Разработка систем цифровой радиографии резцов для горных и дорожных машин

Настоящий период развития человечества характеризуется двумя
разнонаправленными векторами. Первый из векторов связан с ограниченностью
земных ресурсов: энергии; полезных ископаемых; воды; территории.
Ограниченность земных ресурсов требует эффективного их использования.
Большая часть ресурсов используется конечным потребителем не в исходном
виде, а конечном виде, который максимально соответствует потребительским
запросам. Исходные ресурсы трансформируются в технические объекты и
услуги. Эффективность использования природных ресурсов, не в последнюю
очередь, определяется надёжностью производимых технических объектов.
Здесь под надёжностью объектов понимается безотказность, долговечность,
ремонтопригодность и способность к хранению. Всю совокупность
технических объектов делят на одноразовые объекты и объекты длительного
использования. Второй вектор обусловлен спецификой капиталистического
производства, которая заключается в главной цели – увеличении капитала.
Процесс увеличения капитала невозможен без поддержания на заданном
уровне или роста прибыли в единицу времени. Разнонаправленность векторов
развития проявляется, прежде всего, для объектов длительного использования.
Противоречие заключается в том, что современные достижения в области
материаловедения, конструирования технических систем, систем управления,
контроля и диагностики позволяют производить технические объекты
длительного использования, обладающие высокими уровнями всех
составляющих надёжности, но это приводит к понижению спроса на
упомянутые объекты, и, следовательно, к уменьшению производства и
прибыли. Сглаживанием описанного противоречия должны заниматься не
только правительства отдельных государств, но и мирового сообщества в
целом. В ряде случаев конечный потребитель технических объектов вынужден
диктовать свои условия производителю. Это связано с условиями и
ограничениями на эксплуатацию технических объектов. К отраслям,
представители которых выдвигают жёсткие потребительские требования к
техническим объектам и их элементам, относятся, например, горнодобывающая
промышленность и транспортное строительство. Здесь транспортное
строительство включает в себя, например, строительство и ремонт
автомобильных дорог, а также строительство туннелей. В процессе ремонта
автомобильных дорог, строительства туннелей и разработке горных пород
происходит разрушение искусственных или каменных материалов. Для
эффективного разрушения каменных материалов используются дорожные и
горные машины с многоэлементными фрезерными рабочими органами. В
качестве режущих элементов используются вращающиеся (поворотные) резцы
и зубки. Долговечность рабочего органа дорожных фрез и горных машин,
помимо прочности разрушаемых пород, конструкции резцов, формы и
материала режущей части и геометрии резания зависит от качества
изготовления единичного резца, а также от степени однородности резцов в
рабочем органе. Под степенью однородности резцов понимается уровень их
близости по основным параметрам. В процессе эксплуатации параметры резцов
естественным образом изменяются. Представляется очевидным вывод о том,
что долговечность рабочих органов, при прочих равных условиях, тем выше,
чем ближе степень однородности резцов при их деградации в процессе
эксплуатации. Этот вывод основан на традиционном положении – уровень
надёжности технического объекта закладывается при его изготовлении. К
контролируемым параметрам резцов относят их длину, массу, форму, размеры
и материал режущей части и т.п. До последних десятилетий было принято
считать, что технология изготовления резцов для дорожных фрез и горных
машин полностью удовлетворяет запросам конечного потребителя. Однако, это
утверждение, вероятнее всего, относится к разряду завышенных ожиданий и
обещаний производителей резцов. Стоимость резцов, до недавнего времени, не
выливалась для производителя работ в сложную экономическую проблему.
Изменение ситуации произошло по ряду причин внешнего и внутреннего
свойства. К внешним причинам относится, например, международные санкции
к России, приведшие к ряду ограничений, в том числе и с поставками
высокотехнологического оборудования, материалов и т.п. в Россию. Среди
внутренних причин следует отметить:
– наблюдающиеся сложности в замещении импорта;
– огромные размеры страны;
– неразвитость транспортной и логистической систем отдельных
регионов страны, особенно сырьевых территорий;
– смещение условий добычи полезных ископаемых в сырьевых центрах
в сторону усложнения;
– переход к императиву «время – деньги»;
– вынужденное отступление от оправданного математической теорией
надёжности свойственного россиянам выражения «запас карман не тянет».
Итоговый комплексный контроль резцов позволит не только обнаружить
дефектные резцы, но и отобрать резцы по уровням их ключевых параметров.
Для контроля резцов для горных и строительно-дорожных машин могут
быть использованы различные методы неразрушающего контроля по-
отдельности и в комплексе. Радиационные методы, основанные на измерении
ослабления гамма- или рентгеновского излучения, позволяют решать всю
совокупность необходимых задач измерения и дефектоскопии. Появление на
рынке высокоэффективных источников и регистраторов рентгеновского
излучения позволяет с определённой долей уверенности говорить о
возможности тотального выходного контроля упомянутых выше резцов
радиационными методами. Разумеется, на первом этапе речь может идти о
наиболее ответственных рабочих органах, например, используемых при
прокладке тоннелей или при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций,
где цена отказа в широком понимании этого словосочетания является
чрезвычайно высокой.
Объект исследования: закономерности формирования и алгоритмы
обработки цифровых радиографических изображений. Типовые дефекты
горных и дорожных машин.
Предмет исследования: методы цифровой радиографии резцов горных
и дорожных машин.
Практическая новизна: на данный момент отсутствует какая-либо
система неразрушающего контроля резцов горных и дорожных машин,
позволяющая повысить эксплуатационную безопасность и надежность
эксплуатируемых в промышленности резцов.
Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих
задач:
− Исследовать существующие типовые резцы горных и дорожных
машин, а также возможные дефекты.
− Исследовать тенденцию в развитии радиационных методов
неразрушающих испытаний, контроля и диагностики.
− Исследовать особенности регистраторов рентгеновского излучения
для систем цифровой радиографии и способы формирования цифрового
изображения.
− Произвести расчёт косвенных и прямых характеристик систем
цифровой радиографии резцов для горных и дорожных машин.
− Провести экспериментальную проверку методики оценки
характеристик систем ЦР.
Методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались методы системного анализа, математического и
стохастического моделирования, статистической обработки результатов
экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения выпускной
квалификационной работы обсуждались на отчетах по НИР кафедры ФМПК в
2016 − 2018 годах.
На защиту выносятся:
− Математическая модель цифровой радиографии.
− Эффективность применения цифровой радиографии и рентгеновской
вычислительной томографии применительно к контролю вращающихся и
неподвижных резцов горных и дорожных машин.
1 Резцы для горных и строительно-дорожных машин