Agnieszka Kosoń-Schab, Janusz Szpytko: Magnetic metal memory in the assessment of the technical condition of crane girders for the needs of safety. Magnetyczna pamięć metalu w ocenie stanu technicznego dźwigarów suwnic na potrzeby ich bezpieczeństwa

(1)

DOI 10.2478/jok-2019-0075

Agnieszka KOSOŃ-SCHAB, Janusz SZPYTKO

AGH University of Science and Technology (Akademia Górniczo-Hutnicza)

MAGNETIC METAL MEMORY IN THE ASSESSMENT

OF THE TECHNICAL CONDITION OF CRANE

GIRDERS FOR THE NEEDS OF SAFETY

Magnetyczna pamięć metalu w ocenie stanu technicznego

dźwigarów suwnic na potrzeby ich bezpieczeństwa

Abstract: With the passage of time of exploitation of means of technological transport, their degradation takes place and the threat to operational safety increases. The source of development of fatigue damages of gantry crane girders are areas of stress concentration caused by loads. The subject of the publication is to determine the possibility of diagnosing potential damage sites of the overhead travelling crane (girders) by magnetic metal memory (MPM). As a result of the test with the use of the TSC-7M-16 ferrite magnetometer, stress concentration areas were determined in which processes leading to the reduction of material strength or damage to the material structure may take place. Residual tangential magnetic field distributions and normal components of their gradients were determined. A magnetogram database for the needs of girder diagnostics was created.

Keywords: magnetic metal memory, work safety, condition monitoring

Streszczenie: Z upływem czasu eksploatacji środków transportu technologicznego, następuje ich degradacja i wzrasta zagrożenie bezpieczeństwa eksploatacyjnego. Źródłem rozwoju uszkodzeń typu zmęczeniowego dźwigarów suwnic pomostowych są obszary koncentracji naprężeń wywołane obciążeniami. Tematem publikacji jest określenie możliwości diagnozowania miejsc potencjalnych uszkodzeń elementów konstrukcji suwnic pomostowych (dźwigarów) metodą magnetycznej pamięci metalu (MPM). W wyniku przeprowadzonego badania z użyciem magnetometru ferrytycznego typu TSC-7M-16 określono obszary koncentracji naprężeń, w których mogą zachodzić procesy prowadzące do zmniejszenia wytrzymałości materiału bądź uszkodzeń struktury materiału. Określono rozkłady resztkowego pola magnetycznego stycznego i normalne składowe ich gradientów. Utworzono bazę danych magnetogramów dla potrzeb diagnostyki dźwigarów.

(2)

1. Introduction

The severity of the degradation of transport equipment and their structures is closely linked to the ability to identify increasing risks and to undertake effective prevention against serious losses. Particular attention in this area is paid to fatigue damage to machine elements and transport equipment.

The exploitation of technological transport devices being in poor condition increases the probability of their failure, which may cause a threat to the health and life of humans, severe ecological effects, and significant economic losses. In order to eliminate losses, it is necessary to perform a thorough technical inspection, proving the required level of safety.

Nowadays, technical diagnostics increasingly use non-invasive diagnostic methods for diagnosing or monitoring (continuous control) without interrupting the normal operation of the object [3, 12]. One of the least invasive methods of diagnosis is so-called Magnetic Metal Memory (MMM), used, among others, for inspection of welds [9], structural elements loaded cyclically on rotors, gears, steel ropes, etc. MMM method is also proposed to study the condition of the properties of high-energy materials carrying, as well as for exploitation diagnostics of road and railway bridge structures made of steel elements [3].

The method of magnetic metal memory is a technique of non-destructive testing, enabling the evaluation of stress concentration and detection of defects in structural elements made of ferromagnetic materials [8]. Unlike traditional methods of non-destructive testing, the MMM method can detect residual magnetic fields induced by mechanical stresses and geomagnetic fields, and the object can be directly diagnosed without artificial magnetization. The vector of the magnetic intensity of the H field of dispersion around any magnetized ferromagnetic body depends on the size and distribution of its magnetization. By measuring the intensity of the field of dispersion around it, it is possible to determine the separateness of the distribution of magnetization in each part of the investigated ferromagnetics [2, 4].

Good perspectives for the development and application of the method in the detection of fatigue damages of ferromagnetic materials were demonstrated. The monitoring of stress concentration or micro-crack concentration at an early stage of device use and immediate precautions against crack propagation are great importance in order to prevent damage to the material [10]. The primary purpose of non-destructive testing is to detect and evaluate defects resulting from discontinuity of the material. The application of non-destructive testing is mainly justified by safety considerations and the economic aspect of the occurrence of an unforeseen failure [11, 13].

In the macroscopic scale, there is a strict relationship between mechanical properties and magnetic field of ferromagnetic materials. Under the influence of mechanical stress in ferromagnetic materials comes to the deformation, which is accompanied by a change in magnetization. Stress and strain change the interaction of exchange forces between adjacent atoms and lead to a change in the distribution of magnetization in domains, and thus to a change in magnetic properties [7,12].

(3)

Under the combined action of the external loads and the surrounding magnetic fields, in the areas of stress concentration, magnetic fields are generated incorrectly, where appears tangential component of the intensity of the magnetic field the Hx, as well as normal Hy. The magnetic State is still preserved even after removal of the load. Therefore, the stress concentration zone of ferromagnetic materials can be detected by analyzing the distribution of the intensity of the magnetic field. So far, this technique is used only as a preliminary qualitative method of non-destructive testing in order to determine the possible danger zones in the structural elements [6, 7].

The paper focuses on the potential application of the magnetic effect of metal memory for the monitoring of the technical condition and working conditions of the load-bearing structure elements of technological transport equipment.

The aim of the experiment was to determine the influence of load change, at a known residual stress level, on the values of magnetic field strength gradients on the surface of the tested elements.

2. Experimental setup and measurement equipment

The experiments were carried out on the laboratory double-girder overhead travelling crane with hoisting capacity 150 kg, the span of the girders L= 2.4 m, trolley wheelbase a = 0.3 m, and the trolley travelling range D = 2.2 m. The tested device is shown in fig. 1, while the geometric dimensions of the girder section of the tested crane are shown in fig. 2. The crane bridge and trolley are driven by the DC motors controlled using the FX2N Mitsubishi programmable logic controller (PLC). The push-button control panel or/and the PC with I/O board (PCI-1710HG control-measurement card) connected with the PLC can be used to control crane motion mechanisms: double-girder travelling the bridge, trolley and hoisting. The position of the motion mechanisms is measured using the incremental encoders attached to the wheels of the bridge and trolley, and to the rope drum (used to measure the rope length).

(4)

Fig. 2. Girder cross-section the laboratory overhead travelling crane

The ferritic magnetometer TSC-7M-16 (Tester of Stress Concentration) (fig. 3) was used to measure the level of own magnetic field. It is a multi-channel dispersed magnetic field meter, equipped with a scanning device with four 2D magnetometers spaced at 4 mm intervals, and an incremental encoder. This sensor is used to measure the size of the magnetic field Hp and its components Hy, Hx in units [A/m].

(5)

3. Assumptions for studies

Magnetometric probe TSC-4M-16 was used to measure the magnetic field strength in both girders of the laboratory crane. The measurements were made in three different conditions (fig. 4) according to the adopted plan:

I - device not loaded with a trolley placed at the beginning of the girders in the A position,

II - device not loaded with a trolley placed in the middle of the girders in position B, III - device loaded with a load of 120 kg with a trolley placed in the middle of the girders

in position B.

Fig. 4. Schematic view of the trolley transferring a payload of mass m along the crane's girder

The essence of the MPM method is the measurement and interpretation of local magnetic field disturbances caused by local stresses in the material, local plastic deformation of the material or the presence of material discontinuities, both mechanical (cracks, delamination) and structural (inclusions of other material). The measured value is the value of the selected component of the magnetic field strength H measured in the vicinity of the target object and presented in the formula (1) [5].

0 r

B

H

µ µ

=

⋅

(1) where: B – magnetic induction [T];

(6)

4. Test results

Using the TSC-7M-16 Magnetometer, the components of Hx and Hy of the magnetic field strength vector were measured along the length of both beams L = 2.4 m. Figures 5 and 6 show the values of Hx and Hy, and their gradients dHx/dx and dHy/dx for both crane girders.

The magnetogram of the girder 1, based on measurements, indicates that the potential defects may be located between x=1 and x=1.2 [m] of the girder where x=0 is the starting point for the measurement (fig. 4). At this point, Hx reaches the extreme values (for: Hx1=487 [A/m], Hx2=749 [A/m], Hx3=528 [A/m] Hx4=652 [A/m]), while Hy after reaching his own minimum changes the sign by going through point y=0 up to the maximum values. Detailed data for the first beam are shown in the diagrams in fig. 5.

Fig. 5. Magnetogram Hx and Hy and their gradients dHx/dx and dH /dx along the girder surface 1 (x

- direction of the axis fig.4)

Girder 2 magnetogram indicates 4 magnetic anomalies indicating a material defect. These defects can be located in between:

1. x=1 a x=1.02 [m], where Hx reaches Hx1= -488.9 [A/m], Hx2= -981.01 [A/m], Hx3= -978.64 [A/m], Hx4= -1249.68 [A/m],

2. x=1.07 a x=1.12 [m], where Hx reaches Hx1= -441.4 [A/m], Hx2= -691 [A/m], Hx3= -265.51 [A/m], Hx4= -391.5 [A/m],

(7)

3. x=1.23 a x=1.27 [m], where Hx reaches Hx1= -72.38 [A/m], Hx2= -204.3 [A/m], Hx3= -210.8 [A/m], Hx4= -393.88 [A/m],

4. x=1.47 a x=1.52 [m], where Hx reaches Hx1= 413.66 [A/m], Hx2= 749.13 [A/m], Hx3= 601.2 [A/m], Hx4= 414.47 [A/m].

Detailed measurement data for the second beam are shown in the diagrams in fig. 6.

Fig. 6. Magnetogram Hx and Hy and their gradients dHx/dx and dH /dx along the girder surface 2

(x - direction of the axis fig. 4)

On the basis of measurements and conclusions from the conducted research, the places potentially considered as having material defects in the girders were marked on the diagram of the laboratory crane (fig. 7).

After marking the places of potential damage in the girders of the tested laboratory crane, the measurements of the level of own magnetic field of the girders with the trolley placed in the centre of the device were repeated. The experiment was carried out according to the previously accepted plan. In order to exclude external disturbances of the magnetic field from the driving and lifting mechanism motors, the measurements were made with the power supply to the motion mechanisms switched off [11, 13].

(8)

Fig. 7. Places of potential damage to laboratory crane girders

Based on the analysis of the measurements, the maximum, minimum and mean values of Hx and Hy and their gradients dH/dx and dH/dy for all three measurement scenarios were compared. These values are presented in tables 1, 2, 3.

Table 1 Values of the normal and tangential components of the magnetic field H[A/m] for the girder 1

Kanał H min H max H śr.

I II III I II III I II III

Hx1 -93,8 -99,4 -83 487,6 397,5 384,9 17,8 15,2 14 Hy1 -183,4 -158,6 -148,9 243,9 187,1 192,1 -4,2 -5,5 -3,5 Hx2 -163,9 -162,5 -151,6 749,5 685,5 662,4 -0,9 -3,8 -7,1 Hy2 -276,4 -253,9 -236,3 263,4 253,1 252,1 3,2 -7,1 -2,2 Hx3 -104,1 -137,9 -127,5 528,5 548,3 530,3 -5,3 -9 -13,4 Hy3 -304,4 -307,9 -285,9 239,4 271,3 264,1 16,1 10,9 16,1 Hx4 -201,5 -270,6 -279,5 652,1 844,1 822,9 7,4 4,1 -0,4 Hy4 -297,1 -326,3 -304,8 127,6 250 239,1 9,2 21,1 27,5

(9)

Table 2 Values of the normal and tangential components of the magnetic field H[A/m] for the girder 2

Hx1 -489,6 -360,3 -428,5 416,1 433,4 274,4 22,3 18,6 20,2 Hy1 -437,8 -354,1 -373,1 270,3 206,4 297,5 -44,3 -33,2 -46,6 Hx2 -981,8 -641,5 -726,6 749,5 740,9 535,5 25,7 20 22,8 Hy2 -429,4 -395,3 -292,6 454 335,9 444,3 -26,3 -12 -29,5 Hx3 -977,5 -586 -588,3 602,3 520,8 551,8 15,5 10,2 14,6 Hy3 -279,5 -279,9 -247,9 550,8 421,1 482,8 2,7 19,4 4,1 Hx4 -1249 -815,8 -751,8 746,5 632,6 954,9 39,1 39,4 39,9 Hy4 -256,3 -205,3 -218,9 534 429,9 442,6 38,1 56,3 41,7 Analyzing the above results, it can be observed that the highest values of the magnetic field are observed during the I measurement, i.e. the beams not loaded with a trolley at the end of the beams. The values of Hmin and Hmix calculated on the basis of measurements made according to Scheme II reach the lowest values. The graphs presented in figs. 8-11 compare the values of Hmin and Hmax of the tangent and normal components of all measurements for both beams

(10)

Fig. 9. Comparison of results H xmax i Hymax for the girder 1

Fig. 10. Comparison of results H xmin i Hymin for the girder 2

Fig. 11. Comparison of results H xmax i Hymax for the girder 2

The gradient of the magnetic dispersion field calculated on the basis of (2) is presented in Table 3 for all measurements of both beams.

𝐾𝐾𝑖𝑖𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀=�𝛥𝛥𝐻𝐻𝑝𝑝

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀_�

𝛥𝛥𝛥𝛥_𝑘𝑘𝑖𝑖 (2)

where:

�𝛥𝛥𝐻𝐻𝑝𝑝𝑖𝑖� - the HP field increment related to the increment of sensor position,

𝛥𝛥𝛥𝛥

𝑘𝑘𝑖𝑖

- distance between control points.

(11)

Table 3 A comparison of the maximum gradient values of the magnetic field for girders

Kanał Kmax dla dźwigara 1 Kanał Kmax dla dźwigara 2

I II III I II III Hx1 26,242 16,870 18,098 Hx1 48,422 24,821 27,084 Hy1 14,389 12,062 10,908 Hy1 27,952 16,875 16,296 Hx2 44,529 32,803 32,501 Hx2 95,166 40,281 55,696 Hy2 17,683 18,640 16,197 Hy2 37,356 22,624 26,822 Hx3 34,969 26,467 25,954 Hx3 80,972 35,152 45,390 Hy3 19,228 21,069 17,773 Hy3 60,821 26,320 31,126 Hx4 50,563 41,557 45,793 Hx4 122,735 55,463 60,107 Hy4 18,688 25,507 19,245 Hy4 45,123 28,669 24,581

Maximum gradients measured the intensity of the magnetic field for the crane girders laboratory show changes depending on the load specified device.

5. Conclusions

During the examination of crane girders with a magnetometer sensor, clear zones of stress concentration in girder 1 were observed on the beam length from 1000 mm to 1020 mm. In girder 2, 4 stress concentration zones were found on the distance from 1000 mm to 1500 mm.

The stress in the crane girders caused by a change in load does not significantly affect the level of magnetization of the bridge. The presented test results indicate that the applied load to the tested crane (reversible) does not cause permanent deformation.

The MMM method has proven its effectiveness in the early detection of possible defect locations. The paper presents the results of experiments conducted in the laboratory, in which the influence of variable load and position of the trolley on the SMFL signal components is taken into account. The experimental results show that the magnetic memory signal tends to decrease with increasing load on structural components. The anomalies in the distribution of the magnetic field stress in a component may be the result of discontinuities in the component, as well as local changes in the magnetic and electrical properties resulting from different wear processes.

(12)

There is a need for further work on the development of passive magnetic diagnostics, the results of which should contribute to obtaining richer diagnostic information from the new methods developed. Non-destructive methods play an important role in the diagnosis of equipment in continuous operation. Depending on the type of test, we may initially determine the location, size and type of defect. Indirectly and directly, we can obtain data on the properties and technical condition of the material. However, they are not always usable and do not provide all possible information about the material. A significant limitation is the availability of the tested surfaces and the type of material being tested.

Control of transport equipment by MMM method allows you to obtain information about its technical condition, this knowledge is useful for making decisions about the conditions of use of the equipment. In this way risk reduction of: failures and unplanned repairs, danger to human life and environmental hazards, can be achieved.

Non-destructive diagnostic tests are an essential element of optimizing logistic activities to ensure safe operation of an ageing technology.

Acknowledgement

The work has been financially supported by the Polish Ministry of Science and Higher Education.

6. References

1. Bao S., Fu M., Hu S., Gu Y., Huangjie Lou: A review of the metal magnetic memory technique. ASME 2016 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE2016 June 19-24, Busan, South Korea, 2016.

2. Dubow A.A., Dubow A.A, Kołokolnikow S.M.: Metoda magnetycznej pamięci metalu i przyrządy kontroli. RESURS, Warszawa 2004.

3. Dybała J., Nadulicz K.: Zastosowanie metody magnetycznej pamięci metalu w diagnostyce obiektów technicznych. Biuletyn naukowy Problemy techniki uzbrojenia, Zeszyt 133 nr 1/2015.

4. Juraszek J.: Residual Magnetic Field Non-Destructive Testing of Gantry Cranes. Materials (Basel). Feb; 12(4): 564, 2019.

5. Kosoń-Schab A., Smoczek J., Szpytko J.: Crane frame inspection using metal magnetic memory method. Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 23, no. 2, 2016.

6. Kosoń-Schab A., Smoczek J., Szpytko J.: Wpływ naprężeń wywołanych obciążeniem belki na poziom własnego pola magnetycznego badanego za pomocą metody magnetycznej pamięci metalu. Hutnik Wiadomości Hutnicze, t. 83, nr 12, 2016.

7. Kwaśniewski J., Roskosz M., Juraszek J., Schabowicz K., Mazurek P.: Analiza możliwości identyfikacji stanu wytężenia lin stalowych na podstawie pomiarów właściwości magnetycznych. Przegląd Spawalnictwa, Vol. 89, 11/2017.

(13)

8. Li Z., Dixon S., Cawley P., Jarvis R.; Nagy P.: Study of metal magnetic memory (MMM) technique using permanently installed magnetic sensor arrays. AIP Conference Proceedings 1806, 2017.

9. Roskosz M.: Metal magnetic memory testing of welded joints of ferritic and austenitic steel. NDT & E International, Vol. 44, Iss. 3, May 2011.

10. Shen G.T., Hu B.: Investigation on metal magnetic memory signal during loading. Int. J. Appl. Electromagn. Mech., No. 33, 2010.

11. Shi C.L., Dong S.Y., Xu B.S., He P.: Metal magnetic memory effect caused by static tension load in a case-hardened steel. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, No. 322, 2010.

12. Szpytko J., Hyla P., Kosoń-Schab A., Smoczek J.: Selected measurement and control techniques: experimental verification on a lab-scaled overhead crane. Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 24, No. 3, 2017.

13. Zientek P.: Metody badań nieniszczących wybranych elementów konstrukcji turbozespołu małej mocy. Napędy i sterowanie, Nr 3, Marzec 2017.

(14)

MAGNETYCZNA PAMIĘĆ METALU W OCENIE

STANU TECHNICZNEGO DŹWIGARÓW SUWNIC

NA POTRZEBY ICH BEZPIECZEŃSTWA

1. Wprowadzenie

Stopień degradacji urządzeń i konstrukcji środków transportu technologicznego jest ściśle związany z umiejętnością rozpoznawania narastającego zagrożenia i podejmowania skutecznej profilaktyki przed wystąpieniem poważnych strat. Szczególną uwagę w tym obszarze zwraca się na przypadki uszkodzenia zmęczeniowego elementów maszyn i urządzeń transportowych.

Eksploatacja środków transportu technologicznego znajdujących się w złym stanie technicznym zwiększa prawdopodobieństwo awarii, które mogą spowodować zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi, dotkliwe skutki ekologiczne, a także znaczne straty ekonomiczne. W celu eliminacji strat konieczna jest wnikliwa kontrola stanu technicznego, zapewniająca wymagany poziom bezpieczeństwa technicznego.

Obecnie diagnostyka techniczna coraz szerzej wykorzystuje nieinwazyjne metody diagnostyczne, dające możliwość diagnozowania lub monitorowania (ciągłej kontroli) bez przerywania normalnej pracy obiektu [3, 12]. Jedną z najmniej inwazyjnych metod diagnostyki jest metoda magnetycznej pamięci metalu (MPM), stosowana m.in. do kontroli spawów [9], elementów konstrukcyjnych obciążanych cyklicznie wirników, kół zębatych, lin stalowych. Zaproponowano również jej zastosowanie do badania stanu technicznego obiektów będących nośnikami materiałów wysokoenergetycznych, diagnostyki eksploata-cyjnej drogowych i kolejowych konstrukcji mostowych wykonanych z elementów stalo-wych [3].

Metoda magnetycznej pamięci metalu jest techniką badań nieniszczących, umożliwiającą ocenę koncentracji naprężeń i wykrywanie defektów w elementach konstrukcyjnych wykonanych z materiałów ferromagnetycznych [8]. W odróżnieniu od tradycyjnych metod badań nieniszczących, metoda MPM może wykrywać resztkowe pole magnetyczne indukowane przez naprężenia mechaniczne i pole geomagnetyczne, a obiekt można bezpośrednio zdiagnozować bez sztucznego namagnesowania. Wektor natężenia magnetycznego pola rozproszenia H wokół dowolnego namagnesowanego ciała ferromagnetycznego zależy od wielkości i rozkładu jego namagnesowania. Mierząc natężenie pola rozproszenia wokół niego, można określić odrębność rozkładu namagnesowania w każdej części badanego ferromagnetyka [2, 4]. Wykazano dobre

(15)

perspektywy rozwoju i zastosowania metody w wykrywaniu uszkodzeń zmęczeniowych materiałów ferromagnetycznych. Monitorowanie koncentracji naprężeń lub mikropęknięć na wczesnym etapie użytkowania urządzenia i niezwłoczne podejmowanie środków ostrożności przed propagacją pęknięć ma ogromne znaczenie dla zapobiegania późniejszym uszkodzeniom materiału [10]. Nadrzędnym celem prowadzenia badań nieniszczących jest przede wszystkim wykrywanie oraz ocena wad wynikających z nieciągłości materiału. Zastosowanie badań nieniszczących uzasadniają głównie względy bezpieczeństwa oraz aspekt ekonomiczny wystąpienia nieprzewidzianej awarii [11, 13].

W skali makroskopowej występują ścisłe związki pomiędzy własnościami mechanicz-nymi i magnetyczmechanicz-nymi ferromagnetyków. Pod wpływem naprężeń mechanicznych w materiałach ferromagnetycznych dochodzi do odkształceń, którym towarzyszy zmiana namagnesowania. Naprężenia i odkształcenia powodują zmianę oddziaływania sił wymiany między sąsiednimi atomami i prowadzą do zmiany rozkładu namagnesowania w dome-nach, a przez to do zmiany właściwości magnetycznych [7,12].

Pod połączonym działaniem obciążeń zewnętrznych i otaczającego pola geomagnetycznego, w strefach koncentracji naprężeń generowane są pola nieprawidłowo magnetyczne, gdzie pojawia się styczna składowa natężenia pola magnetycznego Hx, jak również normalna Hy. Ten stan magnetyczny jest nadal zachowywany nawet po usunięciu obciążenia. Dlatego strefy koncentracji naprężeń materiałów ferromagnetycznych można wykryć, analizując rozkład natężenia pola magnetycznego. Do tej pory ta technika jest wykorzystywana jedynie jako wstępna jakościowa metoda badań nieniszczących w celu określenia możliwych niebezpiecznych stref w elementach konstrukcyjnych [6, 7].

W pracy skupiono uwagę na potencjalnym zastosowaniu efektu magnetycznej pamięci metalu na potrzeby monitorowania stanu technicznego i warunków pracy elementów konstrukcji nośnej urządzeń transportu technologicznego.

Celem eksperymentu było określenie wpływu zmiany obciążenia, przy znanym poziomie naprężeń resztkowych, na wartości gradientów natężenia pola magnetycznego na powierzchni badanych elementów.

2. Obiekt badań i narzędzia pomiarowe

Do badań posłużyła laboratoryjna dwudźwigarowa suwnica o udźwigu 150 kg, rozpiętości dźwigarów L = 2,4 m, rozstawie kół wózka: a = 0,3 m, zasięgu jazdy wózka D = 2,2 m. Badane urządzenie przedstawia rys. 1, natomiast wymiary geometryczne przekroju dźwigara badanej suwnicy widoczne są na rys. 2. Most suwnicy i wózka napędzany jest przez silniki prądu stałego sterowane za pomocą sterownika programowal-nego (PLC Mitsubishi FX2N). Panel sterowania Przycisk i/lub PC z I/O (karta PCI-1710HG kontrolno-pomiarowa) połączony ze sterownikiem, może być używany do sterowania mechanizmów napędu suwnicy: mostu, wózka i mechanizmu podnoszenia. Pozycja

(16)

Rys. 1. Laboratoryjna suwnica dwudźwigarowa o udźwigu 150 kg

Rys. 2. Przekrój dźwigara laboratoryjnej suwnicy dwudźwigarowej o udźwigu 150 kg

Do pomiarów poziomu własnego pola magnetycznego posłużono się magnetometrem ferrytycznym TSC-7M-16 (Tester of Stress Concentration) (rys. 3). Jest to wielokanałowy miernik magnetycznego pola rozproszonego, wyposażony w urządzenie skanujące z czterema magnetometrami 2D, rozłożonymi względem siebie co 4 mm, oraz enkoderem inkrementacyjnym. Czujnikiem tym mierzona jest wielkość magnetycznego pola Hp i jej składowe Hy, Hx w jednostkach A/m.

(17)

Rys. 3. Magnetometr TSC-7M-16 wraz z sondą

3. Założenia do badań

Posługując się sondą magnetometryczną TSC-4M-16 przeprowadzono pomiary natężenia pola magnetycznego w obu dźwigarach laboratoryjnej suwnicy. Wykonano pomiary w trzech różnych warunkach (rys. 4) według przyjętego planu:

I – urządzenie nieobciążone z wózkiem umieszczonym na początku dźwigarów w pozycji A,

II – urządzenie nieobciążone z wózkiem umieszczonym na środku dźwigarów w pozycji B,

III – urządzenie obciążone ładunkiem o wartości 120 kg z wózkiem umieszczonym na środku dźwigarów w pozycji B.

(18)

Rys. 4. Schematyczny widok wózka przenoszącego ładunek o masie m wzdłuż dźwigara dźwigu

Istotą metody MPM jest pomiar i interpretacja lokalnego zaburzenia pola magne-tycznego spowodowanego występowaniem lokalnych naprężeń w materiale, miejscowym odkształceniem plastycznym materiału lub obecnością nieciągłości materiałowych, zarówno mechanicznych (pęknięcia, rozwarstwienia), jak i strukturalnych (wtrącenia innego materiału). Mierzoną wartością jest wartość wybranej składowej natężenia pola magnetycznego H zmierzona w pobliżu diagnozowanego obiektu przedstawiona za pomocą wzoru (1) [5]. 0 r

B

H

µ µ

=

⋅

(1) gdzie: B – indukcja magnetyczna [T];

μr – względna przenikalność magnetyczna [-];

μ0 – przenikalność magnetyczna próżni [4⋅π⋅10-7 H/m].

4. Wyniki badań

Używając magnetometru TSC-7M-16, zmierzono składową Hx i Hy wektora natężenia pola magnetycznego wzdłuż długości obu dźwigarów L = 2,4 m. Rys. 5 i 6 przedstawiają wykres wartości Hx i Hy oraz ich gradientów dHx/dx i dHy/dx dla obu dźwigarów suwnicy.

Wykonany na podstawie pomiarów magnetogram dźwigara 1 wskazuje, że potencjalne wady mogą być umiejscowione pomiędzy x = 1, a x = 1,2 m dźwigara gdzie x = 0 jest punktem wyjścia do pomiaru (rys. 4). W tym punkcie Hx osiąga wartości skrajne (dla:

(19)

Hx1=487 A/m, Hx2=749 A/m, Hx3=528 A/m, Hx4=652 A/m), natomiast Hy po osiągnię-ciu własnego minimum zmienia znak przechodząc przez punkt y = 0 aż do wartości maksy-malnych. Szczegółowe dane dla dźwigara pierwszego przedstawiają wykresy na rys. 5.

Rys. 5. Magnetogram Hx i Hy i ich gradientów dHx/dx i dHy/dx wzdłuż powierzchni dźwigara 1

(x – kierunek osi)

Magnetogram dźwigara 2 wskazuje aż cztery anomalie magnetyczne świadczące o wadzie materiału. Wady te mogą być umiejscowione pomiędzy:

1. x = 1 a x = 1,02 m, gdzie Hx osiąga wartości Hx1= -488,9 A/m, Hx2 = -81,01 A/m, Hx3 = -978,64 A/m, Hx4 = -1249,68 A/m, 2. x = 1,07 a x = 1,12 m, gdzie Hx osiąga wartości Hx1= -441,4 A/m,

Hx2 = -691 A/m, Hx3 = -265,51 A/m, Hx4 = -391,5 A/m,

3. x = 1,23 a x = 1,27 m, gdzie Hx osiąga wartości Hx1 = -72,38 A/m, Hx2 = -204,3 A/m, Hx3 = -210,8 A/m, Hx4 = -393,88 A/m,

4. x = 1,47 a x = 1,52 m, gdzie Hx osiąga wartości Hx1 = 413,66 A/m, Hx2 = 749,13 A/m, Hx3 = 601,2 A/m, Hx4 = 414,47 A/m.

(20)

Rys. 6. Magnetogram Hx i Hy i ich gradientów dHx/dx i dHy/dx wzdłuż powierzchni dźwigara 2

(x – kierunek osi)

Na podstawie pomiarów i wniosków z przeprowadzonego badania oznaczono na schemacie suwnicy laboratoryjnej miejsca potencjalnie uznane za mające wady materia-łowe w dźwigarach (rys. 7). Po oznaczeniu miejsc potencjalnych uszkodzeń w dźwigarach badanej suwnicy, powtórzono pomiary poziomu własnego pola magnetycznego dźwigarów z wózkiem umieszczonym na środku urządzenia. Eksperyment wykonano według wcześ-niej przyjętego planu. Aby wykluczyć zewnętrzne zakłócenia pola magnetycznego od silników mechanizmu jazdy, jak i podnoszenia, pomiarów dokonywano przy wyłączonym zasilaniu mechanizmów ruchu [11, 13].

(21)

Na podstawie analizy przeprowadzonych pomiarów zestawiono wartości maksymalne, minimalne i średnie Hx i Hy oraz ich gradienty dH/dx i dH/dy dla wszystkich trzech scenariuszy pomiarów. Wartości te przedstawiono w tab. 1, 2, 3.

Tabela 1 Zestawienie wartości składowej normalnej i stycznej natężenia pola magnetycznego H A/m dla dźwigara 1

Hx1 -93,8 -99,4 -83 487,6 397,5 384,9 17,8 15,2 14 Hy1 -183,4 -158,6 -148,9 243,9 187,1 192,1 -4,2 -5,5 -3,5 Hx2 -163,9 -162,5 -151,6 749,5 685,5 662,4 -0,9 -3,8 -7,1 Hy2 -276,4 -253,9 -236,3 263,4 253,1 252,1 3,2 -7,1 -2,2 Hx3 -104,1 -137,9 -127,5 528,5 548,3 530,3 -5,3 -9 -13,4 Hy3 -304,4 -307,9 -285,9 239,4 271,3 264,1 16,1 10,9 16,1 Hx4 -201,5 -270,6 -279,5 652,1 844,1 822,9 7,4 4,1 -0,4 Hy4 -297,1 -326,3 -304,8 127,6 250 239,1 9,2 21,1 27,5 Tabela 2 Zestawienie wartości składowej normalnej i stycznej natężenia pola magnetycznego H A/m dla dźwigara 2

Hx1 -489,6 -360,3 -428,5 416,1 433,4 274,4 22,3 18,6 20,2 Hy1 -437,8 -354,1 -373,1 270,3 206,4 297,5 -44,3 -33,2 -46,6 Hx2 -981,8 -641,5 -726,6 749,5 740,9 535,5 25,7 20 22,8 Hy2 -429,4 -395,3 -292,6 454 335,9 444,3 -26,3 -12 -29,5 Hx3 -977,5 -586 -588,3 602,3 520,8 551,8 15,5 10,2 14,6 Hy3 -279,5 -279,9 -247,9 550,8 421,1 482,8 2,7 19,4 4,1 Hx4 -1249 -815,8 -751,8 746,5 632,6 954,9 39,1 39,4 39,9

(22)

Dokonując analizy powyższych wyników, można zauważyć, że największe wartości pola magnetycznego obserwujemy podczas pomiaru I, czyli dźwigary nieobciążone z wózkiem znajdującym się na skrajnym końcu dźwigarów. Hmin i Hmax obliczane na podstawie pomiarów wykonanych według schematu II osiągają najmniejsze wartości. Wykresy przedstawione na rys. 8–11 porównują wartości Hmin i Hmax składowej stycznej i normalnej wszystkich pomiarów dla obu dźwigarów.

Rys. 8. Porównanie wyników Hxmin i Hymin dla dźwigara 1

Rys. 9. Porównanie wyników Hxmax i Hymax dla dźwigara 1

(23)

Rys. 11. Porównanie wyników Hxmax i Hymax dla dźwigara 2

Gradient magnetycznego pola rozproszenia obliczony na podstawie (2) przedstawiono w tab. 3 dla wszystkich pomiarów obu dźwigarów.

𝐾𝐾𝑖𝑖𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀=�𝛥𝛥𝐻𝐻𝑝𝑝

𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀_�

𝛥𝛥𝛥𝛥_𝑘𝑘𝑖𝑖 (2)

gdzie:

�𝛥𝛥𝐻𝐻𝑝𝑝𝑖𝑖� - moduł zmiany pola Hp pomiędzy punktami kontroli, 𝛥𝛥𝛥𝛥𝑘𝑘𝑖𝑖 - odległość pomiędzy punktami kontroli

Tabela 3 Zestawienie maksymalnych wartości gradientów magnetycznego pola rozproszenia dla dźwigarów 1 i 2

Kanał Kmax dla dźwigara 1 Kanał Kmax dla dźwigara 2

I II III I II III Hx1 26,242 16,870 18,098 Hx1 48,422 24,821 27,084 Hy1 14,389 12,062 10,908 Hy1 27,952 16,875 16,296 Hx2 44,529 32,803 32,501 Hx2 95,166 40,281 55,696 Hy2 17,683 18,640 16,197 Hy2 37,356 22,624 26,822 Hx3 34,969 26,467 25,954 Hx3 80,972 35,152 45,390 Hy3 19,228 21,069 17,773 Hy3 60,821 26,320 31,126 Hx4 50,563 41,557 45,793 Hx4 122,735 55,463 60,107 Hy4 18,688 25,507 19,245 Hy4 45,123 28,669 24,581

(24)

5. Wnioski

W trakcie badania dźwigarów suwnicy czujnikiem magnetometrycznym zaobserwo-wano wyraźne strefy koncentracji naprężeń w dźwigarze 1 na długości belki od 1000 mm do 1020 mm. W dźwigarze 2 wykazano cztery strefy koncentracji naprężeń na odcinku od 1000 mm do 1500 mm.

Naprężenia w konstrukcji nośnej dźwigarów suwnicy wywołane zmianą obciążenia nie wpływają znacząco na poziom namagnesowania mostu. Przedstawione wyniki badań wskazują, iż zastosowane obciążenie do badanej suwnicy sprężyste (odwracalne) nie powoduje stałego odkształcenia.

Podczas kontroli MPM należy pamiętać, że mierzony rozkład natężenia pola magnetycznego ulega zmianie w zależności od położenia badanego elementu względem zewnętrznego pola magnetycznego (Ziemi i innych).

Metoda MPM udowodniła swoją skuteczność we wczesnym wykrywaniu możliwych lokalizacji defektu. W artykule przedstawiono wyniki eksperymentów przeprowadzonych w laboratorium, w których uwzględniono wpływ zmiennego obciążenia i położenia wózka na składowe sygnału SMFL. Wyniki eksperymentalne pokazują, że sygnał pamięci magne-tycznej ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem obciążenia elementów konstrukcyjnych. Anomalie w rozkładzie naprężenia pola magnetycznego elementu mogą być wynikiem występowania w nim nieciągłości, jak również lokalnych zmian właściwości magnetycznych i elektrycznych będących skutkiem różnych procesów zużycia.

Analizując wyniki badań i dane literaturowe, w kolejnych badaniach można podjąć próbę zastosowania metody MPM do diagnostyki on-line konstrukcji urządzeń, narażonych na silne naprężenia i odkształcenia w procesie jego użytkowania.

Istnieje potrzeba prowadzenia dalszych prac nad rozwojem pasywnej diagnostyki magnetycznej, których efekty powinny przyczynić się do uzyskiwania bogatszej informacji diagnostycznej z opracowanych nowych metod. Metody nieniszczące odgrywają ważną rolę w diagnostyce urządzeń będących w ciągłej eksploatacji. W zależności od rodzaju badania możemy wstępnie określić lokalizację oraz wielkość i rodzaj wady. Pośrednio oraz bezpośrednio możemy uzyskać dane na temat właściwości oraz stanu technicznego materiału. Jednakże nie w każdych okolicznościach można je wykorzystać, nie uzyskujemy dzięki nim wszystkich możliwych informacji o materiale. Znacznym ograniczeniem jest dostępność do badanych powierzchni oraz rodzaj badanego materiału.

Kontrola urządzeń transportu metodą MPM pozwala na uzyskanie informacji o ich stanie technicznym, wiedza ta jest przydatna do podejmowania decyzji o warunkach użytkowania urządzenia. Dzięki temu można zmniejszyć ryzyko: awarii i nieplanowych remontów, zagrożenia życia ludzkiego i zagrożeń środowiskowych.

Nieniszczące badania diagnostyczne są niezbędnym elementem optymalizacji działań logistycznych zapewniających bezpieczeństwo eksploatacji starzejącej się techniki. Podziękowanie

(25)

6. Literatura