Шипилов П.Л. "Эскалаторы метрополитена, их мониторинг и оценка остаточного ресурса с использованием магнитного метода контроля"

Шипилов Павел Леонидович, инженер ООО «ЭКЦ Лифтэксперт»

 Эскалаторы метрополитена, их мониторинг  и оценка остаточного ресурса с использованием магнитного метода контроля

В статье подробно описывается, как рассчитать остаточный ресурс работы эскалатора в метрополитене с использованием магнитного метода контроля.

Принимая во внимание Федеральный закон № 116, который был принят в 1997 году и получил название «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», эскалаторы относят к техническим устройствам, применяемым на ОПО, и подлежащим экспертизе промышленной безопасности после окончания нормативного срока действия. [1]

Эскалаторы устанавливаются в подземных переходах, между станциями метрополитена. Большинство используемых сегодня конструкций нового образца, они отличаются увеличенной пропускной способностью в эскалаторных тоннелях и имеют несколько особенностей:

·          Меньшие габариты, а именно: ширину, диаметр приводной звезды, радиусные участки по всей высоте подъема.

·          Шаг роликов, установленных на тяговой цепи эскалатора кратен шагу, который имеют звенья цепи, что в сравнении с прежними моделями позволило снизить размер делительного диаметра приводной звезды.

·          В конструкции используются тяговые звезды эвольвентного профиля, за счет чего обеспечивается перенос привода на прямолинейный участок и поддерживается постоянная величина и направление вектора скорости рейки.

·          На криволинейных участках взаимный поворот звеньев цепи осуществляется с минимальной нагрузкой, сильное натяжение происходит только на прямолинейных участках.

·          Нет необходимости создавать под конструкцию сложный фундамент или обширное машинное помещение, что дает возможность сэкономить во время строительства новых станций метро и сократить монтажные и строительные работы.

·          Привод в новых моделях эскалаторов помещается под лестничным полотном, в пространстве между холостой и рабочей ветвью, при этом наращивание тягового усилия происходит благодаря параллельной установке нескольких валов.

·          Неперекашиваемость ступеней и отсутствие боковых уводов полотна лестницы стали возможны после использования центрального бегунка.

Несмотря на такое количество преимуществ, есть и недостатки, связанные с техническими проблемами. В некоторых моделях заклинивает степени перехода, поэтому во время эксплуатации было принято техническое решение снизить эксплуатационную скорость.

Редко, но случался и перекос ступеней, в результате чего они под углом напарывались на зубья гребенки. Один такой перекос влечет за собой поломку всех последующих, которые с треском начинают ломаться.

Настил из алюминия на ступенях не смог попасть в зазор между зубьями гребенки снизу, несмотря на то, что он специально сделан рифленым, вот почему столкнулись торцевая поверхность и посадочная площадка. В результате разрушения пострадало три ступени. Как в последствие пояснил конструктор эскалатора, главная причина поломки – изношенные поддерживающие ролики.

Но в результате проверки специалистами Ростехнадзора были выявлены еще несколько конструктивных недочетов в эскалаторах новых версий. По этой причине было решено провести мониторинг новых вводимых в эксплуатацию моделей с целью выявить направления модернизации имеющейся конструкции с учетом недостатков.

В процессе мониторинга были оценены результаты использования коэрцитиметрического метода и метода магнитной памяти металла. В первом случае использовали магнитный структороскоп КРМ-Ц-К2М. а вот мониторинг, основанный на магнитной памяти металла, проводился с использованием нескольких обязательных составляющих:

·          Комплекс АСК-3117, в конструкции которого имеется усилитель.

·          Манипулятор «мышь» модернизированного типа, который основан трехкомпонентных феррозондов, выстроенных на преобразователях Холла. В качестве основного оборудования был взят ПХЭ606117В, чья магнитная чувствительность составляет более 200 мкВ/мТл и ПХЭ606118В, у которого чувствительность больше 30 мкВ/мТл.

·          Пакет программ необходимый для обмена с АСК-310х АРР-3007 и обмена, а также программное обеспечение профессиональной версии АСК-3107-РО.

Стоит сказать, что магнитный контроль механических свойств материалов феромагнитного состава основывается на принципах корреляции между физико-механическими свойствами и магнитными, когда они имеют прямую зависимость от одного фактора. Это может быть химический состав, пластическая деформация, режим термообработки и так далее.

Если говорить об углеродистых малолегирированных сталях, то все перечисленные нами факторы оказывают влияние не только на магнитные, но и механические свойства металлов. Вот почему для контроля напряженно-деформированного состояния материала успешно используют неразрушающий магнитный метод. С его помощью контролируют степень усталостных повреждений на самых нагруженных узлах конструкций, которые работают при постоянном циклическом нагружении, а также уровень пластической деформации.

Дефекты любого типа, за период эксплуатации, накапливаясь в материале, в процессе циклического нагружения при разных по типу нагрузках, а именно натяжении, кручении или изгибе, хранят информацию, связанную с предельными величинами имеющихся нагрузок.

Получается, что ферромагнитный материал, обладая такой структурой, выполняет роль запоминающего датчика, который откладывает пиковые значения силы. При этом ряд магнитных параметров, которые связанны с числом нарушений структуры материала, является отображением имеющегося силового режима конструкции.

На практике при эксплуатации эскалаторов в метрополитенах используют методические рекомендации по расчету остаточного ресурса оборудования и его технического состояния. Подобные инструкции согласовываются с Ростехнадзором.

Есть несколько методик расчета остаточного ресурса, которые указаны в следующем изображении.

Каждая методика указана под отдельной цифрой и имеет свой вариант расчета, в нашем случае мы использовали коэрцитиметрический метод.

Как основной контролируемый параметр, при использовании этого метода, выбрали коэрцитивную силу, выраженную как Н_с. Все потому, что она имеет четкую связь с остаточной пластической деформацией, выраженной ερl.

Чтобы оценить остаточный ресурс использовали экспериментальные зависимости N. Во время проведения контроля несущего элемента металлоконструкции в расчет брались участки с максимальным значением Нсmax. Для восстановления перпендикуляра до пересечения с кривой N(Нс) для необходимой амплитуды σс  использовали номограмму и получали необходимое значение Nо. Таким образом, разница между Nр – максимальным числом циклов и  до наступающего разрушения Nо для имеющегося σс и составляла оставшееся число циклов работы агрегата.

Nост = Nр — Nо

Если вести расчет остаточного ресурса оборудования в километрах его пробега, тогда в основе будет лежать ожидаемая загрузка и частота нагружения на один километр пробега за смену в процессе использования агрегата6

Р = (Nр – Nо)/Cсм

По действующему ГОСТ 27.002-89 показатель остаточного ресурса – процентный ресурс выраженный величиной γ. [2] В нашем случае это общая наработка, за промежуток которой агрегат не достигнет своего предела с вероятностью γ. Выражается эта вероятность в процентах.

При таком исследовании оценка остаточного ресурса производится с учетом самого слабого звена в металлоконструкции эскалатора. Расчеты остаточного ресурса Р в самом нагруженном узле будет производиться по усталостной кривой. Если своевременно определить дефект и провести ремонт, можно увеличить ресурс рассматриваемой металлоконструкции. Так будет, если в процессе ремонта удастся восстановить механические свойства.

Срок, который прогнозируется для эксплуатации эскалаторов, можно разделить на несколько этапов. Отличаются они между собой по количеству накапливаемых микроповреждений и остаточных деформаций:

·          На первом этапе имеет место надежная эксплуатация, когда Нсmax  <<   Нст. На этом этапе предельное напряжение ниже предела упругости, поэтому металл работает в зоне упругости диаграммы нагружения.

·          На втором этапе происходит контролируемая эксплуатация, при показателях - Нсmax ≤ Нст. В этот период некоторые элементы металлоконструкции осуществляют работу в упругопластической области имеющейся диаграммы. Максимальное остаточное напряжение приближается к физическому пределу текучести материала.

·          На третьем этапе наступает критический режим, когда показатель соответствует Нст ≤ Нсmax ≤ Нсв. В это время элементы конструкции эскалатора начинают работать в пластической и упругопластической областях имеющейся диаграммы нагружения. Остаточное максимальное напряжение превышает возможный предел текучести материала.

Когда проводится мониторинг эскалаторов рассматриваемым нами методом контроля, заполняется паспорт по контролю. В него заносят информацию относительно полученного значения Нс, которое получают при первичном контроле и устанавливают наиболее нагруженные части эскалатора.

Необходимо при первичном контроле определить и концентрацию напряжений в соединениях, созданных сваркой. Только так можно создать единую картину первоначального состояния конструкции эскалатора. Согласно карте магнитного контроля, процедуру по коэрцитиметрическому методу проводят в одних точках.

Метод контроля осуществляется в двух направлениях:

·          Поперек профиля металлоконструкции агрегата.

·          Вдоль профиля эскалатора.

Выстраивается распределение Нс по длине с указанием максимальных значений коэрцитивной силы в каждой, отдельно взятой точке на профиле элемента металлоконструкции. Только там становится возможно принимать во внимание сразу две характеристики слабого звена конструкции, которые оказывают существенное влияние на размер остаточного ресурса:

·          Величина действующих напряжений.

·          Направление максимального напряжения.

Если произвести измерение каждого элемента металлоконструкции одновременно в 25-30 точках, тогда появляется возможность оформить качественный статистический анализ по критерию Стьюдента, используемый для малых выборок.

Если мы используем проверку H₀: E(X)=m₀, то при математическом ожидании Е(Х) к некоторому значению m с учетом предполагаемой независимости наблюдений V(X)=σ²/n и несмещенной оценке дисперсии :

         n

s²_x=Ʃ(x_t-x)²/(n-1) у нас выходит следующая статистика:

           X-m

t=___________

            s_x/√n

После проведенного подобного исследования становится совершенно очевидно, что при циклическом нагружении конструкции эскалаторов, коэрцитивная сила увеличивается пропорционально тому, каков пробег агрегата на момент проведения контроля. В расчет берутся его эксплуатационные и конструктивные особенности, заключаемые в модели.

Там, где во время исследования будет выявлено критическое значение Нс, необходим срочный капитально-восстановительный ремонт. На основании всего выше сказанного можно с полной уверенностью заявлять, что своевременный ремонт и выявление дефектов позволяет увеличивать остаточный ресурс эскалаторов.

Имея на руках паспортные данные магнитного контроля и используя описываемый метод мониторинга агрегатов можно с вероятностью 0,9 определить остаточный ресурс по номограмме. Мониторинг помогает предупредить переход металлоконструкции в стадию разупрочнения, предотвратить в будущем возможность возникновения аварийной ситуации.

При решении задач по прогнозированию остаточного ресурса необходимо использовать оперативный контроль наиболее проблемных участков ранних циклов анализа с сохранением данных по напряженно-деформированному состоянию.

Ручная разметка для идентификации их по точкам контроля в дальнейшем нецелесообразна и трудоемка. Вот почему в процессе мониторинга был апробирован манипулятор «мышь», который увеличил производительность исследования. С его помощью удалось синхронизировать координаты расположения точки сканирования и показаний датчика, благодаря чему получается пространственное представление функции зависимости коэффициента напряженности магнитного поля во времени по месту.

Список литературы:

1.      ФЗ №116 «О промышленной безопасности».

2.      ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения».