для роста трещины) в сложных климатических условиях могут развиваться непредсказуемо. В силу этих обстоятельств решения о ремонте, принятые на основании визуальных осмотров, сводятся к засверловке концов трещины и усиления отдельных узлов конструкции. Заключение о капитальном ремонте, реконструкции или продлении эксплуатации моста является сложной инженерной задачей. Решая ее, выполняют испытания мостов с использованием средств инструментального контроля. Измеряют прогибы несущих элементов, определяют частоту собственных и вынужденных колебаний НС, отслеживают перемещения отдельных элементов, проводят ультразвуковую дефектоскопию сварных соединений, выполняют тензометрические измерения напряжений под нагрузкой, измеряют статические напряжения различными методами структуроскопии. Нодобные испытания проводятся как в статике, так и в динамике. Однако до настоящего времени не разработано ни одного достаточно достоверного, мало-затратного, простого в реализации метода прочностных испытаний и дефектоскопирования ответственных элементов мостовых конструкций. Следует отметить, что отдельные работы в этом направлении ведутся как в нашей стране, так и за рубежом [30, 34, 46, 101]. Наиболее перспективным направлением таких работ является разработка встроенных систем мониторинга мостовых конструкций еще на стадии их зарождении и проектирования и монтажа. В этом случае информация о эксплуатационного дефекта может поступать развитии непрерывно, что дает возможность не только своевременно выполнить необходимый ремонт или замену элемента, но и оценить эксплуатационную пригодность объекта в целом. Данная работа направлена на разработку методики инструментального контроля ответственных элементов ПС, лишенной недостатков традиционных методов неразрушающего контроля (НК), снижающей влияние человеческого фактора, направленной на выявления мониторинг различных в типов дефектов и дальнейшую позволяющей эксплуатации. Цель осуществлять процессе всего периода исследования разработка методики акустико-эмиссионного контроля несущих элементов металлических мостовых пролетных строений под поездной нагрузкой на основе комплексного анализа информативных характеристик сигналов АЭ с учетом закономерностей распространения акустических волн в объекте контроля, параметров процессов нагружения и особенностей источников АЭ. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: Исследовать основные закономерности процессов распространения основных мод волн Лэмба в продольной несущей балке мостового пролетного строения. Определить основные факторы, влияющие на погрешность определения координат источника сигналов АЭ и распределение погрешностей внутри акустической антенны. Рассчитать оптимальную геометрию акустической антенны для систем контроля несущих элементов пролетных строений мостов. Экспериментально исследовать зависимости комплекса основных параметров АЭ сигнала от типа и местоположения источника акустического излучения на продольных несущих балках металлических мостов. Исследовать зависимости характеристик сигналов АЭ от основных параметров поездной нагрузки. Разработать критерии оценки состояния продольных несущих балок железнодорожных мостов на основе результатов АЭ контроля.Настоящая работа выполнялась в соответствие с планом НИОКР МПС России 2000-2003гг., Программой научно-технического сотрудничества Сибирского государственного университета путей сообщения, СО РАН и Железными дорогами регионов Сибири, средств, при Дальнего востока по совершенствованию технических обеспечении снижения и опытно- эксплуатационных расходов, Планом научно-исследовательских конструкторских работ ОАО «РЖД» на 2005 год. (НИОКР: 7.8.02 «Разработка стенда для акустико-эмиссионного метода неразрушающего контроля и прогнозирования ресурса локомотива по перечню ЦТ») С использованием АЭ метода обследовано 24 продольные несущие балки железнодорожного моста через реку Обь в г, Новосибирске. Выявлено 22 источника повышенной как акустической дефекты активности, или 17 из которых идентифицированы усталостного металлургического происхождения. Четыре дефекта обнаружены впервые, то есть являлись скрытыми выявленные и не выявлялись дефекты были при штатных подтверждены методах обследования. методами Все НК активными (ультразвуковой, вихретоковый, феррозондовый). Разработана методика АЭ контроля продольных несущих балок мостовых пролетных строений под нагрузкой проходящего поезда с использованием тензометрии в качестве параметрического канала. Разработанная модель и программа анализа акустической антенны и вычисления координат источника АЭ, а так же программа оценки их погрешности использованы в методике АЭ контроля резервуаров тормозной системы локомотивов (метод внедрен в локомотивных депо Чернышевск ЗабЖД и Инская ЗСЖД) и при контроле котлов железнодорожных цистерн (в вагонном депо Нижнеудинск ВСЖД). Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, разработке вспомогательных устройств и средств сопряжения аппаратурных комплексов; разработке алгоритмов обработки экспериментальных данных и теоретических моделей; анализе результатов экспериментов. Достоверность полученных результатов обеспечивается: использованием современной сертифицированной и поверенной измерительной аппаратуры; сходимостью с результатами ультразвукового, вихретокового, феррозондового и визуально-измерительного контроля; сравнительным анализом экспериментальных данных с результатами других авторов; повторяемостью экспериментальных результатов при многократных испытаниях однотипных объектов; применением фундаментальных положений акустики твердого тела для анализа акустического тракта. На защиту выносятся следующие положения: метод расчета геометрии акустической антенны для контроля крупногабаритных металлоконструкций из листового проката, основанный на анализе параметров акустического тракта и распределении погрешностей определения координат источника; анализ зависимостей потоковых характеристик сигналов АЭ, излучаемых усталостной трещиной от механических напряжений в продольной балке под действием циклической эксплуатационной нагрузки; методика браковки и классификации дефектов в продольной балке моста при циклических нагрузках на основе комплексной оценки энергетических характеристик источников АЭ; методика АЭ контроля с использованием дополнительного канала тензометрии и результаты испытаний продольных несущих балок мостовых пролетных строений. Автор выражает свою благодарность научному руководителю заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору В.В. Муравьеву, коллегам по совместной работе: кандидату технических наук А. Бехеру, кандидату технических наук Е.В, Бояркину, Отдельная благодарность за техническую поддержку, обсуждение и конструктивную критику доктору технических наук, профессору Л.Н. Степановой.АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ Необходимость в методах и средствах НК в мостостроении проявилась в 1946г. при исследованиях по внедрению сварки при восстановлении и монтаже металлических ПС [26]. Применение сварки, как скоростного метода восстановления мостов в военное время, не имело соответствующей научной базы, что привело к появлению массовых дефектов, в основном в виде трещин. В результате строительство сварных конструкций в послевоенное время было приостановлено. Дальнейшее совершенствование и внедрение технологий сварки приводят к ее массовому развиваются применению в мостостроении. НК (в первую очередь Одновременно активно и методы рентгенографические ультразвуковые), направленные на выявление дефектов сварных соединений. Непрерывно совершенствуясь, два этих метода получили широкое распространение [86, 87] и в настоящее времени являются обязательными для контроля сварных швов при строительстве мостов. Однако ряд недостатков этих методов (относительно невысокая производительность, чувствительность только к дефектам, достигающим значительных размеров, зависимость выявляемости дефекта от его ориентации и пр.) не позволяет организовать сплошной контроль конструкции в процессе эксплуатации. Зарождение усталостной трещины, как правило, происходит в местах нарушения структуры материала в зоне сварных швов. Такие локальные изменения структуры не являются дефектами и конструкция принимается в эксплуатацию [98]. Развитие дефектов усталостного характера наблюдается в течение всего срока службы ПС. Тем не менее, единственным методом слежения за техническим состоянием искусственных сооружений в процессе эксплуатации остаются периодические визуальные осмотры.1.1 Неразрушающнй контроль железнодорожных мостов в Росснн н за рубежом Значительная часть железнодорожных мостов в России выполнена по проекту 1967г., разработанному Гипротрансмостом с использованием генеральных размеров унифицированных болтосварных пролетных строений (ПС). Главные фермы треугольные, с дополнительными стойками и подвесками. Проезжая часть ПС представляет собой балочную клетку (набор продольных и поперечных балок), поддерживающих мостовое полотно и передающую давление от него в узлы главных ферм. Конструкция схематично показана на рисунке 1.1, пунктирными линиями изображены элементы главных ферм. Рисунок 1.1- Элементы конструкции балочной клетки пролетного строения Балочная клетка запроектирована в двух вариантах, один из которых с нормальной высотой 1500 мм из стали М 16 С (с повышенным пределом хладоломкости) для районов со сложными климатическими условиями. Продольные балки сварные, в сечении двутавр и рассчитаны на усилия, возникающие в них при совместной работе с нижними поясами главных ферм. Конструкция продольной несущей балки показана на рисунке 1.2. На продольные балки уложен железнодорожный путь (рельсошпальная решетка), через которую воспринимается поездная нагрузка. гп300н20 ел1480)<12 L90K9 ГЛ300»29 Рисунок 1.2 Конструкция продольной несущей балки Таким образом, продольные балки являются несущими и, как показывает практика, подвержены существенному усталостному старению. По данному проекту построен мост через реку Обь в г. Новосибирске, сданный в эксплуатацию в 1985г. Опыт эксплуатации мостов показывает, что конструкции, построенные 60 и более лет назад, долгое время не только обеспечивали надежность, но и обладали запасом несущей способности, и поэтому удовлетворяли условиям безопасного пропуска поездов. Тем не менее, исследования по проведенные за последние десятилетия, показали надежности, стремительно приближающийся момент исчерпания их технического ресурса [28]. Отмечено, что помимо естественного фактора времени, а так же роста грузооборота на процесс износа искусственных сооружений оказывают влияние природноклиматические факторы. Таким образом, ужесточающиеся эксплуатационные условия выдвигают новые требования к надежности конструкции и повышению ее несущей способности. Обеспечение безопасной эксплуатации сложных технических объектов, к которым относятся железнодорожные мосты, является серьезной задачей. Большие механические (в том числе ударные) нагрузки, вибрация, воздействие влаги, суточных и сезонных перепадов температур приводят к увеличению вероятности возникновения дефектов усталостного или коррозионно- усталостного происхождения. Ситуация может усугубляться нарушениями технологии сборки, изготовления отдельных элементов (нарушение химического состава, режимов сварки, термообработки), наличием дефектов производственного происхождения. Во многих случаях даже наличие дефектов незначительных размеров может привести к разрушению конструкции задолго до выработки межремонтного или назначенного срока службы [58]. Так, например, потери только от усталости металла в США составляют до 100 млрд. долларов в год, а от коррозии более 200 млрд. долларов. Объем затрат на средства контроля и диагностики для наблюдения за состоянием ответственных искусственных сооружений в развитых странах достигает 25 и более от стоимости сооружения [52]. На территории России повышенным нагрузкам подвержена вся инфраструктура, что увеличивает риск возникновения техногенных катастроф, связанных с уменьшением эксплуатационной надежности сложных инженерных сооружений. Нередки случаи аварий различных конструкций, объектов и сооружений за последние годы (обрушение железнодорожного моста в Петербурге на Пулковском шоссе 22.12.2003г., обрушение крыши Трансвааль парка в Москве осенью 2003г., обрушение строящегося автомобильного моста в Екатеринбурге в сентябре 2006 г. и т.д.). Многие аварии сопровождаются человеческими жертвами, не говоря о серьезном материальном ущербе. Подобные аварии возникают не только на объектах, исчерпывающих ресурс или отслуживших свой срок, но и на вновь возведенных или находящихся на стадии строительства объектах. 14 Это подтверждает выводы о необходимости мониторинга сложных искусственных сооружений с момента сдачи и до окончания срока эксплуатации, а также и на стадии сборки конструкции. Одним из требований к разрабатываемым системам мониторинга должно стать размещение их элементов и монтаж функциональных блоков одновременно с монтажем всего объекта. На железных дорогах России эксплуатируется более 80 тысяч искусственных сооружений [4], из них 10724 это металлические мосты с общей массой металла ПС порядка 1373,5 тысяч тонн. Их состояние отражено в таблице 1.1. Таблица 1.1- Дефектность элементов мостовых конструкций показатели Дефектность опор Дефектность металлических пролетных строений Дефектность мостового бруса Запущенность по окраске Предупреждения по состоянию сооружения Таким Единнцы измерения тыс. м тыс. т тыс. м тыс. т шт. Годы 1996 1057,8/6,5 180,3/13,2 321,1/9,9 277,8/20,3 1040 1997 785 5,2 167,6/13,1 255,2 8,5 254/19,8 840 1998 711/4,3 157,8/11,5 244,5/7,6 252/19,7 745 1999 636/3,8 129,8/7,1 209,4 6,6 229 /12,5 625 образом, несмотря на снижение показателей дефектности, отмеченной в девяностых годах прошлого столетия (что соотносится со снижением грузооборота по сети, наблюдавшегося в это время) общая ситуация остается неудовлетворительной. Наметившийся в последние годы рост грузоперевозок, связанный с оздоровлением общей экономической ситуации в стране, не может не отразиться на показателях дефектности верхнего строения пути в целом и искусственных сооружений в частности. Опасная ситуация в отношении мостов сложилась не только в России, но и в странах ближнего зарубежья. Например, на путях сообщения Украины эксплуатируется 28438 мостов и путепроводов, 46 из них уже не удовлетворяют большинству требований эксплуатационных норм, 76 требуют текущего ремонта, 14 срочного капитального ремонта и реконструкции. Состояние большинства мостов практически не отслеживается [25]. Схожие проблемы испытывают и автомобильные мосты по сети автодорог не только России, но и всего мира. От успешного решения всех вопросов в области технической диагностики непосредственно зависит функционирование всей системы предотвращения аварийных ситуаций. В частности, задачей технического диагностирования является установление и прогнозирование технического состояния мостовых конструкций, определение или продление гарантируемого срока эксплуатации. В развитых странах уделяется больщое внимание диагностике состояния элементов мостовых конструкций. В начале девяностых годов прошлого века американская ассоциация железных дорог (AAR) начала реализацию обширной программы по обследованию железнодорожных мостов, разработанной группой специалистов AAR и университета штата Иллинойс [67]. Основными целями программы являлись; определение подходов к решению проблем, связанных со старением мостов; изучение воздействий возрастающих осевых нагрузок на напряженное состояние мостовых конструкций. Задачи программы: исследование спектра нагрузок для железнодорожных мостов, действующих в конкретных условиях эксплуатации, на основе измерения величин поездных нагрузок; проведение детальных измерений напряжений и деформаций в основных и вспомогательных элементах мостов, возникающих под действием статических и динамических нагрузок; исследование влияния различных объемов перевозок, конструкции пути и прочностных характеристик элементов мостовых конструкций на восприятие ударных нагрузок и на развитие дефектов; исследование воздействия знакопеременных нагрузок на усталостную прочность и долговечность конструкций. По результатам проведенных исследований все имеющиеся на дорогах мосты были
