К. т. н. Жидков А. Б.

Восточноукраинский национальный университет имени В. Даля, г . Луганск ВИБРОДИАГНОСТИКА ОТВЕТСТВЕННЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Проблема диагностики и определения остаточного ресурса объектов машиностроения повышенной опасности, стоит в Украине очень остро. Об этом свидетельствует износ мостов, подъемно-транспортного оборудования, портового оборудования и трубопроводов на 70–90%. По оценкам экспертов затраты на диагностику и определение остаточного ресурса данных объектов сравнимы с их остаточной стоимостью. Часто в состав таких объектов входят сварные металлоконструкции, состояние которых и определяет работоспособность объекта целиком. Основными повреждениями таких конструкций являются усталостные и коррозионные трещины, механические повреждения и деформации. Диагностика подобных металлоконструкций традиционными методами сложна или невозможна.

В качестве альтернативного метода предлагается использовать вибродиагностику конструкции, которая заключается в записи и анализе АЧХ конструкции при ее нагружении маломощными вибраторами. Данный метод является неразрушающим, интегральным и не требует сложного оборудования и больших затрат, в том числе и времени.

Суть метода заключается в следующем. Конструкцию после изготовления нагружают с помощью механических вибраторов и используя датчики вибрации записывают ее АЧХ. Эту первичную АЧХ считают условно эталонной, соответствующей конструкции без повреждений. Затем с заданной периодичностью в процессе эксплуатации нагружают конструкцию по той же схеме и сравнивают полученные АЧХ с эталонной.

Для надежного выявления механических ослаблений (зародышей трещин, развивающихся трещин, коррозионных язв и утонений) рекомендуется использовать следующую схему нагружения . Вибратор и датчик располагают на максимальном отдалении друг от друга, так, чтобы условный путь волны от вибратора В до датчика Д был максимальный. Поскольку механические ослабления характеризуются ярко выраженной чувствительностью к направлению распространения волн, для надежного их выявления рекомендуется использовать три взаимно перпендикулярных направления условного пути волн или максимально близкие к этому направления (рис. 1). Для развитых пространственных конструкций количество направлений рекомендуется увеличить.

Рис. 1. Схема нагружения металлоконструкции при вибродиагностике

Для конструкций, уже находящихся в эксплуатации эталонную АЧХ получить невозможно, однако даже анализ текущих АЧХ позволяет судить о процессах в ней и оценивать наличие дефектов.

Изменение первых собственных частот конструкции более чем на 5–10 Гц свидетельствует о значительных деформациях, разрыве связей между элементами или существенном перераспределении остаточных напряжений. Это не является обязательным свидетельством износа, однако служит поводом для более частой и детальной диагностики.

Появление и развитие различного вида повреждений сопровождается появлением в АЧХ нестационарной составляющей, которая легко выявляется современными средствами спектральной обработки. Частоты таких импульсов лежат обычно в области выше 1 кГц, что позволяет легко отделять их от несущих частот вибратора (до 200 Гц).

Наиболее типичные повреждения конструкций могут быть типизированы и определены сигналы, характерные для них.

Так значительные разрушения элементов конструкции, сопровождающиеся их отрывом, проявляются как значительное снижение демпфирующей способности конструкции в целом. В данном случае в одном из выбранных направлений условного пути в АЧХ будет явно выраженная первая гармоника вибросигнала независимо от частоты работы вибратора.

Коррозионные утонения будут проявляться как сдвиг отдельных собственных частот и их первых гармоник в сторону снижения частоты. Эти изменения также могут быть заметны только для отдельных направлений вибрации.

Трещины различного вида проявляются как высокочастотные биения с ярко выраженными первыми тремя, а часто и 5–7 гармониками, частота которых не является стабильной а непрерывно изменяется. Особенно ярко эффект изменения частоты резонансов, вызванных трещинами проявляется на стадии их роста.

Кроме того ширина первой гармоники в случае наличия трещин будет существенно выше, чем у конструкции без трещин. Этот же эффект, с ослаблением наблюдается для всех нечетных гармоник.

Используя вибродиагностику можно заблаговременно предсказать повреждение и разрушение металлоконструкции и сделать вывод о динамике процесса (развиваются трещины или ситуация стабильна). В некоторых случаях можно определить расположение повреждения, однако, для сложных, постранственно развитых металлоконструкций типа рам, ферм и пр. это требует дополнительных исследований.

На кафедре обработки металлов давлением и сварки ВНУ им. В Даля, Луганск, создана экспериментальная схема и разработана методика для проведения диагностики по описанной схеме. Проведен ряд экспериментов, выявивший возможности и ограничения для использования описанного метода диагностики. Разрабатывается методика надежного определения местоположения дефектов в конструкции.