Management Systems in Production Engineering No 2(14), 2014

1

MONITORING I BEZPIECZEŃSTWO URZĄDZEŃ TRANSPORTU BLISKIEGO

MONITORING AND SAFETY OF HANDLING EQUIPMENT

Janusz JURASZEK Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

Streszczenie: W pracy przedstawiono nowe rozwiązanie umożliwiające ciągły pomiar odkształceń belki podsuwnicowej suwnicy pomostowej oparte na systemie światłowodowym z siatkami Bragg’a. Przeprowadzono weryfikację otrzymanych wyników za pomocą metody tensometrii oporowej oraz zastosowano metodę magnetycznej pamięci metalu. Zaproponowano wykorzystanie wyników ciągłych pomiarów odkształceń konstrukcji suwnicy jako rzeczywistych warunków brzegowych w symulacjach numerycznych MES umożliwiającymi analizę zachowania się całej konstrukcji.

Słowa kluczowe: światłowody z siatkami Bragg’a, suwnica, monitoring, bezpieczeństwo eksploatacyjne, MES

1. WSTĘP Suwnica pomostowa jest jednym z najczęściej używanych typów suwnic w zakładach

energetycznych, górniczych, gdzie stanowi niezbędne wyposażenie do transportu węgla do taśmociągu dostarczającego go do paleniska w elektrociepłowni. Przewidywany okres eksploatacji suwnicy wynosi zazwyczaj 30 lat. Jeżeli ten okres jest przekraczany, kluczową kwestią staje się zapewnienie bezpieczeństwa eksploatacyjnego. W pracy przedstawiono rozwiązanie umożliwiające ciągły pomiar odkształceń wybranej belki podsuwnicowej suwnicy pomostowej a tym samym monitorowanie bezpieczeństwa jej pracy. Oparte jest ono na systemie światłowodowym z siatkami Bragg’a. Miejsce instalacji czujników światłowodowych wybrano na podstawie symulacji numerycznych belki podsuwnicowej opartych na metodzie elementów skończonych. Przeprowadzono weryfikację otrzymanych wyników za pomocą metody tensometrii oporowej oraz zastosowano nową metodę magnetycznej pamięci metalu. Wyznaczono niepewność pomiarów za pomocą czujników światłowodowych i tensometrii oporowej. Zaproponowano wykorzystanie wyników ciągłych pomiarów odkształceń konstrukcji suwnicy jako rzeczywistych warunków brzegowych (w rozwiązaniu zagadnienia odwrotnego) w symulacjach numerycznych MES umożliwiającymi analizę zachowania się całej konstrukcji.

Pierwsze prace na temat włókien fotoczułych datują się od pracy Hilla z roku 1978 [1]. Jednak pierwsze praktyczne zastosowanie związane jest z pracami Meltza [2] z 1989 roku. Wprowadzenie pełnego systemu monitorowania za pomocą czujników FBG miało miejsce w latach 1999-2003 [3]. Od tego momentu można zaobserwować dynamiczny rozwój tej metody w szerokim spektrum praktycznego zastosowania. Patric i współautorzy w pracy [6] wykazali, że technologia czujników światłowodowych odkształcenia, temperatury i ciśnienia opracowana w ostatnich latach jest bardziej efektywna w odniesieniu do tradycyjnych czujników tensometrycznych. Guemes i wsp. [5] opisali zastosowanie czujników FBG w materiałach kompozytowych w lotnictwie w warunkach szumu elektromagnetycznego. Kamrujjaman Serker i Wu [2] wykorzystali czujniki FBG do monitorowania trwałości konstrukcji mostów – structuralhealth monitoring (SHM). Technikę FBG połączoną z mulipleksowaniem wdrożono do monitorowania śmigieł elektrowni wiatrowych w Japonii (Eum i wsp [3]). Monitorowanie on-line, temperatury, linii ugięcia w przewodzie elektroenergetycznym 400kVz z powodzeniem zostało realizowane przez system opartym na czujnikach Bragg'a(FBG). Kompletny system został zainstalowany na przewodzie ACSR.W

Management Systems in Production Engineering No 2(14), 2014

2

ten sposób, zrealizowano ciągły nadzór nad obciążeniami termicznymi i mechanicznymi występującymi na linii zasilania. Czujniki FBG zostały także zastosowane do monitorowania inteligentnych konstrukcji [3, 4], gdzie odznaczały się wysoką niezawodnością, czułością, odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne, małymi rozmiarami oraz niską wagą. Analiza grubości warstwy kleju mocującego czujniki światłowodowe oraz parametry wytrzymałościowe warstwy na przykładzie modułu Kirchoffa przedstawiono w pracy [4]. B. Ahmad, T. J. Ali and R. A. Rahman zaprezentowali analizę zmian ciśnienia w zbiornikach za pomocą czujników FBG [7]. K. DRAGAN na kongresie AIAC14 Fourteenth Australian International Aerospace Congress wskazał na dobrą korelacją metody FBG z innymi metodami nieniszczącymi na przykładzie wykrywania uszkodzeń głównego wirnika śmigłowca. Zwrócono również uwagę, że czujniki FBG są w pełni akceptowane przez specjalistów z zakresu monitoringu dużych konstrukcji budowlanych, kompozytowych, lotniczych. Badania suwnic prowadził również Ładecki i Badura stosując tradycyjne czujniki tensometryczne [8, 9].

Typowy zakres czynności wykonywanych podczas badań odbiorczych dla suwnicy przedstawiają normy przedmiotowe. Zakres badań obejmuje próby :

statyczną (przeprowadzana z obciążeniem równym 125% nominalnego przy najbardziej niekorzystnym położeniu mechanizmu podnoszenia, czas próby minimum 10 minut – o ile nie jest wymagany dłuższy czas – z obciążeniem podniesionym z podłoża na niewielką wysokość). Sprawdza się brak odkształceń trwałych i powrót mostu suwnicy do stanu przed obciążeniem),

dynamiczną (przeprowadzana po pomyślnym wyniku próby statycznej z obciążeniem równym 110% nominalnego z wykonaniem przynajmniej dwóch cykli pracy).

Badania statyczne i dynamiczne polegają na odczycie położenia początkowego za pomocą niwelatora lub innego przyrządu pomiarowego (dalmierza laserowego). Następnie podnoszony jest ładunek do wartości 125% udźwigu nominalnego, pozostawia się suwnicę pod obciążeniem przez 10 minut, dokonuje się odczytu ugięcia z niwelatora. Opuszcza się ładunek i przeprowadza się odczyt za pomocą niwelatora. Następnie należy określić ugięcie sprężyste i trwałe. W przypadku próby dynamicznej obciążenie ogranicza się do 110% obciążenia nominalnego, wykonuje się kilka ruchów roboczych z wykorzystaniem wszystkich mechanizmów, obserwując zachowanie się suwnicy. Po wykonaniu tej próby należy przeprowadzić wyrywkową kontrolę stanu konstrukcji nośnej (w dostępnych miejscach) – szczególnie należy zwrócić uwagę na połączenia.

Z przeprowadzonej analizy badań suwnic mogło by wynikać, że wszystkie próby bardzo wnikliwie sprawdzają stan techniczny suwnicy. Niestety tak nie jest, gdyż mogą one wykryć jedynie większe uszkodzenia i nieprawidłowości. Jest to działanie post fatum po wystąpieniu pęknięcia czy uszkodzenia. Przedstawione próby nie są w stanie udzielić odpowiedzi na pytanie, czy występują w konstrukcji suwnicy obszary koncentracji naprężeń mogące być przyczyną powstawiania pęknięć. W pracy przedstawiono nowe podejście umożliwiające prowadzenie diagnostyki a priori – z odpowiednim wyprzedzeniem wskazanie miejsc potencjalnie niebezpiecznych. Oparte będzie na metodzie światłowodów siatkami Bragg’a,

2. MONITORING ODKSZTAŁCEŃ SUWNICY ZA POMOCĄ

ŚWIATŁOWODÓW Z SIATKAMI BRAGG’A Podnoszenie poziomu bezpieczeństwa pracy urządzeń transportowych w szczególności

transportu bliskiego często konstrukcji o specjalnym zastosowaniu wymusza implementację nowych technologii umożliwiających budowę bardzo dokładnych systemów pomiarowych często o nowych unikalnych właściwościach. Dynamiczny rozwój technologii optoelektronicznych opartych na propagacji światła we włóknie światłowodowym przyczynił się do powstania nowoczesnych czujników do pomiaru odkształceń takich jak: czujniki


3

Bragga (FBG ang. FiberBraggGratings), Fabry-Perot (F-P), Brillouin’a. Systemy oparte na tych nowoczesnych sensorach posiadają szereg zalet odróżniających je od klasycznych tensometrów.

Czujnik FBG otrzymuje się poprzez oddziaływanie rdzenia światłowodu jednomodowego okresowym wzorcem intensywnego światłą ultrafioletowego. Ekspozycja powoduje stały wzrost współczynnika załamania włókna rdzenia, tworząc stałą modulację. Taka stała modulacja powstaje na pojedynczym nacięciu wykonanym wewnątrz światłowodu. Przy każdej okresowej zmianie refrakcji niewielka ilość światła jest odbijana. Odbite od kolejnych nacięć promienie ulegają interferencyjnemu wzmocnieniu wtedy, gdy różnica dróg promieni odbitych od dowolnych dwóch równoległych do siebie płaszczyzn sieciowych jest równa całkowitej wielokrotności długości fali promieni. Określa to warunek Bragga'a a długość fali, przy której następuje odbicie nazywa się falą Bragg’a. Sygnały świetlne na długościach innych niż długość fali Bragg’a nie są dopasowane w fazie, przez co są przejrzyste.

Wiązka światła o szerokim spektrum wprowadzona do światłowodu z FBG przechodzi przez takie włókno optyczne, oprócz wąskiego widma, które jest odbijane od siatki Bragg’a na charakterystycznej długości fali (długości fali Bragg’a) i ma około 0,2nm szerokości spektralnej. Długość fali charakteryzuje siatkę Bragg’a i jest wykorzystywana w układach pomiarowych. Charakterystyczna długość fali określona jest równaniem:

effB n2 (1.1) gdzie: λB długość fali w próżni, neff współczynnik załamania światła, zależny od λ oraz ośrodka, w którym następuje

propagacja światła, Λ okres siatki Bragga. Różnica długości fali:

Tss TB (1.2) aB rs 1 (1.3) as BT (1.4)

Δε zmiana naprężenia, ΔT zmiana temperatury, sε wartość odkształceniowa, dla zakresu długości fali 1520÷1560 nm równa 1,2 pm/µε, ra stała wydłużeniowa, sT wartość temperaturowa, dla zakresu długości fali 1520÷1560 nm równa 1,2 pm/µε, a liniowy współczynnik temperaturowy, ζ stała temperaturowa.

W skład wyposażenia służącego do diagnostyki suwnic wchodzą: interrogator optyczny – optoelektryczne urządzenie, służące do zasilania systemu

światłowodów w światło, odczytu zmiany długości fali oraz sumowania sygnałów i przesyłania ich do rejestratora

czujniki światłowodowe z siatkami Bragg’a – odcinek włókna optycznego, wewnątrz którego naniesiono siatkę Bragg’a generującą zmianę współczynnika załamania światła,

kompensator temperaturowy – pozwala kompensować zmianę długości fali Bragg,a przy pomiarach w temperaturach innych niż 20°C,


4

jednostka przetwarzająco-analizująca jest to zazwyczaj rejestrator połączony z oprogramowaniem umożliwiającym obserwacje przebiegu zmian analizowanych wartości w czasie rzeczywistym.

3. TECHNICZNA ANALIZA OBIEKTU BADAŃ

Obiektem badań były suwnice pomostowe zlokalizowane w dwu różnych krajach. Jedna suwnica pracowała w elektrowni i służyła do przemieszczania węgla ze składu do zsypu zasilającego kotły. Druga z kolei umożliwiała transport bliski materiałów budowlanych w dużym przedsiębiorstwie budowlanym. Większe natężenie pracy występowało w przypadku suwnicy w elektrowni. Obydwie konstrukcje należą do grupy suwnic pomostowych. Suwnica pracująca w elektrowni w została poddana modernizacji. Przed przystąpieniem do badan należy więc zapoznać się szczegółowo z dokumentacją techniczną suwnic. Bardzo ważnym zagadnieniem jest przeprowadzenie analizy wszelkich zmian konstrukcyjnych dokonanych w trakcie eksploatacji obiektu. Analizowaną suwnicę nawęglającą w elektrociepłowni zbudowano w 1980 roku. Składa się ona z dwóch zespołów 13-przęsłowych złożonych z blachownicowych belek podsuwnicowych wspartych na słupach o konstrukcji kratownicowej. Długość jednego przęsła wynosi około 12m (rys. 1). Szerokość suwnicy wynosi 32.01m, a wysokość estakady suwnicy od górnych stup fundamentowych do górnej stopy belki podsuwnicowej wynosi 8,37m. Pierwotnie belki podsuwnicowe zaprojektowano jako dwuteowe blachownice o wysokości 824mm. Środnik (blacha środkowa) wykonany jest z blach o szerokości 800mm i grubości 10mm a pasy z blach o szerokości 250mm i grubości 12mm (rys. 2). Podpory to konstrukcje kratowe, czterogałęziowe w rozstawie 800x600mm. Gałęzie przyjęto z kątowników 160x160x15, wykonane z kątowników 75x75x9 i kątowników 45x45x5. Torowisko suwnicy wykonane jest z szyn kolejowych S42 spawanych bezpośrednio do górnych pasów belek podsuwnicowych. Pomost na estakadzie zaprojektowano z kratek pomostowych typu Wema. Pierwotny projekt estakady został w kolejnych latach zmodyfikowany [6], wzmocniony z uwagi na występowania w niej stosunkowo dużych przemieszczeń (rys. 3).

Rys. 1 Schemat suwnicy


5

Rys. 2 Przekrój porzeczny dwuteownika 820 przed i po modernizacji

Rys. 3 Rozkład naprężenia zredukowanego w belce suwnicowej według hipotezy Hubera

Wzmocnieniu zostały poddane: pasy górne belek podsuwnicowych do których na odcinkach środkowych długości 9m

dospawano po dwa kątowniki (w zależności od przęsła 100x100x10 lub 100x100x12), pasy dolne belek podsuwnicowych, do których na odcinkach środkowych o długości

9m dospawano nakładki z blachy 380x16 podwyższające wysokość belki do 840mm, do gałęzi słupów dospawano cztery dodatkowe kątowniki 160x160x15. Zmianie uległy: zakotwienie słupów w fundamentach poprzez wprowadzenie zwiększonych rozstawów

kotwi oraz dodatkowych stalowych rusztów kotwiących połączonych z podstawą słupów kratowych. Powiększono także cokoły fundamentowe.

Na podstawie ekspertyzy przeprowadzonej w 1996 roku wykonano następujące zabiegi: dwa zastrzały z ceownika 120 dodano pomiędzy żebrami belki a głowicę podpór dla

zmniejszenia przemieszczeń poziomych belki podsuwnicowej, wymieniono szyny suwnicy na szyny typu S49, zastosowano elastyczny system mocowania szyn jezdnych typu Gantrex 9000,


6

przeprowadzono gruntowną renowację antykorozyjną powłok malarskich belek podsuwnicowych, tężników hamownych i podpierających je od zewnątrz torowiska kratownic pionowych.

Przeprowadzona modernizacja suwnicy polegała na dospawaniu do pasa dolnego dwuteownika dodatkowego pasa na długości 9m czyli nie na całej długości belki podsuwnicowej wynoszącej 11,655m.

Wymiar poprzeczny dospawanej pólki wynosi 380 mm i jest większy od wymiaru półki dolnej dwuteownika wynoszącego 250mm. Umiejscowienie dodatkowego wzmocnienia przedstawiono na rys. 2.

4. BADANIA ODKSZTAŁCALNOŚCI SUWNICY

Kluczowym zagadnieniem jest właściwy wybór miejsc na belce podsuwnicowej, w których będzie przeprowadzony pomiar odkształceń. Miejsca te determinują ograniczenia techniczne jak i ekonomiczne. Techniczne ograniczenia wskazują na możliwość pomiaru odkształceń dolnego pasa belki podsuwnicowej, gdyż na górnym pasie zamontowana jest szyna jezdna i układ komunikacyjny. Ograniczenia ekonomiczne z kolei ograniczają liczbę czujników światłowodowych do niezbędnego minimum. Można kierować się tutaj doświadczaniem eksperymentatora bądź przeprowadzić symulacje numeryczną mającą na celu wskazanie miejsc najbardziej wytężonych. Doświadczenie wskazuje na dwa obszary. Pierwszy to miejsce występowania największej wartości momentu gnącego i ugięcia czyli w połowie długości belki. Drugie to miejsce spawu nakładki wzmacniającej o szerokości 380mm na długości 9000mm na jej końcach prostopadle do osi belki. Obszary te zostały zweryfikowane również za pomocą symulacji numerycznych. Zbudowano model numeryczny 3-D analizowanej belki podsuwnicowej w oparciu o kody metody elementów skończonych uwzględniający przeprowadzone modernizacje oraz wykryte przesunięcie osi przęsła w stosunku do połowy odległości miedzy słupami kratownicowymi rys. 3. Wyniki symulacji numerycznych potwierdziły wcześniej wskazane dwa obszary to jest obszar w połowie długości przęsła i w miejscach spawu nakładki wzmacniającej. Wyznaczono również poziom naprężeń w analizowanych obszarach. W połowie długości przęsła naprężenia wynoszą ok 40MPa.

Na podstawie powyższej analizy zdecydowano umiejscowić czujniki światłowodowe w połowie długości belki (przekrój IV czujnik nr 2, 3) i w miejscu zakończenia nakładki wzmacniającej (przekrój VI czujnik nr 1). Umiejscowienie czujników światłowodowych przedstawiono na rys. 4. Ponadto w połowie długości belki naniesiono dwa różne rodzaje czujników światłowodowych w celu kontroli otrzymywanych wartości odkształceń jak również oceny pod kątem łatwości montażu różnych typów czujników światłowodowych. W wybranych punktach pomiarowych wprowadzono również światłowodowe czujniki pomiaru temperatury. Umożliwiają one ciągły pomiar temperatury jak również kompensacje jej zmian.

Rys. 4 Umiejscowienie światłowodów z siatkami Bragg’a na dolnej części belki podsuwnicowej


7

Przeprowadzono zarówno badania quasi statyczne jak i dynamiczne podczas najazdu wózka suwnicy oraz załadunku i wyładunku węgla. Schematy obciążeń suwnicy przestawiono na rysunku 5. Pierwszy schemat obrazuje czterokrotny przejazd wózka przez suwnicę. Przejazd może być z pełnym lub pustym skipem. Następne przypadki obciążeniowe przedstawiają proces nabierania węgla do skipu suwnicy i jego wysypywania. Rozpatrzono go dla pięciu położeń wózka suwnicowego I, II-III, V-VI, VII, określonego położeniem lewego koła wózka suwnicowego, położenia centralnego IV oraz analogicznie pięciu położeń prawego koła wózka VII, VI-V, III-II, I. Dla położenia centralnego wyznaczono histerezę i niepewność pomiaru. Wyniki badań pomiarów ciągłych odkształceń mogły być rejestrowane z częstotliwością 2000Hz jednak praktycznie przy tego rodzaju pomiarach wystarczająca okazała się częstotliwość nie przekraczająca 100Hz. Są one przedstawiane w postaci raportu zawierającego długości fali dla poszczególnych światłowodów 1533nm, 1551, 1558nm, oraz zmiany zmianę długości fali poszczególnych czujników Bragg’a pod wpływem obciążenia. Oprogramowanie przelicza zmianę długości fali na wartości odkształceń (strain 1-1; strain 1-2) dla światłowodu naklejonego w połowie długości beli suwnicowej jak również dla światłowodu naniesionego w pobliżu podpory. Odkształcenia są podawane w μstrain czyli 1/1000000. Odkształcenie dla czujnika zamontowanego w środku długości belki suwnicowej osiąga wartość ok 150μstrain rys. 4, 5 natomiast w pobliżu podpory około 40μstrain. Na podstawie doświadczalnie wyznaczonych rzeczywistych wartości odkształceń można w oparciu o związki fizyczne obliczyć składowe stanu naprężenia w kierunku osi światłowodu.

System rejestrujący posiada oprogramowanie umożliwiające wizualizacje otrzymanych wyników odkształceń.


8


9

Rys. 5 Warianty i konfiguracje obciążeń belki suwnicowej

Przykładowe wykresy przebiegu zmian analizowanych wielkości belki suwnicowej

przedstawiono na poniższych wykresach dla różnych konfiguracji obciążeniowych obejmujących :

przejazd suwnicy z pełnym obciążeniem z największą prędkością rys. 6, odkształcenia belki suwnicowej z pełnym obciążeniem oraz z pustym skipem (bez

węgla) rys. 7, odkształcenia belki suwnicowej z pełnym obciążeniem cztery razy rys. 8, naprężenia w belce suwnicowej podczas podnoszenia i opuszczania ładunku rys. 9.


10

Rys. 6 Naprężenia w belce suwnicowej dla przejazdu suwnicy z pełnym obciążeniem - próba

dynamiczna

Rys. 7 Odkształcenia belki suwnicowej dla przejazdu suwnicy z obciążenia węglem oraz bez węgla

Rys. 8 Odkształcenia dla czterech przejazdów suwnicy z pełnym obciążeniem


11

Rys. 9 Naprężenia w belce suwnicowej podczas podnoszenia i opuszczania ładunku

Naprężenia zarejestrowane podczas próby dynamicznego przejazdu z możliwie

największą prędkością wyniosły w połowie długości przęsła ok 43MPa natomiast dla czujnika światłowodowego w pobliżu podpory 10,1MPa. Na wykresie widać również powtarzalność procesu przy powrotnym przejeździe suwnicy. Stosunek naprężeń w centralnej części suwnicy do naprężeń przy podporze wynosi 4,3. Przeprowadzono badania poziomu odkształceń suwnicy dla przejazdu z pełnym i pustym skipem rys. 7. Dla przejazdu z pełnym skipem odkształcenia w centralnej części belki suwnicowej wynoszą 195-210µstrain natomiast dla przejazdu z pustym skipem 175-182µstrain. Różnica odkształceń między przejazdem z pełnym i pustym skipem wynosi więc 20-28µstrain. Wynika stąd że o odkształceniach suwnicy decyduje w istotnej mierze ciężar konstrukcji samej suwnicy. Należy więc dążyć do ograniczenia ciężaru konstrukcji suwnicy. Zaznaczony strzałką na rys. 6 pierwszy pik odnosi się do przejazdu pierwszego koła nad czujnikiem światłowodowym natomiast drugi do przejazdu drugiego koła nad czujnikiem. Wynika to z tak zwanej linii wpływu.

Cztery przejazdy z pełnym obciążeniem przedstawiono na rys. 8. Można na nich zauważyć nieznaczną wynoszącą ok. 4µstrain różnicę w odkształcalności podczas przejazdu prawą stronę estakady i powrotu w lewą stronę.

Bardzo interesujące są badania nabierania węgla do łyżki a następnie dynamicznym jej podnoszeniu i opróżnianiu rys. 9. Badania przeprowadzono dla pięciu położeń koła lewego wózka suwnicowego i analogicznych położeń dla koła prawego. Największe wartości naprężeń występują w centralnej części belki. Podnoszenie łyżki skipu powoduje powstanie drgań. Liczba cykli wynosi około 30. Analogiczna sytuacja występuje podczas występuje podczas wysypywania węgla. Są to drgania gasnące, które nie są uwzględniane w standardowych obliczeniach suwnic. Nawet obliczenia dotyczące trwałości eksploatacyjnej nie uwzględniają tego istotnego zjawiska.

Przeprowadzone badania przy pomocy czujników światłowodowych umożliwiły wyznaczenie rzeczywistego stanu odkształcenia w konstrukcji suwnicy do nawęglania w elektrociepłowni i wyznaczenie współczynnika dynamicznego. Największa wartość współczynnika dynamicznego dla analizowanej konstrukcji suwnicy wynosi 1,59.

Modernizacja belki suwnicowej polegająca na dospawaniu pasa wzmacniającego o długości jednie 9m czyli nie na całej długości belki suwnicowej nie jest rozwiązaniem optymalnym. Tak przeprowadzona modernizacja w istotny sposób zmieniła rozkład naprężeń w belce suwnicowej i wprowadza dodatkowe naprężenia w miejscach łączenia pasa


12

wzmacniającego z dolną częścią belki suwnicowej. Wyznaczono niepewność pomiaru odkształceń belki podsuwnicowej za pomocą czujników światłowodowych dla prób statycznych (rys. 10). Pod pojęciem niepewności rozumiana jest największa różnica wartości odkształceń dla tych samych obciążeń między kolejnymi procesami obciążania lub odciążania suwnicy. Jako histerezę przyjęto największą różnicę wartości odkształceń występującą miedzy procesem obciążania a odciążania. Niepewność pomiaru dla badań światłowodowych nie przekroczyła 1,3% największej wartości odkształcenia.

Rys. 10 Niepewność pomiaru odkształceń za pomocą systemu światłowodowego

5. WERYFIKACJA DOŚWIADCZALNA ZA POMOCĄ METODY

TENSOMETRII OPOROWEJ Przeprowadzono walidację wyników badań odkształceń otrzymanych za pomocą metody

światłowodów z siatkami Bragg’a za pomocą tensometrii oporowej [6]. Tensometry zostały naklejone na belkę suwnicową w środku jej długości oraz w pobliżu podpory w analogicznych miejscach jak światłowody. Zastosowano układ pól mostkowy z kompensacją temperatury. Wyniki badań były rejestrowane za pomocą systemu komputerowego. Przeprowadzono zarówno badania statyczne polegające na obciążaniu suwnicy w określonych przekrojach obciążeniem znamionowym jak i badania dynamiczne polegające na najeździe suwnicy z możliwie największą prędkością na analizowaną belkę podsuwnicową. Wyznaczone wartości naprężeń dla środkowego położenia obciążenia wywołującego największą wartość momentu gnącego dla różnych przekrojów poprzecznych belki zawierają się w przedziale od 16 do 48MPa.

Wyniki badań odkształcalności belki suwnicowej w testach dynamicznych 4-krotnego przejazdu suwnicy przez belkę suwnicową przedstawiono na rys. 11. Test ten był analogiczny do testu przeprowadzonego dla pomiarów czujnikami światłowodowymi rys. 8. Wartości odkształceń uzyskane w obu testach są na poziomie 230µstrain co oznacza naprężenia normalne o wartości ok 48MPa. Badania czujnikami tensometrycznymi potwierdziły więc wartości odkształceń uzyskanych za pomocą czujników światłowodowych. Proces nabierania i wysypywania węgla przedstawiono na rysunkach 12 i 13 gdzie widoczne są drgania spowodowane tym procesem.

0

0,5

1

1,5

2

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97

%

liczba prób

Niepewność pomiaru


13

Rys. 11 Odkształcenia z pomiarów tensometrycznych dla 4 krotnego przejazdu wózka suwnicy

Rys. 12 Odkształcenia belki podczas nabierania węgla do skipu

Rys. 13 Odkształcenia belki podczas wysypywania węgla do zsypu

Przyrost odkształcenia belki suwnicowej podczas nabierania wysypywania węgla wynosi

ok 0,11‰ co odpowiada przyrostowi naprężeń ok 10MPa. Należy zwrócić uwagę, że układ pomiarowy był zerowany przed nabraniem węgla do łyżki skipu. Rysunek 13 zawiera nałożonych na siebie 10 procesów nabierania węgla. Podczas dynamicznego podnoszenia ładunku powstają znaczne drgania ładunku

Wyznaczone odkształcenia belki dwoma niezależnymi metodami doświadczalnymi są praktycznie takie same i wynoszą 0,12. Dotyczy to zarówno prób statycznych i dynamicznych przejazdu wózka suwnicowego po belce podsuwnicowej. W przypadku dynamicznego

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

sensor No 2

-0,04-0,02

00,020,040,060,08

0,10,12

0 5 10 15 20 25 30 35

t[s]

tensometr 2

-0,020

0,020,040,060,080,1

0,120,14

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

t[s]


14

podnoszenia ładunku ze względu na różną długość liny, na której zawieszone wartości te się różnią w granicach 10%.

Dokonano również analizę łatwości mocowania poszczególnych typów czujników światłowodowych. Przedstawiony na rysunku 14 czujnik żyłkowy dokonuje pomiaru na stosunkowo małej bazie pomiarowej lecz jest bardzo wrażliwy na uszkodzenia mechaniczne. Ponadto należy czujnik odpowiednio napiąć tak by rejestrował odkształcenia w całym przewidzianym zakresie odkształceń. Proces napinania jest skomplikowany, gdyż wymaga wstępnego podłączenia z interrogatorem i uchwyceniu bazy pomiarowej w takim napięciu. Skonstruowano specjalne uchwyty umożliwiające zapewnienie właściwego naciągu. Czujnik zamocowany na specjalnej podkładce jest łatwiejszy do montażu „sufitowego” i bardziej odporny na uszkodzenia mechaniczne. Na podstawie przeprowadzonych prób statycznych i dynamicznych porównano wartości naprężeń otrzymanych za pomocą metody światłowodów z siatkami Bragg’a oraz metodą tensometrii oporowej. W obu przypadkach otrzymano największe naprężenia na poziomie 60MPa. Metoda oparta na światłowodach posiada bardzo istotną zaletę polegającą na braku potrzeby budowania specjalnych układów kompensacyjnych. Dodatkową zaletą jest zasilanie światłowodu światłem.

Rys. 14 Rodzaje czujników światłowodowych

6. WYZNACZANIE OBSZARÓW KONCENTRACJI NAPRĘŻEŃ ZA

POMOCĄ METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU Przeprowadzono badania belki podsuwnicowej mające na celu wyznaczenie obszarów

koncentracji naprężenia w belce jak również ocenę wpływu czasu eksploatacji na jej obraz magnetyczny za pomocą metody magnetycznej pamięci metalu. Polegały one na skanowaniu dolnej powierzchni belki suwnicowej zarówno belki nowej – belki odniesienia jak i belki użytkowanej od 30 lat i wyznaczeniu składowych stycznej i normalnej rozproszonego pola magnetycznego i ich rozkładów. Belka nowa (rys. 15) charakteryzuje się stosunkowo niewielką wartością poziomu składowej normalnej natężenia pola magnetycznego wynoszącą ok 50A/m oraz gradientem składowej normalnej na poziomie 5A/m/mm. Belka użytkowana przez okres 30 lat charakteryzuje się znacznie większym poziomem składowej normalnej wynoszącej ok 200A/m, czyli cztero-krotnie więcej w porównaniu do belki nowej rys. 16. Ponadto gradient składowej stycznej osiąga wartość 42A/m/mm i jest ośmiokrotnie większy w odniesieniu do belki nowej. W tym miejscu zidentyfikowano uszkodzenie belki.


15

Rys. 15 Magnetogram dla belki nowej

Rys. 16 Magnetogram dla belki użytkowanej 30 lat

Badania belki suwnicowej za pomocą metody magnetycznej pamięci metalu umożliwiają

wyznaczenie obszarów koncentracji naprężeń, uszkodzeń nie możliwych do wykrycia żadną inną dostępną metodą [3]. Istotnym jest również możliwość identyfikacji miejsc niebezpiecznych a priori czyli przed wystąpieniem pierwszych mikropęknięć. Umożliwia to podjęcie odpowiednich działań zapobiegawczych.

7. KONCEPCJA NOWOCZESNEGO SYSTEMU ANALIZY

Koncepcje nowoczesnego systemu analizy konstrukcji przedstawiono na rys. 17. Składa się on z 7 części. I etap obejmuje analizę dokumentacji technicznej, wymagania, rodzaje zastosowanych materiałów.


16

Rys. 17 Nowoczesny system analizy suwnicy

W dalszym etapie należy dokonać przeglądu stosownych przepisów prawa, norm

przedmiotowych adekwatnych do analizowanej konstrukcji. Zaproponowanym nowym rozwiązaniem jest przeskanowanie konstrukcji za pomocą metody magnetycznej pamięci metalu i połączeniem jej z symulacjami komputerowymi za pomocą metody elementów skończonych. Metoda ta w odróżnieniu od szeregu innych umożliwia a priori wyznaczenie rzeczywistych obszarów koncentracji naprężeń. Następnie przeprowadza się wnikliwą analizę wyboru miejsc, które będą objęte monitoringiem odkształceń. Będzie on zrealizowany za pomocą światłowodowych czujników odkształceń z siatkami Bragg’a. Informacja o rzeczywistych odkształceniach będzie kierowana do numerycznego systemu symulacyjnego, który będzie prowadził analizę zachowania się całej konstrukcji. Może się okazać, że będzie niezbędne uzupełnienie systemu pomiarowego o dodatkowe czujniki. Prowadzone analizy umożliwią podjęcie optymalnej decyzji dotyczącej dopuszczenia konstrukcji do eksploatacji. Przewidziano również możliwość podjęcia działań modernizacyjnych. Po ich przeprowadzeniu należy powtórzyć algorytm dopuszczenia konstrukcji. Wyniki badań i analiz winny być gromadzone na bieżąco w relacyjnej bazie danych.

Należy również podkreślić, że proponowany system może się w znacznym stopniu przyczynić do zwiększenia bezpieczeństwa eksploatacyjnego konstrukcji. Wprowadzenie dwóch niezależnych metod analizy poprawności pracy konstrukcji znacznie zwiększa prawdopodobieństwo prawidłowej lokalizacji wady, uszkodzenia bądź miejsca niebezpiecznego, które nie wykazuje jeszcze żadnych zewnętrznych oznak uszkodzenia. Stanowi to więc istotny postęp w stosunku do aktualnie stosowanych metod pojedynczych.

Badaniei monitoring konstrukcji SUWNIC

Analiza dokumentacji

technicznej suwnicy

rzeczywiste obszary koncetracji naprężeń ‐metodą magnetycznej

pamięci metalu

pomiary /monitoring odkształceń metoda FBG ‐

światłowody z siatkami Bragg'a

Symulacje numeryczne

MES/MEB

Dopuszczenie do eksploatacji /propozycja modernizcji

Baza danych parametrów

eksploatacyjnch


17

8. WNIOSKI W pracy przedstawiono koncepcję analizy monitoring i bezpieczeństwo urządzeń

transportu bliskiego. Zaproponowano prowadzenie monitoringu odkształcalności za pomocą czujników światłowodowych z siatkami Bragg’a. Wyznaczono odkształcenia i naprężenia występujące w belce suwnicowej przy różnych konfiguracjach obciążeniowych. Największe wartości naprężeń dla prób dynamicznych nie przekroczyły 60MPa. Przeprowadzono również walidację badań za pomocą tensometrii oporowej. Otrzymano praktycznie takie same wartości naprężeń i odkształceń. Porównując obydwie metody można stwierdzić, że metoda światłowodów z siatkami Bragg’a jest dokładniejsza i wygodniejsza z praktycznego punktu widzenia. Tensometry mogą mieć zastosowanie do analizy obszarów poniżej 10-8mm. Wyznaczono również niepewność pomiaru za pomocą czujników światłowodowych. Nie przekroczyła ona 1,3%. Miejsca nanoszenia czujników i tensometrów wybrano na podstawie symulacji numerycznej FEM. Zaproponowano monitorowanie konstrukcji za pomocą metody magnetycznej pamięci metalu w celu identyfikacji obszarów koncentracji naprężenia. Wyniki powinny być gromadzone w relacyjnej bazie danych. Przedstawione elementy składowe powiązano ze sobą tworząc system analizy suwnic.

9. LITERATURA [1] Selvarajan A.: “Fiber optic sensors and theirapplications,” Indian institute of science,

Bangalore-560 012, 2010. [2] Zhou Z., Graver T. W., L. Hsu, and J. Ou.: Techniques of advanced FBG sensors:

fabrication, demodulation, encapsulation and their application inthe structural health monitoring of bridges,” Pacific Science Review, vol. 5, no. 1, pp.116–121, 2003.

[3] Kin-tak Lau a, Libo Yuan a, Li-min Zhou a, Jingshen Wu b, Chung-ho Woo: Strain monitoring in FRP laminates and concrete beams using FBGSensors a Composite Structures 51 (2001) 9±20

[4] Ahmad B., Ali T. J., and Rahman R. A.: “StrainMeasurements Using Fiber Bragg Grating Sensor,” AmericanJournal of Applied Science (Special Issue): pp. 40-48, 2005.

[5] Thomas W. Graver, Luke Hsu,, Jin-ping Ou.: Techniques of Advanced FBG sensors: fabrication, demodulation, encapsulation and their application in the structural health monitoring of bridges

[6] Patrick H. J., Williams G. M., Kersey A. D., Pedrazzani J. R., and A. M. Vengsarkar.: “Hybrid fiber Bragg grating long period fiber grating sensor for strain/temperature discrimination,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 8, no. 9, pp. 1223-1225, 1996.

[7] Ahmad B., Ali T. J., and Rahman R. A.: “StrainMeasurements Using Fiber Bragg Grating Sensor,” AmericanJournal of Applied Science (Special Issue): pp. 40-48, 2005.

[8] Ładecki B., Badura S., Matachowski F.: Strength analysis of a gantry crane of a coating structure, Mechanics and Control, 2012

[9] Ładecki B., Badura S., Matachowski F.: Analiza eksperymentalna mostu przeładunkowego o konstrukcji powłokowej, XXIV Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego. Wrocław 2010.


Documents

Management Systems in Production Engineering No 2(14), 2014