автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Измерение глубины трещин на сложнопрофильных участках электропотенциальным методом

На правах рукописи 005537910

Елисов Алексей Алексеевич

ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИНЫ ТРЕЩИН НА СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ УЧАСТКАХ ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.11.13. — Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ' 2013

Москва-2013 г.

005537910

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ)

Научный руководитель

Шкатов Петр Николаевич

доктор технических наук, профессор,

директор НУЦ «КАСКАД» МГУПИ

Официальные оппоненты

Покровский Алексей Дмитриевич доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и интроскопия» МЭИ (технический университет)

Дидин Геннадий Анатольевич кандидат технических наук, директор ООО «ГлавДиагностика»

Ведущая организация: ЗАО «НИИИН МНПО "СПЕКТР"»

Защита состоится 26 ноября 2013 года в часов на заседании диссертационного совета Д212.119.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru и Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) http://www.mgupi.ru.

Автореферат разослан "25" октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.119.01 д.т.н., профессор

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность.

Размеры дефектов сплошности типа трещин в значительной степени определяют необходимость замены или возможность ремонта различных металлических деталей и узлов оборудования. Наиболее вероятно развитие поверхностных трещин, возникающих, преимущественно, на участках с повышенными значениями механических напряжений. Как правило, такие участки имеют сложнопрофильную поверхность, что затрудняет как выявление трещин, так и оценку их параметров. Для выявления поверхностных трещин используются различные методы неразрушающего контроля: капиллярный, магнитный, ультразвуковой, вихретоковый и др. Для измерения глубины трещин, после их выявления, успешно применяется электропотенциальный метод контроля. Он достаточно прост в реализации и обеспечивает приемлемую погрешность измерения глубины поверхностных трещин на плоских участках. Вместе с тем, регистрируемые электропотенциальным преобразователем (ЭПП) сигналы зависят от кривизны поверхности. Степень этого влияния исследована недостаточно. Из-за этого влияние кривизны поверхности либо игнорируется, либо приводит к необходимости изготовления специальных контрольных образцов с искусственными дефектами, выполненными на участках с заданной кривизной поверхности. Таким образом, современные электропотенциальные измерители глубины трещин (ИГТ) не позволяют достоверно оценить глубину поверхностных трещин на сложнопрофиль-ных участках без дополнительных исследований. Кроме того, используемые на практике ЭПП плохо приспособлены для измерения на сложнопрофильных участках. В связи с этим измерение глубины трещин на сложнопрофильных участках с приемлемой для практики погрешностью - весьма актуальная задача.

1.2. Состояние проблемы.

В настоящее время в известных электропотенциальных ИГТ влияние кривизны поверхности на результаты измерения глубины трещин не учитывается. Не существует зависимостей, позволяющих оценить погрешность измерения, возникающую за счет кривизны поверхности на дефектном участке. Для уменьшения соответствующей погрешности приходится изготавливать контрольные образцы, имеющие такую же форму поверхности, что и на контролируемом участке. Это достаточно трудоемко и не всегда возможно.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы - обеспечение приемлемой погрешности измерения электропотенциальным методом глубины поверхностных трещин на сложнопрофильных участках.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• провести компьютерное моделирование электрического взаимодействия электропотенциального преобразователя с поверхностными трещинами на типичных криволинейных участках;

• разработать способ оперативного измерения влияния кривизны поверхности на регистрируемый сигнал электропотенциального преобразователя;

• выбрать конструкцию и рациональные параметры специализированного электропотенциального преобразователя, обеспечивающего возможность измерения на вогнутых и выпуклых цилиндрических поверхностях с высокой кривизной;

• на основе компьютерного моделирования получить выходные характеристики

классического и специализированного электропотенциальных преобразователей при измерениях глубины трещин различной ориентации и формы на характерных сложнопрофильных участках;

• провести оценку дополнительной погрешности, связанной с кривизной контролируемого участка;

• разработать и реализовать алгоритм измерения глубины поверхностных трещин с учетом кривизны поверхности на сложнопрофильных участках.

1.4. Методы исследования:

Для компьютерного моделирования применялся метод конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью сертифицированного электропотенциального измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» и специально изготовленных контрольных образцов с различной кривизгной поверхности и искусственными дефектами в виде прорезей, выполненных электроэрозионным методом.

1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:

• на основе метода конечных элементов (МКЭ) проведено компьютерное моделирование электрического взаимодействия электропотенциального преобразователя с металлическими объектами с выпуклой и вогнутой цилиндрической поверхностью и трещинами различной ориентации и формы;

• получены оценки дополнительной погрешности измерения электропотепнциаль-ным методом глубины поверхностных трещин, связанная с изменением кривизны поверхности;

• разработан способ оперативного измерения влияния кривизны поверхности на регистрируемый сигнал электропотенциального преобразователя;

• определены рациональные параметры специализированного электропотенциального преобразователя, предназначенного для измерения глубины поверхносных трещин на участках с высокой кривизной поверхности.

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

• Получены оценки погрешности при измерении электропотенциальным методом глубины поверхностных трещин на цилиндрических поверхностях различной кривизны;

• Реализовано измерение глубины поверхностных трещин с помощью специализированного электропотенциального преобразователя;

• разработан и реализован на основе электропотенциального измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» алгоритм измерения глубины поверхностных трещин с автоматической коррекцией влияния кривизны поверхности.

1.7. Реализация и внедрение результатов работы:

На базе установки, состоящей из измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» и ПК, реализовано измерение глубины поверхностных трещин с коррекцией влияния кривизны поверхности. Установка внедрена на предприятии ООО «АКА-Скан».

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XXI Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации».— Алушта-2012 г , XV Международной конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г.

Лорнака, 2012 г., 2-ой Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», г. Москва, 2012 г., на конференции МГУПИ «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук», Москва, 2013 г.

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 4 без соавторов, 2 в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны бьггь опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Список работ приведен в автореферате.

1.10. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 105 страницах, иллюстрируется 59 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 115 наименований.

1.11. Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

• Степень влияния кривизны поверхности на результаты измерения глубины поверхностных трещин существенно зависит от самой измеряемой величины - глубины трещины и ее длины. При реалистичных параметрах кривизна поверхности может приводить к дополнительной относительной погрешности до 50%.

• Для измерения глубины поверхностных трещин в области галтельных переходов целесообразно использовать специализированный электропотенциальный преобразователь типа ЭПП-(::) - 4><4х4 для измерения трещин глубиной до 5 мм и ЭПП-(::) - 4x4x8 для измерения трещин глубиной от 5 мм до 20 мм.

• Для коррекции результатов измерения глубины трещин на сложнопрофиль-ных участках целесообразно оценивать их кривизну путем определения отношения сигналов, полученных при различной пространственной ориентации ЭПП.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе проведен анализ современного состояния методов и средств измерения глубины поверхностных трещин на сложнопрофильных участках. Здесь рассмотрены типовые задачи измерения глубины поверхностных трещин в металлических элементах и конструкциях, возможности оценки глубины поверхностных трещин на сложнопрофильных участках различными методами неразрушающего контроля, исследования и разработки в области измерения глубины поверхностных трещин электропотенциальным методом.

Вторая глава посвящена исследованию выходных сигналов электропотенци ального преобразователя (ЭПП) с размещением электродов в одной плоскости при его взаимодействии с поверхностными трещинами на цилиндрической поверхности. Исследование проводилось путем компьютерного моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ). Расчеты выполнялись с помощью сертифицированной программы АЫвУЗ. Геометрические расчетные модели, соответствующие выбранным вариантам поверхности и ориентации трещины показаны на рис. 1-3.

На рис. 1 показаны схемы установки электродов ЭПП на выпуклой и вогнутой цилиндрической поверхностями с продольной и поперечной трещинами. На рис. 2 приведена форма поперечных трещин типа углового сегмента и типа пропила, расположенных на выпуклой цилиндрической поверхности. Продольная трещина имеет

5

вид прямоугольника с глубиной Ь и длиной £.

Яг

п

н2й

— /

а)

2 г„

б)

Рисунок 1 - Схема установки электродов электропотенциального преобразователя на цилиндрической поверхности: а - с продольной трещиной на выпуклой поверхности; б- с поперечной трещиной на выпуклой поверхности; с -с продольной трещиной на вогнутой поверхности

/

/

а) б)

Рисунок 2 - Форма поперечных трещин на выпуклой цилиндрической поверхности: а — в виде углового сегмента, б - в виде пропила

Как видно из рис. 1, ЭПП состоит из токовых электродов с межэлектродным расстоянием Кт и потенциальных электродов с межэлектродным расстоянием Яр, устанавливаемых симметрично относительно трещины. Электроды находятся в общей плоскости, ориентируемой при установке ЭПП перпендикулярно следу трещины. На рис. З, в качестве примера, приведена расчетная область после дискретизации для геометрической модели, представленной на рис. 2-6.

Рисунок 3 - Расчетная область после дискретизации для вогнутой поверхности с продольной трещиной

Число узлов сетки увеличивается в зонах с ожидаемыми повышенными градиентами плотности тока, протекающего через соответствующие участки. Так, как заранее распределение плотности тока не известно, разбиение уточняется по результатам пробных расчетов. Для выполнения требования конечности градиентов плотности тока, контактная поверхность в рабочих торцах токовых электродах выбиралась в форме полусферы.

Путем компьютерного моделирования исследовалось влияние на регистрируемые ЭПП сигналы измеряемого параметра - глубины h трещин различной ориентации, а также влияющего параметра - кривизны поверхности при различных значениях длины £ трещины и толщины Т металла на контролируемом участке. Расчеты проводились для электропотенциального преобразователя ЭПП 2x20, используемого в измерителе глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» и имеющем межэлектродные расстояния Rr= 20 мм и RP= 2 мм. При расчетах вычислялось нормированное вносимое трещиной напряжение U*=U,IU0-\, где U0 - напряжение, измеренное на бездефектном участке, a Ur - на дефектном.

На рис. 4 приведены зависимости U* от глубины h продольных трещин для разных значений диаметра D цилиндрической выпуклой поверхности. Диаграммы на рис. 4-а - 4-е рассчитаны для разных значений длины трещины £= 10 мм, 20 мм и 50 мм.

Рисунок 4 - Зависимости II* от глубины И продольных трещин для разных значений диаметра I) цилиндрической выпуклой поверхности: а-1 = 10 мм, б-£ = 20мм, в - £ = 50 мм

а) б) в)

Рисунок 5 - Влияния кривизны поверхности на результаты измерения глубины /г продольных трещин различной глубины и длины:

я-£ = 10 мм, б- £=20 мм, в- £ = 50 мм

а) б)

Рисунок 6 - Дополнительная относительная погрешность измерения глубины И продольных трещин различной глубины и длины при вариации О: а - £ = 20 мм, 6-1 = 50 мм

Из рис. 4 следует, что при уменьшении диаметра Э выпуклой цилиндрической поверхности величина и* монотонно растет. Следовательно, результаты измерения Ь без коррекции будут завышенными. Наглядно влияние кривизны выпуклой поверхности на величину и* представлено на рис. 5, где показаны зависимости и* в функции кривизны 1/гк поверхности для разных значений глубины. Графики Ь*= и*(1/гк, И) приведены для фиксированных значений длины трещины £=10, 20 и 50 мм. На рис. 6 приведены зависимости относительной погрешности измерения глубины трещин И, вносимой кривизной поверхности. Анализ графиков, приведенных на рис. 4-6 показывает, что влияние кривизны на регистрируемое напряжение и* зависит как от глубины Ь, так и от длины I трещины и может достигать десятков процентов при реалистичных вариантах.

и* А. І 1=50мм

И = 10 мм

= юомм —•—■ • -.—і

-•-0= 2000 мм і ______ ______і________1

I ММ

б)

Рисунок 7 - Зависимости Ч* от толщины Т металла на контролируемом участке: а - для мелкой трещины (Ь=2 мм), б - для глубокой трещины (Ь=10 мм).

Еще один фактор, влияющий на величину и*- толщина Т металла на контролируемом участке. На рис. 7 приведены зависимости и*от Т для различных значений

диаметра контролируемого участка при фиксированных значениях £. Из рис. 7 следует, что функция влияния кривизны поверхности при вариации толщины контролируемого участка изменяется незначительно. Это показывает возможность вычисления функции влияния кривизны поверхности для какой-либо одной толщины, например, для сплошного цилиндра.

Аналогичные расчеты, представленные в виде графиков на рис. 8-11, были выполнены для поперечных трещин типа углового сегмента на выпуклой цилиндрической поверхности. Приведенные на рис. 8 зависимости показывают, что влияние кривизны поверхности начинает проявляться при длине трещин £, превышающих диаметр О цилиндрической поверхности контролируемого участка. На рис. 9 наглядно показано, что степень влияния кривизны поверхности зависит как от длины трещины £, так и от ее глубины Ь, увеличиваясь с их ростом. На рис. 10 приведены зависимости относительной погрешности измерения глубины /г поперечных трещин типа углового сегмента в функции глубины И при различной их длине £.

Как следует из графиков, представленных на рис. 11, функция влияния кривизны для поперечной трещины в виде углового сегмента практически не изменяется при вариации Т, так как соответствующие кривые как на рис. 10-а, так и на рис. 10-6 идентичны друг другу.

а) б) в)

Рисунок 8 - Зависимости II* от глубины Ь поперечных трещин типа углового сегмента для разных значений диаметра Э цилиндрической выпуклой поверхности: а - £ = 10 мм, б -1=20 мм, в -1 = 50 мм

Рисунок 9 - Влияния кривизны поверхности на результаты измерения глубины А поперечных трещин типа углового сегмента различной глубины и длины: а -1= 10 мм, 6-1 = 20 мм, в - £ = 50 мм

а) 6)

Рисунок 10 - Относительная погрешность измерения глубины Л поперечных трещин типа углового сегмента различной глубины и длины: а - I = 20 мм, б - Е = 50 мм

1,5

1 = 50мм

Ь = 2 мм

— Р = 25мм -в-0=50мм -"•-0 = 2000 мм

! I

I !

и* -*~Т= 2.5 м м ~*~Т = 7.0 м и 50мм [1=2 мм м

х

1/Г, М 1

20 40

а) б)

Рисунок 11 — Зависимости и* для поперечных трещин типа углового сегмента при конечной толщине Т металла: а — в функции Т при различных О, б — в функции 1\г при различных Т.

Поперечные трещины типа пропила (рис. 2-6) весьма вероятны при наличии концентратора напряжений на цилиндрической поверхности. Кроме того, подобные искусственные дефекты наиболее просто выполняются электроэрозионным методом.

В поперечных дефектах типа пропила глубина Ь дефекта однозначно связана с его длиной £. При фиксированной глубине И величина £ определяется диаметром О цилиндрической поверхности.

а) б)

Рисунок 12- Зависимости и* для дефектов типа перечного пропила:

а - в функции И при различных Д б - в функции 1 \г при различных к.

В объектах с вогнутой цилиндрической поверхностью, как правило, развиваются продольные трещины. Основной практический интерес представляют объекты этого типа в виде галтельных переходов. Галтель состоит из двух ортогональных плоскостей, сопрягаемых между собой цилиндрической поверхностью. Для создания надежного контакта электродов с поверхностью металла используют специализированный ЭПП (рис. 1-в).

а) б)

Рисунок 13 — Зависимости V* для продольных дефектов в галтельных переходах с радиусом сопряжения г: а - в функции к при различных г дом 1= 100 мм, б - в функции I при различных г для И= 2 мм.

На результаты измерения существенное влияние оказывает величина радиуса г сопряжения галтели. Расчет нормированного напряжения и* вносимого продольной трещиной при различных значениях г проводился на основе расчетной геометрической модели, представленной на рис. 3. На рис. 13 - а приведены зависимости, показывающие, что с увеличением радиуса сопряжение г величина и* монотонно растет. Здесь же показана предельная зависимость и*(И) для плоской поверхности.

и* * г=10 мм

<— г =2 мм

г^"" - г =0,5 мм

г------ 1

Г Глубина грещины Ь = 5 им 1, мм

20 40

и* Г =10 мм

г=2мм

г =0,5 мм

Глубина трещины =10 мм

1., мм

а) б)

Рисунок 14 - Зависимости и* = и*(1) для продольных дефектов в галтельных переходах при различных радиусах сопряжения г: а - для й= 5 мм, б -для И= 10 мм.

На рис. 13-6, рис. 14-а и рис. 14-6 приведены графики, иллюстрирующие влияние длины трещины £ на V* при различных радиусах кривизны поверхности г = 0,5 мм, 2 мм и 10 мм, для фиксированных значений /г = 2 мм, 5 мм и 10 мм.

Третья глава посвящена исследованию выходных сигналов специализированного электропотенциального преобразователя при его взаимодействии с поверхностными трещинами в галтельных переходах.

а) 6)

Рисунок 15 - Размещение электродов и внешний вид специализированного преобразователя ЭПП-(::)- КрхГ<тхА^тр

Применение традиционного ЭПП для измерения глубины трещин на вогнутых поверхностях, в частности, в области галтельных переходов зачастую сложна или вообще невозможна. Сложность связана с необходимостью установки токовых и потенциальных электродов, ориентированных в различных направлениях. Из-за этого происходит "заклинивание" электродов, которые должны быть подпружинены и иметь возможность перемещения для создания соответствующего давления в точке контакта. Кроме того, возможность применения традиционного ЭПП ограничивается значительным расстоянием между токовыми электродами, что необходимо для обеспечения необходимой чувствительности к глубине трещины в верхнем диапазоне ее изменения. Так, например, для измерения глубины трещин в диапазоне до 10 мм расстояние Ят между токовыми электродами должно составлять не менее 20 мм.

В связи с этим были проведены исследования специализированного преобразователя 3nn-(::)-RpxRTxARTP Для измерения глубины трещин в галтельных переходах. Схема установки электродов и внешний вид ЭПП представлены на рис. 15. Здесь электроды ориентированы в одном направлении, а расстояния Rt и Rp между токовыми и потенциальными электродами близки. В общем случае электроды размещаются в вершинах равнобедренной трапеции. Ранее подобная схема размещения электродов для измерений глубины трещин не исследовалась. В связи с этим была поставлена задача получения градуировочных характеристик при различных вариантах размещения электродов.

Исследования проводились методом конечных элементов на основе программного пакета ANS YS. Из конструктивных соображений и на основе предварительно выполненных экспериментов расстояния RT, RP и AR-j-p варьировались в диапазоне от 2 до 8 мм. Результаты расчетов представлены на рис. 16-18. На рис. 16 показаны зависимость (/*от глубины h трещин разной длины t при RT = Rp = ARrp = 4 мм. Из приведенных графиков видно, что с увеличением кривизны поверхности наблюдается уменьшение вносимого трещиной относительного напряжения U*. При переходе от плоской поверхности к галтели с радиусом г,ф= 10 мм U* уменьшается на 20%, а к галтели с г,ф= 20 мм — на 12%. С целью оптимизации расчеты выполнялись для плоской поверхности.

Рис. 16. Зависимость Ц*от глубины трещин разной длины при = Чр = АйтР= 4 мм: а) - г1ср= 10 мм, б) - гкр= 20 мм, в) - плоская поверхность

На рис. 17 показаны зависимости и*от глубины трещин разной длины на плоскости при Лг= 4 мм, АЯТр = 4 мм и вариации /?,>. Видно, что с уменьшением Яр относительная чувствительность к глубине трещин растет. Однако при этом возрастает погрешность, связанная с неточностью установки потенциальных электродов и уменьшается абсолютная чувствительность.

Рис. 17 - Зависимость V*от А трещин разной длины на плоскости при Кт- 4 мм, АЯТр = 4 мм и вариации Яр. а) - Яр=2 мм, б) — Яр=6 мм, в) - Яр=8

Рис. 18 - Зависимость Ц*от глубины трещин разной длины на плоскости при Ят = 4 мм, Лр = 4 мм и вариации АНтр а)- АЯТр=2 мм, б) -АЛгя=6 мм, в^ - Д/?7р=8 мм

На рис. 18 приведены зависимость {/*от глубины трещин разной длины на плоскости при Ят = 4 мм, и вариации ЛЛгд Из них следует, что относительная чувствительность к глубине трещин растет по мере увеличения АЯТР. Однако и здесь рост относительной чувствительности сопровождается уменьшением абсолютной чувствительности к трещинам.

Полученные результаты позволили дать рекомендации по выбору типоразмеров ЭПП в соответствии с диапазоном измерения в зависимости от глубины и длины измеряемых трещин, а также провести интерпретацию результатов измерения с учетом кривизны поверхности в галтели.

В качестве базового был выбран электропотенциальный преобразователь

ЭПП-(::)-4х4х4 с Дт= Ир -АЛтр - 4 мм для измерения трещин глубиной от 1 мм до 8 мм. Для измерения трещин глубиной от 5 мм до 20 мм целесообразно использовать ЭПП-(::)-4х4х8 с Ят = ЙР= 4 мм и АЯТр = 8 мм.

Четвертая глава посвящена практической реализации измерения глубины поверхностных трещин на сложнопрофильных участках.

ив/ип цилиндр

у= 4( 84х! - 81,13 * + 5б,64х3 - 14,76х2 +1,3 ¡1х +1 Кт/О

0,2 0,4 0,6

иа/ип галтель

у=-о. 141 п(х) + 0,9 )3

Мв

а)

б)

Рисунок 19 - Зависимости отношения и„/ип напряжений измеренных при установке ЭПП 2x20 вдоль и поперек оси (а) - выпуклой цилиндрической

поверхности и (б) - галтели, в функции отношения Я т/О Проведенные расчетно-теоретические исследования показали, что для достоверной оценки глубины поверхностных трещин необходимо учитывать кривизну поверхности. Во многих случаях прямое измерение радиуса г кривизны поверхности затруднительно, например, для поверхностей, не образующих замкнутой цилиндрической поверхности.

Таким образом, одна из основных сложностей коррекции измеренной глубины И поверхностной трещины с учетом влияния г, состоит в определении величины г. С этой целью был разработан способ (заявка № 2013111993 от 19.03.2013 г. на выдачу патента), позволяющий получить требуемую оценку влияния кривизны поверхности без дополнительных измерительных средств с помощью самого электропотенциального преобразователя. Суть разработанного способа состоит в измерении отношения напряжений и., при размещении электродов по линии, проходящей вдоль оси цилиндрической поверхности, и и„, при размещении электродов по линии, проходящей поперек оси цилиндрической поверхности. Отношение и„/ип определяется кривизной поверхности на соответствующем участке и одновременно определяет степень ее влияния на величину регистрируемого ЭПП напряжения.

На рис. 19 приведены зависимости отношения и./ип напряжений измеренных при установке ЭПП 2x20 вдоль и поперек оси выпуклой (а) и вогнутой (б) цилиндрических поверхности. Для наглядности графики даны в функции отношения Ят/О, где О - диаметр поверхности контролируемого участка. Из приведенных графиков видно, что для выпуклых поверхностей отношение и,/и„>1, а влияние кривизны начинает проявляться, начиная с Кт/П > 0,4, после чего начинает быстро увеличиваться и имеет предельное значение Ив/ип ~ 4 при ЯтЛ) =1. Для галтели

15

ив/ип<1, а зависимость и,/и„ от Ят/Т) имеет логарифмический характер и изменяется от 1 при Ят/Б =0 (плоскость) до предельного значения и,/ип = 0,64 при Ят/Л —к» (прямой угол). Аналогичные зависимости были рассчитаны для ЭПП-(::)-4х4х4

Для экспериментальной оценки достоверности результатов расчетов, а также для проверки измерителя глубины трещин были разработаны контрольные образцы типа ОК-Ц-КП-ЬхОхЬ, выполненные в виде цилиндров длиной Ь диаметра Б с кольцевой искусственной несплошностью глубиной Ь. Искусственная несплошность выполнялась в виде кольцевой проточки шириной порядка 1 мм на заданную глубину с последующим уменьшением ширины до величины нескольких микрометров путем механического воздействия, создаваемого вдоль оси цилиндрического образца.

Разработанные контрольные образцы существенно технологичнее известных образцов с несплошностями, выполняемыми фрезерованием или электроэрозионным методом. Однако для возможности их использования необходимо установить соответствие между кольцевыми трещинами и трещинами конечной длины. Для этой цели были выполнены расчеты, результаты которых представлены на рис. 20.

и* , 0=5)1« Ь-10мк 5мм Г у] \1

ыы

1

а) б) в)

Рисунок 20 - Зависимости Ц* от длины I поперечных трещин при различных значениях Ь для цилиндров разного диаметра О: а - 25 мм, б - 50 мм, в — 100 мм.

Здесь точки, соответствующие кольцевым трещинам условно показаны при значении 1=60 мм, так как значения и* при I > 50 мм изменяются весьма незначительно. Приведенные зависимости показывают, что создаваемая кольцевой трещиной величина ик* существенно отличается от и*, создаваемого трещинами конечной длины, при И > 5 мм и Э<50 мм. При выполнении условия 100 мм различие между и* полученными при Ь < 10 мм для любых значений Э, вплоть до плоской поверхности, практически совпадают. Для Ь<5 мм аналогичное условие выполняется при Э<50 мм, а для И < 2 мм - при Э = 25 мм.

Для реализации измерений глубины продольных и поперечных трещин на цилиндрических поверхностях использовался электропотенциальный измеритель глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98», позволяющий передавать измеренные им напряжения в ПК для их последующей обработки. Разработанный алгоритм измерения глубины трещин, для варианта трещин, ориентированных вдоль оси, представлен на рис. 21. При измерении глубины трещин, ориентированных поперек оси принимается £/о= и„. Процесс интерпретации предусматривает итерационное уточнение величины И. На практике достаточно 2-3 цикла.

Рисунок 21 -Алгоритм измерения глубины поверхностной трещины на цилиндрической поверхности.

Достоверность результатов измерений оценивалась с помощью контрольных образцов типа ОК-Ц-КП-ЬхОхЬ. В таблице 1 приведены результаты, полученные на образцах малого диаметра ОК-Ц-КП-50х25><3, ОК-Ц-КП-50х25х4, ОК-Ц-КП-50*25х5, где влияние кривизны проявляется наиболее сильно.

Таблица 1. Результаты измерений глубины трещин с коррекцией и без нее.

Фактическая глубина трещины, мм 3,0 4,0 5,0

Измерение глубины без коррекции, мм 3,87 5,63 7,44

Измерение глубины с коррекцией, мм 3,21 4,28 5,43

Из таблицы видно, что погрешность измерения, связанную с влиянием кривизны, за счет коррекции удалось существенно уменьшить. Общая погрешность измерения после коррекции не превышает 10% от измеряемой величины, что практически соответствует погрешности измерения электропотенциальным методом на плоской поверхности.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнено компьютерное моделирование электрического взаимодействия элек-

тропотенциалыюго преобразователя с поверхностными трещинами на типичных криволинейных участках;

2. Разработан способ оперативного измерения кривизны поверхности, основанный на определении отношения сигналов, полученных при различной ориентации электропотенциального преобразователя;

3. На основе компьютерного моделирования получены выходные характеристики классического и специализированных электропотенциальных преобразователей при измерениях глубины трещин различной ориентации и формы на характерных сложнопрофильных участках;

4. Выбрана конструкция и определены рациональные параметры специализированных электропотенциальных преобразователей ЭПП-(::)-4х4><4 и ЭПП-(::)-4х4х8 для измерения на вогнутых и выпуклых цилиндрических поверхностях с высокой кривизной глубины трещин в диапазоне до 5 мм и 20 мм, соответственно.

5. Проведена оценка дополнительной погрешности, связанной с кривизной контролируемого участка. Показано, что она монотонно увеличивается с ростом кривизны поверхности, глубины и длины трещины. В предельных реалистичных случаях дополнительная относительная погрешность составляет до 50%.

6. Разработаны технологичные контрольные образцы с искусственными кольцевыми трещинами для экспериментальных исследований и проверки погрешности измерений глубины трещин на цилиндрических поверхностях.

7. На основе комплекса, состоящего из измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» и ПК, разработан и реализован алгоритм измерения глубины поверхностных трещин с учетом кривизны поверхности на сложнопрофильных участках, позволяющий практически исключить влияние кривизны поверхности.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

Публикации в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук:

1. Шкатов П.Н., Елисов A.A. Измерение глубины трещин на цилиндрических поверхностях и в области гантельных переходов электропотенциальным методом// Приборы—№4,—2013 .-С. 12-15.

2. Елисов A.A. Измерение глубины поверхностных трещин в галтельных переходах металлоизделий электропотенциальным методом // Научно-технический вестник Поволжья №2.- 2013,- С. 111-114.

Публикации в других научных журналах и изданиях

3. Шкатов П.Н., Елисов A.A. Измерение глубины поверхностных трещин электропотенциальным методом на цилиндрических поверхностях// Научные труды 2-ой Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении».-М.: 2012.-С. 512-516.

4. Елисов A.A. Исследование влияния кривизны поверхности на результаты измерения глубины поверхностной трещины электропотенциальным методом//Труды XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации».—Алушта—2012 г.— С.153-154

5. Шкатов П.Н., Елисов А .А., Черненко П.И. Развитие электропотенциального метода дефектометрии // Сборник трудов XV Межд. конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики»: труды - М.: МГУПИ,- 2012, С. 44-51.

6. Шкатов П.Н., Елисов А.А. Исследование влияния кривизны поверхности при измерении глубины поверхностных трещин электропотенциальным мето-дом//Вестник МГУПИ.-2013- № 44 - С. 66-71.

7. Елисов АА. Измерение глубины трещин в области галтельных переходов специализированным электропотенциальным преобразователем // Сборник трудов научно-практической конференции «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук».- Серия: «Приборостроение, мехатроника и робототехнические науки».- Москва,- 2013.- С. 24-30.

Подписано в печать 10.10.2013 Объем 1,0 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 299 Отпечатано в ООО «Литера-Принт» 111024, г.Москва, Энтузиастов ш, д.11А, корп.1 (495) 761-51-80 www.litera-print.ru