К текущему моменту особенно актуальным является определение остаточного ресурса кранов, отработавших свой нормативный срок.

В настоящее время существует ряд методик позволяющих определить остаточный ресурс грузоподъемных кранов тяжелых и средних групп классификаций. Ресурс кранов определяется либо путем метода экспертных оценок, либо на основании косвенных показателей (срок службы грузовых канатов, ходовых колес и т.д.).

В указанных методиках остаточный ресурс считается в зависимости от числа циклов нагружения крана и связанного с этим накопления величины усталостного повреждения. Однако подобный подход не применим в отношении кранов легких групп классификации и кранов работающих в агрессивных средах, для которых главным критерием определения остаточного ресурса является степень коррозионного поражения металлоконструкций и коррозионной усталости кранового металла [1].

Известно, что коррозия существенно снижает предел выносливости стали и меняет сам характер кривой Веллера [2], [3]. Однако до сих пор неизвестны точные количественные параметры изменения усталостных характеристик металла в зависимости от степени коррозии.

В связи с этим предлагается провести усталостные испытания металлических образцов имеющих различную степень коррозионного поражения и сварные соединения элементов.

Для этого необходимо разработать методику испытаний (выбор испытательной установки, выбор образцов).

Основные способы силовозбуждения в машинах для испытания на усталость реализуют один из двух принципов силовозбуждения: резонанс¬ный или нерезонансный. Резонансный принцип силовозбуждения по сравнению с нерезонансным способом дает возможность увеличить амплитуды развиваемых нагрузок и повысить производительность испытаний. В таких машинах частота вынужденных колебаний на рабочих режимах близка к частоте собственных колебаний упругой системы, содержащей образец. Поэтому при испытаниях на резонансной машине значения предела выносливости или долговечности при заданном напряжении обычно соответствуют появлению трещины определенных размеров (которая приводит к выходу колебательной системы из условий, близких к резонансу), тогда как те же характеристики сопротивления усталости при испытаниях на машине с нерезонансным силовозбуждением соответствуют обычно пол¬ному разрушению образца. Однако при специальных исследованиях в случае испытаний на машине с нерезонансным силовозбуждением могут быть определены количество циклов N и усталостная прочность -1, соответствующие заданной длине трещины.

Испытательные машины преобразуют получаемую извне энергию в энергию деформации образца, движение масс исследуемого объекта, преодоления сопротивления среды. Поэтому машины классифицируют по применяемым способам силовозбуждения [4].

Различают следующие способы:

1. Механический, основанный на использовании рычаж¬ных, эксцентриковых, инерционных и комбинированных механизмов.

2. Гидравлический, основанный на использовании энергии сжатой жидко¬сти.

3. Пневматический, основанный на использовании энергии сжатого газа, в частности воздуха.

4. Электрический (электромагнитный, электро¬динамический, магнитострикционный).

Наиболее распространенные машины, предназначенные для испытаний на усталость вращающихся круглых образцов при чистом или консольном изгибе.

На рис. 1, а дана схема машины для испытания на усталость круглых образцов при чистом изгибе с вращением. Образец 3 закрепляют головками в патроны двух шпинделей 2, которые, получая вращение от электродвигателя 1, могут поворачиваться в вертикальной плоскости совместно со своими корпусами относительно шарнирных опор 4. Образец нагружают подвешиванием гирь 7 на рычаг 6 с шарнирной опорой 5. Вес гирь через рычажную систему передается на образец, возбуждая в нем синусоидальные напряжения, изменяющиеся по симметричному циклу. Регулирование напряжений производят изменением веса гирь или их положения на рычаге 6. Нагружение - мягкое, т. е. с заданным размахом напряжений. Если необходимы испытания образцов по жесткому режиму, т. е. с заданным размахом деформации, то гири заменяют жестким упругим элементом, например плоской рессорой 9 с нагружающим винтом 8 и маховичком 10 (рис. 1, б).

Схема аналогичной машины для испытаний при консольном изгибе с вращением представлена на рис. 1, в, в некоторых конструкциях весовое нагружение заменяют пружинным (рис. 1, г). Цикл действующих напряжений - симметричный, синусоидальный.

Машины описанных типов применяют для испытания образцов диаметром от 1 до 100 мм и более при частоте до 200 Гц. При испытаниях особо крупных образцов (до 300 мм) рабочую нагрузку возбуждают с помощь гидроцилиндров.

Широкое распро¬странение получили два типа машин для испытания на усталость с гид¬равлическим способом возбуждения циклических нагрузок - односторон¬него и двухстороннего действия. В зависимости от размеров и конструкции машины этих типов могут развивать переменную нагрузку до нескольких меганьютон при частоте от 5 до 50 Гц.

Имеют возможность вести испытания образцов при симметричном и несимметричном циклах,

Возбуждение динамическиих нагрузок с использованием сжатого воздуха получило сравнительно малое распространение в испытательной практике.

Пневматический принцип возбуждения динамических нагрузок при¬меняют для испытания на усталость плоских образцов и при переменном кручении си¬стем как с распределенными, так и с сосредоточенными массами.

В машинах с электромагнитным возбуждением колебания упругой системы питаются и поддерживаются периодическими электромагнитными силами притяжения, возникающими при прохождении магнитного потока через массу якоря, прикрепленного к испытываемому образцу. В машинах с электродинамическим возбуждением колебания вызываются и поддерживаются силами, возникающими при прохождении переменного тока через катушку, находящуюся в постоянном магнитном поле и прикрепленную к испытываемому образцу. Частота возбуждения колебаний в электроди¬намических машинах равна частоте переменного тока в катушке. Эти воз¬будители могут развивать усилия до 400 кН.

Для испытания на усталость применяют стандартные и специальные об¬разцы. Образцы состоят из рабочей части и утолщенных головок, предназначенных для закрепления образцов в захватах испытательных машин.

Предусмотрено 10 типов стандартных образцов. Геометрию, размеры и технологию отбора и изготовления которых регламентирует ГОСТ 25.502-79 [5].

Специальные образцы проектируют и изготовляют для исследования влия¬ния конструктивных и технологических факторов на сопротивление уста¬лости в тех случаях, когда исследование не может быть выполнено при ис¬пользовании только стандартных образцов.

Для более точного моделирования было решено спроектировать образцы специальной формы (рис. 2), состоящий из рабочей поверхности 1, представляющей собой отфрезерованный цельный пруток (рис. 2, а) и сварную коробчатую конструкцию (рис. 2, б)( имеющие определенную степень коррозионного поражения), наваренной на цилиндрические заготовки 2 для закрепления в цанговые захваты испытательной установки.

На данный момент были проведены ряд разведочных опытов с использованием испытательной установки с механическим силовозбуждением рис. 1, а, и образцов рис. 2, а, в ходе которых были получены следующие результаты: для стали 09Г2С при коррозии до 5% предел выносливости снижается на 8,1%, при коррозии до 10% - на 21,6% (рис. 3) по сравнению с образцами без сварочных концентраторов и коррозионного поражения, при среднеквадратическом отклонении 0,98.

Испытанные образцы имели характерный усталостный излом (рис. 4).

На основании проведенных опытов можно сделать следующие выводы.

1. Коррозия значительно снижает усталостную долговечность металлических конструкций кранов: при коррозии до 5% предел выносливости снижается на 8,1%, при коррозии до 10% - на 21,6%.

2. Для более детального исследования влияния коррозии необходимо провести серии опытов со значительными коррозионными поражениями (до 20%) поскольку это является предельно допустимым значением коррозионного поражения крановых конструкций.

Библиографический список

1. Кобзев Р.А. Оценка и повышение безопасности эксплуатации и особенности определения остаточного ресурса козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций. Дис. канд. техн. наук. – Саратов, 2004, - 158 стр.


2. Когаев В. П., Дроздов Ю. П. Прочность и изностойкость деталей машин: Учеб. пособие для машиностроит. спец. вузов. – М.: Высш. школа, 1991. – 319 с.


3. Исаев Н.Н. Теория коррозионных процессов. - М.: Металлургия, 1997. - 368 с.


4. ГОСТ 28841-90. Машины для испытания материалов на усталость. Общие технические требования.


5. ГОСТ 25.502-79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.