Розглянуто можливості акустичних методів оперативного контролю стану силових елементів виконавчих хутра "низмов приводів переміщення. Показано, що методи акустичної томографії оцінки міцності на стадії" катастрофи "еле" мента не застосовні на початковій стадії розвитку процесу втрати міцності.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Дементьєв Ю. М., Слободян С. М.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2004


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'Аналіз акустичних методів для контролю міцності силового елемента приводу переміщення'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз акустичних методів для контролю міцності силового елемента приводу переміщення»

    ?УДК 534.5: 681: 787: 621.791

    АНАЛІЗ АКУСТИЧНИХ МЕТОДІВ ДЛЯ КОНТРОЛЮ МІЦНОСТІ СИЛОВОГО ЕЛЕМЕНТА ПРИВОДУ ПЕРЕМІЩЕННЯ

    Ю.Н. Дементьєв, С.М. Слободян

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто можливості акустичних методів оперативного контролю стану силових елементів виконавчих механізмів приводів переміщення. Показано, що методи акустичної томографії оцінки міцності на стадії "катастрофи" елемента неспроможні на початковій стадії розвитку процесу втрати міцності.

    Облік впливу повзучості елементів і матеріалів необхідний в багатьох областях науки і техніки, в тому числі, електромашинобудуванні, атомній енергетиці та будівельної техніки. Основи та фундаменти споруд, виконавчі механізми компресорів, нафтових насосів-качалок, газових і парових турбін, елементи конструкцій хіміко-технологічних апаратів працюють в умовах значних перепадів температур і реверсивних навантажень. Тому фактор повзучості матеріалів в силових елементах виконавчих механізмів є параметром, що визначає міцність і надійність конструкцій [1-4]. У зв'язку з цим досить актуальним є розробка методів і засобів оперативної діагностики і оцінки поточного стану відповідальних вузлів силових елементів виконавчих механізмів електроприводів. Особливо важлива оперативна діагностика втоми таких елементів, які відчувають протягом тривалого часу граничні динамічні навантаження. Так як в початкові особливо важливі моменти розвитку процесів втоми і повзучості матеріалів їх прояв має досить незначний (10-3) характер, то для контролю початку розвитку цих явищ необхідні вимірювальні засоби, що забезпечують більш високу (<10-4 ... 10-5) точність контролю.

    Для вирішення завдання контролю стану матеріалів і середовищ широкого поширення набули ультразвукові системи різного типу [5, 6], які дозволяють в реальному часі зі зміни властивостей контролювати стан матеріалу елемента і при появі тріщин виявляти прояв повзучості і його ступінь втоми. контроль

    м М / <->

    поточного стану трещиноватости (кінцевої стадії втоми) найбільш навантаженого елемента в загальній системі технічної діагностики електроприводу дуже важливий для запобігання аварійних ситуацій, викликаних непередбаченим відмовою одного або декількох вузлів виконавчого механізму в умовах реальної експлуатації.

    Непередбачений відмову, викликаний руйнуванням елемента виконавчого механізму електроприводу, виникає як результат деформації цього елемента під час його експлуатації. Відносна величина деформації елемента 8ОТН визначається відношенням Д - абсолютної деформації к / 0 - розміром деформованого елемента: 8ОТН = ДД.

    У загальному випадку, вона обумовлена ​​двома складовими різної фізичної природи 8У - пружною та 8ПЛ - пластичної деформації. На практиці [7] розрізняють прояв цих видів деформацій шляхом контролю об'ємної 8 (%, у, 1) деформації, оцінюючи зі зміни періодичної закономірності її поведінки початок переходу від пружної до пластичної деформації, характер її розвитку і стадію деформації, початок процесу руйнування елемента. Для визначення величини пластичної деформації 8ПЛ необхідно виключити вплив пружності, віднімаючи значення пружної складової деформації 8 ~, з повною поздовжньої деформації Д навантажувати елемента

    8пл = Д - 8.

    Відносні величини як пружною, так і пластичної деформації елемента, особливо на початковому етапі виникнення останньої, досить малі: <10-4.

    Акустичні засоби дистанційного нераз-Руша контролю стану середовищ і параметрів різних елементів за свою багаторічну історію розвитку [5, 6] показали свою високу надійність і ефективність для виявлення зон руйнування структури елемента. Переваги акустичних засобів дистанційного неруйнівного контролю загальновідомі: відносна дешевизна; висока стійкість роботи при будь-яких погодних умовах, у відсутності оптичної видимості і наявності радіаційних впливів; простота обслуговування: тривалий термін служби; невисока маса; простота виконання акустичних елементів тощо.

    У даній роботі проведено аналіз сучасного стану можливостей застосування акустичних приладів неруйнівного дистанційного контролю для визначення початкової стадії розвитку зміни міцнісних властивостей матеріалів силових елементів, що веде до його відмови і руйнування в процесі подальшої експлуатації.

    У акустичної вимірювальної техніки для дистанційного контролю параметрів середовища розроблено широкий спектр методів і пристроїв. Найбільш широке застосування для оцінки характеристик стану пружних та звуко матеріалів і конструкцій знаходять методи нераз-Руша контролю з використанням ультразвуко-

    кового інтерферометра (об'ємного акустичного резонатора) і локаційні методи контролю відстаней (зміни просторового положення лоцируємого елемента) [5, 6, 8, 9]. В останньому випадку початкова стадія ослаблення міцності силового елемента (об'єкта контролю) може бути виявлена ​​по зміні відстані, як параметра оцінки величини середнього значення деформації силового елемента при односпрямованої або циклічної навантаженнях.

    Залежно від способу формування акустичного сигналу, що несе інформацію про об'єкт дистанційного контролю, структурні схеми формування акустичного сигналу можна представити чотирма варіантами (рис. 1).

    Мал. 1. Схема формування сигналів: а) активному, б) напівактивною, в) активному з активною відповіддю і г) пасивним методами акустичної локації

    Активний метод контролю стану об'єкта використовує відбитий від об'єкта акустичний сигнал, випромінювань джерелом акустичної енергії, встановленим в місці розташування вимірювальної системи. Акустичний сигнал, що випромінюється звуковим генератором акустичної енергії, називається прямим або зондирующим, а сигнал, що приймається приймачем акустичної енергії вимірювальної системи - відбитим (рис. 1). У процесі відображення від об'єкта падаючої акустичної хвилі її параметри (амплітуда, фаза і ін. Складові) змінюються. У змінах параметрів відбитої акустичної хвилі міститься інформація про фізичні властивості середовища поширення, координатах (х, у, т) і швидкості зміни стану об'єкта контролю і (х, у ^, (), а також фізичних та геометричних характеристиках (розмірах, конфігурації, властивості матеріалу і т.п.) об'єкта контролю. Гідність активного методу формування акустичного сигналу полягає в тому, що він дозволяє отримувати інформацію про стан об'єкта контролю, який сам не є джерелом акустичного випромінювання або має низьку акустичну відбивну здатність (великий коефіцієнт поглинання - звуковбирний матеріал ). При цьому, природно, мала інтенсивність акустичного, відбитого об'єктом сигналу, обмежує максимальну дальність дії вимірювальної системи.

    При напівактивної схемою (рис. 1) інформаційним є сигнал від незв'язаного з вимірювальною системою акустичного джерела об'єктивним-

    та контролю або відбитий об'єктом сигнал від окремого, не пов'язаного з вимірювальною системою, акустичного джерела.

    У разі активного з активною відповіддю методу акустичного контролю стану об'єкта використовується сигнал, ретранслюється акустичним джерелом, встановленим на об'єкті контролю. Параметри ретранслюються сигналу змінюються з урахуванням характеристик прийнятого сигналу і по закону передачі управляються сигналом запиту акустичного генератора (рис. 1). Тобто, прийнятий акустичний сигнал переизлучается. Перевага цього методу - збільшення дальності дії, поліпшення співвідношення сигнал - перешкода (шум).

    Пасивний метод акустичного контролю стану об'єкта полягає в контролі акустичного сигналу, який формується за рахунок деформаційних змін об'єктом контролю, або вимірі сигналу природного акустичного фону навколишнього середовища, відбитого об'єктом. При цьому дальність - відстань до об'єкта не визначається, але зі зміни параметрів сигналу щодо поточного стану акустичної фонової обстановки можна виділити зміну стану об'єкта контролю. Для визначення зміни відстані до поверхні об'єкта, контролю можна використовувати кутомірно-базовий тріангуляційний метод із застосуванням двухканаль-ної вимірювальної системи в наближенні геометричної оптики ходу акустичної хвилі.

    Мал. 2. Типовий вид відбитого акустичного сигналу приладу "ВЗЛЕТ УР"

    Відбитий до приймача вимірювальної системи акустичний сигнал АОС (х, у, 1, Х, У, 1,1) несе інформацію про координати об'єкта і їх похідних у часі. Прийом і обробка відбитого акустичного сигналу, і оцінка його параметрів дозволяє визначити функціонально пов'язані з ним величини, що характеризують стан лоцируємого об'єкта. Відбитий від об'єкта сигнал на вході приймача акустичного енергії АОС (/), типовий імпульсний вигляд якого для приймача типу "ВЗЛЕТ УР" [9] представлений на рис. 2, може бути записаний у вигляді

    АОС () = КссАог () С08 [Юз ^ -% з (0 -Ф0],

    де КОС - коефіцієнт ослаблення звукової хвилі амплітуди АТ (); а = 2л / - частота / генератора; р0 і (ріс - відповідно фаза початкового і відбитого перепоною сигналу. При локаційних поширенні звукової хвилі довжиною Я фазовий

    зрушення ДФ = ФОС (/) - ф0, який визначається поступальним переміщенням Д // Х, (в кутових одиницях довжини хвилі), що відбиває звук площиною силового елемента, дорівнює подвоєному фазового зсуву:

    ДФ = 2пД // А3.

    Звідси видно, що деформація силового елемента викликає зміна відстані локаційної траси на величину Д /, що призводять до подвоєному зміни збільшень фазового набігу звукової хвилі, випромінюваної генератором. Коефіцієнт загального ослаблення звукової хвилі, що відображається від плоскої поверхні силового елемента і прийнятого акустичним приймачем, визначається відношенням прийнятої приймачем до излученной генератором акустичної енергії, з урахуванням КГ (/ "3Д /, с) - коефіцієнта геометричного ослаблення, що має вигляд [5]: К0С = е-2аК (/ ьс1, /, с).

    Тут а - коефіцієнт поглинання звуку середовищем поширення та поверхнею відображення; / - відстань (розмір силового елемента); / 3 і з - частота і швидкість звуку; й - розмір акустичного випромінювача.

    Як видно з рис. 2, огинає ЛОС (0 і фаза ФОС (0 сигналу є повільно мінливими функціями часу. Однак визначити довжину силового елемента /, оцінюючи амплітуду відбитого сигналу, важко. Вона залежить від багатьох чинників, дія яких не є постійним. Амплітуда прийнятого акустичним приймачем сигналу, відбитого від об'єкта контролю, є функцією діаграми спрямованості (коефіцієнта посилення) акустичного приймача, інтенсивності акустичного випромінювання генератора, величини загасання акустичної хвилі на трасі контролю, геометрії і властивостей матеріалу силового елемента і т.п. Таким чином, хоча між амплітудою відбитого акустичного сигналу, розмірами і видаленням, що відображається звукову хвилю, поверхні силового елемента існує [5] цілком певна функціональна залежність, використовувати її для визначення величини деформації силового елемента в широкому діапазоні важко. Результати дослідження ультразвукового локаційного рівнеміра "ЗЛІТ у Р "показують, що відносна похибка вимірювання переміщення, що відбиває звукову хвилю, поверхні локаційним способом на базі ~ 10 м становить ± 610-4, що явно недостатньо для виявлення початкової стадії втрати міцності силового елемента під навантаженням. Інтерферометра-етичні методи і пристрої акустичного нерозривно-вирішального контролю використовують для дослідження тонкої структури параметрів поширення акустичної хвилі (звуку) в нестаціонарних середовищах, тому що їм притаманне краще просторове дозвіл. При цьому силовий елемент найчастіше трубчастої конструкції, може бути використаний [8] як акустичний интерферометр (рис. 3). Це рішення в значній мірі спрощує практи-

    чний реалізацію і отримання достовірних результатів вимірювання при виконанні умов узгодження геометричних розмірів акустичного інтерферометра з параметрами звукової хвилі для створення в трубі інтерферометра стоячій звукової хвилі. Більшість інтерференційних методів вимірювань властивостей зондіруемой середовища засновано на визначенні зміни параметрів стоячій хвилі. Цей підхід дозволяє [8] виміряти коефіцієнт поглинання звуку матеріалом контрольованого елемента, коефіцієнт відображення, вхідний імпеданс, а також інші хвильові параметри силового елемента приводу. Найбільш часто застосовують такі методи вимірювання параметрів: метод стоячій хвилі, метод передавальної функції, метод нелінійної регресії [8].

    Сутність контролю параметрів за методом стоячої хвилі полягає в вимірі амплітуд звукового тиску в точках мінімуму РШ і максимуму Р [ш стоячій хвилі і визначення їх координат на поздовжньої осі акустичного інтерферометра (рис. 3).

    Мал. 3. Формування интерференционного акустичного поля в силовому елементі приводу переміщення

    Звуковий поле в інтерферометрі утворюється за рахунок спільної взаємодії падаючої і відбитої гармонійних складових акустичних хвиль, що поширюються в прямому і зворотному напрямках уздовж осі трубчастого елемента. Квадрат модуля амплітуди звукового тиску в трубі акустичного інтерферометра на відстані / мш від торця елемента, що відображає хвилю, має вигляд [8]:

    З п I л 2 V

    І 2 = 1 л +

    ехр

    -2 ре +

    +2

    ехр (-2р?) +

    зі $ (2кI + (ф))

    де | Л + |, | Л | і ф0 +, ф- - амплітуди і фази відповідно прямий і відображеної звукових хвиль; к = 2п / с - хвильове число; / - частота; с - швидкість звуку в трубі; / Ш - відстань (довжина силового елемента) від випромінювача до відбиває звук поверхні протилежної торця елемента; в - коефіцієнт загасання акустичної хвилі який для випадку циліндричного інтерферометра діаметром Б визначається як [8]:

    ?= 5,9-10-5f'D м-с0'5. Нехтуючи загасанням (? ->0) для реальних розмірів акустичного інтерферометра, виконаного на силовому елементі приводу переміщень, фазовий набіг в умовах малої деформації силового елемента визначається різницею: ДФ = 2к (Д /),

    де Д1 - зміщення відбиває торця за рахунок деформації силового елемента під навантаженням. На практиці цей метод ускладнений трудомісткістю пошуку положення мінімуму інтерференції хвиль. Точність методу визначається похибкою оцінки положення мінімуму інтерференції і залежить від розміру лінійної дільниці динамічного діапазону вимірювань амплітуд акустичного тиску.

    Вимірювання параметрів акустичної картини інтерференції методом передавальної функції акустичного інтерферометра, виконаного на структурі силового елемента, ґрунтується на використанні алгоритмів швидкого перетворення Фур'є. Метод передавальної функції підвищує швидкодію вимірювань. Однак, точність методу є частотно залежної - істотно падає на частотах генерації акустичної хвилі, коли її довжина стає сумірною з подвоєним розміром проміжку між обраними для контролю точками вимірювань. Для виключення впливу цього фактора використовується многоточечний метод контролю параметрів акустичної хвилі. Вимірювання проводять в N точках (N>2), розташованих еквідистантно по довжині інтерферометра з обробкою результатів вимірювання за методом найменших квадратів. Використання даного методу забезпечує більшу точність фазових вимірів за рахунок збільшення часу обробки сигналу.

    Способи контролю характеристик структури звукового поля в акустичному інтерферометрі по методам трьох точок і нелінійної регресії дають [8] адекватні результати. Чисельне рішення функціональних залежностей методом нелінійної регресії з використанням стандартної процедури GENFIT програмного пакета MathCad 2001 і їх аналітичне рішення в діапазоні частот акустичної генерації 0,4 ... 4 кГц практично (похибка 0,1%) збігаються. Це означає, що основний

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Теребушка О.Н. Основи теорії пружності і пластичності. - М .: Наука, 1984. -320 с.

    2. Механіка руйнування і міцність матеріалів / За ред. В.В. Панасюка. - Київ: Наукова думка, 1988. - 510 с.

    3. Розсудів Л.Н., Мядзель В.Н. Електроприводи з розподіленими параметрами механічних елементів. - Л .: Енергоатом-міздат, 1987. -144 с.

    4. Гашимов М.А. Логічні методи діагностики технічного стану електричних машин // Електрика. - 1999. - № 7. -С. 21-26.

    5. Горбатов А.А., Рудашевскій Г.Є. Акустичні методи і засоби вимірювання відстаней в повітряному середовищі. - М .: Енергія, 1973. -145 с.

    недолік - висока чутливість до похибок вихідних даних, одержуваних при вимірюванні параметрів акустичного поля інтерференції - за цим методом притаманний і методу нелінійної регресії.

    Спільний аналіз величин відносних похибок властивий розглянутим вище методам контролю деформації силового елемента приводів переміщень способами акустичної діагностики, дозволяє розмістити їх в наступній послідовності, яка визначається ступенем впливу на кінцевий результат оцінки деформації: вплив температури (± 50 ° С) середовища поширення акустичного випромінювання ~ 10% ; вплив зміни відносної вологості 0. 90% середовища ~ 1%; зміни тиску середовища (~ 100 Па) -0,01%.

    Виходячи з цього, можна стверджувати, що оскільки відносна вага похибок перевищує величину 10-2, то більш незначні за величиною деформації 10-4.10-5, властиві етапу початку втрати міцності властивостей матеріалом силового елемента під навантаженням, не можуть бути достовірно зареєстровані розглянутими вище методами . Методами акустичної томографії (просвічування) можуть бути виявлені явища вже розвилася "катастрофи" - втрати міцності матеріалом (тріщини і т.п.), фізично порушують геометричний хід акустичних променів і вносять зміни в структуру акустичної хвилі, що значно перевищують за величиною похибки методу або співмірні з довжиною акустичної хвилі.

    Аналіз функціональних залежностей тимчасової затримки і фазового набігу від параметрів акустичної хвилі і величини деформації силового елемента під навантаженням призводить до висновку, що для контролю початковій стадії розвитку процесу втрати міцності (зростання пружною деформації, поява повзучості і т.п.) матеріалом силового елемента, незалежно від методу оцінки параметрів необхідний перехід до використання випромінювання з меншою довжиною хвилі, як носія інформації про деформації. Причому, для забезпечення малих (~ 10-4 ... 10-5) величин похибок вимірювання різниця між величиною контрольованої деформації і довжиною хвилі випромінювання повинна бути порівнянна з порядком необхідної величини похибки вимірювання.

    6. Колесников А.Є. Ультразвукові вимірювання. - М .: Стандарти, 1982. -178 с.

    7. Советченко Б.Ф. Спеціальні глави міцності: Навчальний посібник. - Томськ: Вид-во ТПУ, 1998. - 88 с.

    8. Комкіна А.І. Методи вимірювання акустичних характеристик звукопоглинальних матеріалів // Вимірювальна техніка. - 2003. - № 3. -С. 47-50.

    9. Жмилев А.Б., Лісіцінскій Л.А., Топунов А.В. Випробування ультразвукового рівнеміра "ВЗЛЕТ УР" // Вимірювальна техніка. - 2003. - № 2. - С. 70-72.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити