Пример. Вопрос продления ресурса решается после оценки технического состояния базовых несущих конструкций

Вопрос продления ресурса решается после оценки технического состояния базовых несущих конструкций. Замена этих конструкций за время назначенного срока эксплуатации не предусмотрена. Возможен лишь ремонт или модернизация некоторых элементов базовых конструкций. Поскольку риск от их разрушения велик, продление ресурса связано с прогнозированием безопасности эксплуатации. Критерием безопасности является сохранение целостности основных несущих элементов конструкций. Для автомотрис такими элементами являются продольные балки, изготовленные из швеллеров №24 или №30 (в зависимости от типа путевой машины).

Обоснование продления срока службы представляется частным случаем теории безопасности, практически воплощаемой концепцией переназначения ресурсов.

После 30 лет эксплуатации и выработки назначенного ресурса можно считать, что для рам автомотрис индекс β₉₈≈0. Проведя комплекс ходовых и лабораторных испытаний были рассчитаны продленные ресурсы и получены функции β₉₈(t) для сопротивления усталости (рис.2.7). Разница в сроках продленной эксплуатации двух типов автомотрис обусловлена существенным различием в режимах нагружения, зарегистрированных в наиболее опасных элементах рамы. С учетом повторяемости скоростных режимов и движения по типам путей (криволинейные участки, стрелки) получены обобщенные параметры процесса нагружения, который включает медианное значение амплитудного напряжения изгиба σ_a, его СКО S_a, коэффициент асимметрии цикла R_σ и эффективную частоту процесса f_e (табл. 2.2).

Параметры основного процесса нагружения рам Таблица 2.2

Малые амплитуды процесса (рама ДГКу) ведут к тому, что расчет на усталостную долговечность дает нереально длительные сроки эксплуатации. Никто не возьмет на себя ответственность на такое продление, поскольку невозможно учесть деградацию свойств и гарантировать сохранение параметров нагружения. В данном случае следует обратить внимание на высокую величину σ, которая свидетельствует о немалых максимальных напряжениях цикла. В таких условиях появляется вероятность внезапного отказа при однократном разрушении от перегрузки. Выше было показано, как формируется кривая периодичности выбросов по функции распределения нагрузок в запроектной и экстремально-аварийной областях. Сравнивая данную функцию с функцией распределения прочности, получают гарантированный ее запас, который зависит от времени эксплуатации. Такая величина пригодна для оценки текущей безопасности, но некорректна при сопоставлении ее с индексом безопасности, поскольку имеет прочностную природу. Для преодоления этого недостатка следует придать индексу безопасности при внезапном отказе ресурсную интерпретацию. Такая возможность появляется, если использовать условную ФРД при однократном разрушении.

Рис. 2.7. Изменение индексов безопасности при ее уровне [R]=0,98 для отказов постепенного типа (сплошные) рам автомотрис при исчерпании назначенного ресурса и после его продления (4 – автомотриса АДМ, 5 – автомотриса ДГКу), а также для отказов внезапного типа (пунктир) при длинах краевой трещины 20 мм(1), 10 мм (2), 0 мм (3) в раме автомотрисы ДГКу.

Используя методы механики разрушения, можно получить взаимосвязь между размером дефекта (трещины) и напряжением разрушения (1, рис. 2.8). Имея данную взаимосвязь, с помощью кривой выбросов получают диаграмму статической долговечности для внезапных отказов (2, рис. 2.8). Эту диаграмму можно представить в кусочно-линейных функциях с показателем наклона к_S (2, рис. 2.9). Зная коэффициент вариации v_f и СКО S_f напряжения разрушения, можно найти СКО величины lgn_OS:

Приняв гипотезу о логнормальности распределения статической долговечности n_OS, ФРД в координатах u_p – S_lgnos будет выглядеть прямой линией (1, рис. 2.9). Тогда по размеру возможного дефекта, установив для него напряжение разрушения элемента конструкции σ_f, находят сначала величину , принимаемую за медиану, а затем и гарантированное значение lgn_OSR (стрелки, рис. 2.7). Ее величина определяет положение функции β_R(t) при внезапном отказе (пунктир, рис. 2.7).

При проведении подобного риск – анализа для рамы автомотрисы ДГКу вариация величины σ_f назначена по вариации критического коэффициента интенсивности напряжений K_IC в размере v_f=0,1, для полулогарифмических координат показатель наклона определен как к_S=0,025 МПа^-1 (средняя часть кривой). Из результатов анализа видно, что трещины длиной более 20 мм не допустимы в опасных местах рамы при продлении ресурса (1, рис. 2.7). С трещинами длиной до 10 мм возможно продление ресурса на 20 лет, хотя их рост при циклическом нагружении не анализировался (2, рис. 2.7).

Экономический эффект от продления ресурса по всему парку обследованных путевых машин (464 единицы) составил более 70 млн. гривен, что намного превосходит экономию затрат на ТО и ремонт, которую можно получить при решении первых двух задач ТД.

Выводы

1. Современное металлургическое оборудование имеет достаточный уровень автоматизации и информатизации, а возможности средств диагностики таковы, что совместно оба фактора могут обеспечить надежное (заблаговременное, достоверное и точное) прогнозирование работоспособного ТС и безопасную эксплуатацию. Однако, такая задача ТД еще недостаточно полно решается в практике металлургического производства, очевидно, вследствие недооценивания возможности материализации рисков и кажущейся сложности налаживания диагностических алгоритмов.

Рис. 2.8. Зависимость напряжения разрушения σ_f от абсолютной l и относительной ε длины краевой трещины в швеллере №30 при K_IC=50 МПа∙√м (1), кривая долговечности n_OS или срока службы L (2), а также принцип определения остаточного ресурса n_l при внезапных отказах по наработке n_Σ.

2. Рассмотрев вопросы продления ресурса реальных конструкций, можно сделать вывод, что оценка работоспособности механических систем по показателям безопасности более состоятельна, чем по показателям надежности, так как первые учитывают наличие дефектов и выбросов процесса нагружения (перегрузок). Благодаря этому установлено, что для конструкций длительного срока службы, подвергающимся незначительным усталостным повреждениям за характерный отрезок времени, ресурс ограничивается риском внезапного отказа.

3. Для отказов внезапного типа разработан алгоритм поиска индекса безопасности в его ресурсной интерпретации. Это позволяет сравнивать риски эксплуатации при отказах усталостного характера и при отказах от однократных перегрузок.

Рис. 2.9. Нахождение условной функции распределения долговечности при внезапном отказе 1 с помощью кривой статической долговечности 2 по напряжению разрушения элемента конструкции σ_f для допустимой безопасности [R] с квантилем u_[R].