ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Программно-аппаратурный комплекс для диагностики состояния и прогнозирования остаточного ресурса ответственных элементов машин и оборудования.

Рекомендуемая область пременения

Машиностроение, энергетика, транспорт
- реализация системы управления сроком службы элементов машин и оборудования;
- разработка методик ускоренных ресурсных испытаний продукции;
- выбор и оптимизация свойств материалов и режимов их технологической обработки;
- исследование кинетики повреждаемости и разрушения материалов по энергетическим критериям прочности и оценка влияния различных факторов на долговечность элементов машин и оборудования;
- неразрушающая, экспрессная оценка выработанного и остаточного ресурса ответственных элементов машин и оборудования.

Назначение, цели и задачи проекта

Федеральный закон о техническом регулировании, принятый в 2001г., особенно остро выделил задачу обеспечения безопасности при эксплуатации современных машин и конструкций. Одним из основных направлений ее решения является управление сроком службы технологических, энергетических и транспортных технических средств, основанное на научно-обоснованных методах диагностики фактического состояния и прогнозирования остаточного ресурса конструкционных материалов, работающих в условиях действия контактной и объемной усталости, изнашивания, радиации и др. разрушающих факторов. Современной промышленностью востребованы простые, доступные и надежные средства неразрушающего (безобразцового) контроля усталостной деградации конструкционных материалов.

Основное назначение проекта – повышение надежности и безопасности эксплуатации механических систем за счет внедрения новых высокоэффективных средств технической диагностики.

Цель проекта - разработка, сертификация и внедрение на предприятия машиностроения, энергетики и транспорта новых методик и устройств для диагностики фактического состояния материалов и прогнозирования ресурсных характеристик ответственных элементов машин.

Задачи проекта:

Создать опытные образцы переносного склерометрического программно-аппаратурного комплекса для диагностики состояния материалов и прогнозирования остаточного ресурса. Разработать методику испытаний. Осуществить их доводку. 

Разработать программное обеспечение для формирования базы данных о кинетике деградации материалов и автоматизации оценки остаточного ресурса элементов машин и оборудования;

Сертифицировать устройства и методики. Получить лицензию на проведение диагностических работ.

Организовать производство склерометрических программно-аппаратурных комплексов.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время в России и за рубежом контроль работоспособности элементов машин при эксплуатации обеспечивается путем дефектоскопии; разрушающих лабораторных испытаний вырезанных образцов; испытаний образцов-свидетелей и др. Однако их результаты не дают достаточно точного прогноза долговечности изделия. Критические размеры трещин, предельные деформации и др. критерии разрушения в зависимости от состояния материала и условий эксплуатации могут меняться более чем на порядок. Отсюда – снижение безопасности вследствие повышения риска продления срока службы опасных объектов, выработавших свой технический ресурс, или экономические потери вследствие преждевременного вывода из эксплуатации технических средств, имеющих достаточный запас прочности.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Эксперименты показали, что адекватную картину деградации материалов можно получить на базе обобщенного энергетического критерия пластичности - энергии активации пластической деформации, изменение которой в процессе эксплуатации оборудования характеризует скорость исчерпания его ресурса, а по ее критической величине  можно судить о предельном (безопасном) состоянии материала.

Для оценки энергии активации пластической деформации в НТЦ «Надежность» разработан новый способ, при котором на поверхности испытуемого материала алмазным индентором оттесняют микроборозды, оценивают сопротивление пластической деформации и вытесненный объем материала и рассчитывают энергию активации, как удельную энергию, расходуемую на пластическое оттеснение материала поверхностного слоя количеством в  1 моль.

Для изучения кинетики изменения энергии активации пластической деформации материалов в НТЦ "Надежность" ведется разработка семейства программно-аппаратурных диагностических комплексов (имеются лабораторные и переносные варианты).

Диагностический комплекс, представленный на рисунке 1, был создан на базе микротвердомера Виккерса МТ-3. Он содержит блок обработки информации, блок термостабилизации образцов, деформирующий и измерительный узлы.

Рис. 1. Лабораторный программно-аппаратурный диагностический комплекс, созданный на базе микротвердомера ПМТ-3.

Более широкими функциональными возможностями для проведения научных исследований обладает диагностический комплекс, представленный на рисунке 2.

1 – блок подготовки шлифа; 2 – блок деформирования материала поверхностного слоя; 3 – оптико-электронный измерительный блок; 4 – блок сбора данных и обработки информации.

В настоящее время в ОАО «СПЗ» изготовлен и проходит доводку переносной диагностический модуль, изображенный на рисунке 3.

Рис.3. Диагностический программно-аппаратурный модуль для прогнозирования остаточного ресурса.

Разработана общая методика оценки микротвердости и пластичности конструкционных материалов, в которой сначала при помощи шлифовального узла  комплекса выполняется подготовка поверхности путем удаления тонкого дефектного слоя, не отражающего объективное состояние материала в объеме. Затем на подготовленную поверхность, алмазным индентором деформирующего узла  наносят ряд наколов (см. рис. 4а) для оценки микротвердости по Виккерсу, а также подвергают склерометрированию (рис. 4б). Изображения полученных отпечатков при помощи электронно-оптического узла передаются в персональный компьютер и сохраняются в базе данных. Далее полученные изображения обрабатываются при помощи разработанной программы BMP (рис.4). Программа позволяет произвести оценку микротвердости по Виккерсу и рассчитать значение энергии активации пластической деформации U₀.  Все расчеты выполняются с одновременной статистической обработкой результатов по критерию Стьюдента при трех возможных уровнях доверительной вероятности 0,95; 0,9 и 0,99.

Рис. 4. Программа для автоматизированной оценки микротвердости и энергии активации пластической деформации BMP.

Для автоматизации прогнозирования выработанного и остаточного ресурса материалов, а также формирования базы данных была  разработана программа Resource (см. рис. 5). Программа позволяет накапливать экспериментальные данные по каждому объекту испытаний и при помощи экстраполяции методом наименьших квадратов прогнозировать достижение накопленной энергии повреждаемости критического порога усталостного охрупчивания материала. Одновременно просчитываются два вида аппроксимации – линейная и нелинейная (второго порядка), для каждой вычисляется среднее квадратическое отклонение результатов и для последующей оценки ресурсных характеристик выбирается аппроксимация с наименьшей погрешностью. Результат вычислений может быть представлен в процентах от наработки (расчет по формуле 2), в единицах времени (расчет по формуле 3) или в циклах наработки.

Рис. 5. Программа Resource для прогнозирования остаточного ресурса по результатам оценки накопления повреждаемости в конструкционных материалах.

, %                (2)

где U₀  – текущее значение энергии активации пластической деформации, U₀^исх - исходное значение энергии активации, U₀^кр - критическое значение энергии активации.

, час          (3)

где t_эксп – длительность эксплуатации исследуемого элемента, t_рес – ожидаемый общий ресурс испытываемого элемента, включающий время его эксплуатации. Величина  характеризует степень деградации материала относительно исходного состояния (выработанный ресурс) в %.

Приведенные положения были проверены и подтверждены при усталостных испытаниях образцов из алюминиевого сплава АМГ-3 и бронзы БрАЖН 10-4-4, подвергнутых соответственно вибронагружению и воздействию трением.

В настоящее время проводится модернизация устройств и совершенствование методик испытаний с целью улучшения и расширения потребительских свойств.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Экономический эффект от реализации проекта состоит в следующем.

Снижение затрат на доводку машиностроительной продукции за счет внедрения методов ускоренных ресурсных испытаний элементов машин, выбора и оптимизации свойств конструкционных материалов и режимов обработки.

Получение прибыли от продления эксплуатации объектов после выработки назначенного ресурса.

Снижение затрат, связанных с аварийными остановками объектов вследствие отказов их ответственных элементов.   

Получение прибыли от реализации производимых программно-аппаратурных комплексов.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Длительность одного эксперимента по диагностике состояния материалов – не более 10 минут.

Экономичность. Программно-аппаратурный комплекс потребляет минимальную энергию, что позволяет обеспечивать его автономное питание в течение одной смены. Для проведения испытаний не требуются дополнительные расходные материалы.

Компактность. Размеры и вес диагностического модуля не превышают норм, установленных для переносных приборов.

Простота и точность. Диагностика состояния материалов выполняется одним действием оператора – нажатием на кнопку. Автоматизированный сбор данных сводит к минимуму влияние «человеческого фактора».

Безобразцовая технология. Комплекс позволяет выполнять диагностику элементов без демонтажа на работающем оборудовании.

Наукоемкость. Способ основан на последних достижениях физики прочности.

Конкурентоспособность. Разработка по характеристикам превосходит аналоги.

Новые потребительские свойства продукции

Поставка на отечественный рынок новых конкурентоспособных методик и устройств для неразрушающей диагностики материалов позволит: увеличить эффективности механических и триботехнических исследований материалов за счет снижения трудоемкости, энерго- и материалоемкости, экспрессности, а также неразрушающего характера склерометрических испытаний; увеличить точность прогнозирования ресурсных характеристик элементов машин (корпусов реакторов, трубопроводов, арматуры и др.), что обеспечит возможность управления сроком службы технических объектов по их фактическому состоянию и существенно повысить безопасность их эксплуатации.
Результаты проекта могут использоваться при решении следующих прикладных задач.
оценки пластичности металлов и сплавов;
контроля качества, выбора типа или режимов химико-термической, механической обработки деталей;
выбора, контроля и оптимизации методов механического упрочнения материалов;
контроля качества материала покрытий;
оптимизации условий деформирования и трения;
оценки совместимости конструкционных и смазочных материалов;
проведение ускоренных ресурсных испытаний новых материалов и узлов;
оценки остаточного ресурса конструкционных материалов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Характеристики должны соответствовать государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Проект доведен до стадии создания опытных образцов диагностического программно-аппаратурного комплекса, на базе которых намечается провести их доводку и испытания. После сертификации средств и методов диагностики, планируется их широкое внедрение во все отрасли машиностроения, энергетики и транспорта.

Предлагаемые инвестиции

5 млн. руб.

Рынки сбыта

Потенциальными потребителями результатов проекта являются все предприятия машиностроения, энергетики и транспорта, а также учебные и научные центры страны. Среди первоочередных заказчиков можно выделить следующие предприятия, проявившие интерес к данной разработке: ОАО «ВНИИАЭС», ОАО «Самараэнерго», ОАО «РЖД», Куйбышевская железная дорога, ОАО «СПЗ», ОАО «Волгабурмаш», ОАО «Самарская кабельная компания», ОАО «СМЗ», ОАО «Автоваз», ОАО «Авиаагрегат», ГУП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», ОАО «Моторостроитель», ОАО «Завод клапанов» и др.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемые в проекте методика и оборудование для ее реализации превосходят известные аналоги на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

07.12.2006