автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Диагностический комплекс для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний

005019536

На правах рукописи

КАЗАКОВ РУВШАН БИЛЯЛОВИЧ

ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР 2012

Казань-2012

005019536

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения»

Научный руководитель: Ваньков Юрий Витальевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения»

Официальные оппоненты: Ив шин Игорь Владимирович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий»

Мисевич Павел Валерьевич

доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО ((Нижегородский государственный

технический университет им. Р.Е. Алексеева»,

профессор кафедры «Вычислительные системы и

технологии»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ», г. Казань

Защита состоится 18 мая 2012 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, тел./факс 8(843)5194255.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета, с авторефератом — на сайтах http://vak.ed.gov.ru и http://www.kgeu.ru

Автореферат разослан « /-7^» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.ф.-м.н. ¡ЙЙ^У Калимушшн Рустем Ирекович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Известно, что около 10% национального продукта любой страны теряется из-за низкого качества материалов и изделий.

Столь большое число бракованных деталей объясняется не только сложными условиями и сверхнормативными сроками эксплуатации, но и недостаточной эффективностью современных систем неразрушающего контроля. Поэтому проблема разработки новых методов и приборов неразрушающего контроля весьма актуальна и имеет важное хозяйственное значение.

Существуют различные методы неразрушающего контроля (НК): магнитные, капиллярные, вихретоковые, акустические, радиационные, оптические. Каждый из них имеет свою характерную для данного метода область применения. Возможность их использования зависит от ряда требований, таких как обеспечение свободного доступа к контролируемому месту изделия, подготовка поверхности контроля и т.д. Известно, что акустический метод свободных колебаний позволяет оперативно, с наименьшими затратами ресурсов, принимать решения о техническом состоянии контролируемого изделия. Проведенный обзор публикаций показал, что актуальными являются вопросы контроля заготовок лопаток газотурбинных установок (ГТУ), осей железнодорожных вагонов, штанг насосных установок нефтяных скважин, поршней двигателей внутреннего сгорания, прутков и т.д. В диссертационной работе решается задача развития метода свободных колебаний применительно к контролю цилиндрических изделий по параметрам колебаний на основе численных и экспериментальных исследований.

Объектом исследования являются колебания цилиндрических изделий.

Предметом исследования являются дефекты (типа «трещина») в цилиндрических изделиях, возникающие на разных стадиях производства и эксплуатации.

Цель исследования - разработка автоматизированного диагностического комплекса и методики контроля цилиндрических изделий по параметрам собственных колебаний на основе конечноэлементного моделирования и статистических критериев сравнения.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи.

Общей задачей является теоретическое обоснование, разработка и создание оригинального диагностического комплекса для контроля технического состояния цилиндрических изделий по параметрам собственных колебаний на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Для этого необходимо решить следующие частные задачи:

1. Провести теоретические исследования влияния дефектов на частоты собственных колебаний стержней и установить связь между наличием дефекта в стержне и изменением его частотных характеристик.

2. Определить информативные критерии, позволяющие обнаруживать дефекты в стержне по анализу спектра частот собственных колебаний.

3. Разработать компьютерную программу анализа экспериментальных данных для обнаружения дефектов в стержне по параметрам собственных колебаний, позволяющую проводить контроль изделий в автоматическом режиме.

4. Разработать экспериментальные установки и провести исследования параметров собственных колебаний цилиндрических изделий в лабораторных и промышленных условиях.

5. Разработать методику и устройство для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний.

Методы исследования. При выполнении исследований применялись методы механики деформируемого твердого тела, конечно-элементного моделирования, заложенных в работах Ю.В.Ланге, Б.А.Глаговского, И.Б.Московенко, А.В.Кочергина, Е.В.Белова, И.В.Ившина, А.Е.Кондратьева, П.В. Мисевича; при построении математических моделей использовались методы, развитые в работах А.И.Голованова, Д.В.Бережнова; при анализе экспериментальных данных применялись статистические методы, развитые в работах ЮЛ.Тюрина, А.А.Макарова.

Научная новизна:

1. Проведены численные расчеты частот собственных колебаний стержней с дефектом типа «трещина» и без дефекта. Определено влияние дефектов на изменение частот колебаний стержней при разных размерах и положениях дефектов.

2. Впервые определены статистические и информативные критерии, позволяющие обнаруживать наличие дефекта, его размер и положение в цилиндрическом изделии по анализу частот собственных колебаний.

3. Разработаны экспериментальные установки и получены новые экспериментальные данные по обнаружению дефектов в цилиндрических изделиях.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований создан диагностический комплекс, позволяющий проводить контроль технического состояния цилиндрических изделий.

Практическая значимость:

1. Определены закономерности изменения частот собственных колебаний цилиндрических изделий в зависимости от наличия, положения, размера и ориентации дефекта

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований создан автоматизированный диагностический комплекс для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований влияния дефектов на частоты собственных колебаний цилиндрических изделий, зависимость изменений частот колебаний от наличия дефектов.

2. Информативные критерии для обнаружения дефектов по анализу частот собственных колебаний цилиндрических изделий.

3. Алгоритм обнаружения дефектов в цилиндрических изделиях по частотам их собственных колебаний, позволяющий проводить контроль в автоматическом режиме.

4. Разработанные установки и результаты экспериментальных исследований параметров собственных колебаний цилиндрических изделий.

5. Методика и диагностический комплекс для контроля технического состояния и обнаружения дефектов типа «трещина» в цилиндрических изделиях методом свободных колебаний.

Достоверность результатов. Достоверность теоретических результатов и выводов диссертации обеспечены применением общепринятых методов для расчетов параметров колебаний конструкций. Теоретические результаты согласуются с соответствующими экспериментальными данными. Достоверность новых экспериментальных данных, полученных при исследовании дефектных и бездефектных изделий, обеспечивается применением аттестованных измерительных средств и апробированных экспериментальных методик, анализом погрешности и воспроизводимостью результатов измерений.

Апробация работы. Основные положения работы, научные и практические результаты докладывались, обсуждались и были одобрены на внутривузовских, региональных, всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, в том числе: «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники» (г. Жуковский, ЦАГИ, 2000 г.), «Прогнозирование надежности и долговечности конструкций» (С.-Петербург, СПГТУ, 2001 г, 2003 г.), VII, IX, XI международных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, и экономики» (Москва - Сочи, 2004, 2006, 2009 г), Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях, «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВВКУ, 19962000, 2003, 2007, 2011 гг.), научно-технических советах Горьковской железной дороги, филиале ОАО «Российские железные дороги», семинарах Физического факультета КГУ, на конференциях и семинарах КВАКУ, КГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, 7 материалов трудов конференций.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритма анализа сигналов, в создании программного обеспечения для анализа данных, разработке и изготовлении измерительного комплекса, проводил все измерения, первичную и статистическую обработку, и анализ экспериментальных данных.

Реализация работы. Разработанный комплекс и методики контроля внедрены на «Горьковской железной дороге», филиале ОАО «Российские железные дороги» при контроле осей железнодорожных вагонов, Казанском моторостроительном производственном объединении, при контроле заготовок лопаток газотурбинных двигателей. Имеются акты о внедрении.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 160 с. основного текста и 20 с. приложений, 98 рисунков и 21 таблицу. Библиографический список включает 132 наименования.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость работы, дана ее краткая характеристика и сформулированы полученные результаты.

В первой главе приведён обзор существующих методов обнаружения дефектов, приведена классификация акустических методов контроля. Рассмотрены низкочастотные акустические методы, к которым относятся велосиметрический, импедансный, резонансный, метод свободных колебаний. Сделан вывод, что наиболее эффективные современные средства диагностики, как стационарные, так и переносные, строятся на базе компьютерной техники и технологии. Именно эти средства позволяют использовать все возможности таких методов получения информации, как спектральный анализ и статистическое распознавание состояний.

Анализ уровня развития и применения низкочастотных акустических методов контроля позволил определить цель и задачи исследований.

Во второй главе излагается метод конечных элементов в приложении к исследованию частот собственных колебаний стержней при наличии в них дефектов различных размеров и местоположения.

Задача свободных колебаний предусматривает гармонический закон изменения перемещений во времени в виде

М=е'°"Ы- (1)

Система уравнений, описывающих свободные колебания, имеет вид

+ (2)

Подставляя (I) в (2) и сокращая общий множитель, получим систему линейных алгебраических уравнений

С математической точки зрения уравнение (3) является обобщенной задачей на собственные значения, решение которой сводится к поиску спектра собственных значений А,=со;2 и соответствующих им собственных векторов {#,}. С точки зрения механики собственные значения ^ есть квадраты частот свободных колебаний ш„ а собственные векторы {д;} характеризуют формы этих колебаний.

Основой математической модели исследования колебаний цилиндрических изделий являются вариационные уравнения движения трехмерного континуума, полученные из принципа виртуальных перемещений и принципа Даламбера. Расчеты проводились при помощи оригинального программного обеспечения, созданного в Казанском (Приволжском) федеральном университете под руководством проф. А.И.Голованова.

Исследовались цилиндрические стержни и оси железнодорожных вагонов, установленные на специальные опоры. Задача состояла в определении сдвига частот при наличии трещин в изделии в поперечном направлении. Дефекты имитировались как разрезы различной формы со свободными краями, плоскости которых совпадают с плоскостями конечных элементов.

На рис. 1, 2 приведены примеры смоделированных дефектов стержней, на рис. 3 - одна из форм колебаний оси колесной пары грузового вагона, на рис. 4 - смоделированная трещина шейки оси.

30 , дефект

Рис. 1. Стержень с одним дефектом , дефект , 30

Рис.2 Стержепь с двумя дефектами

Рис. 4. Модель трещины в шейке оси колесной пары железнодорожного грузового вагона

В результате проведения численного анализа определено влияние различного рода дефектов на частоты и формы колебаний:

1) размер дефекта влияет на величину сдвига частоты относительно "бездефектного изделия";

2) сдвигаются больше те частоты, "пучность" колебаний которых лежит в области дефекта.

По результатам численного моделирования сделаны следующие выводы: при расположении дефекта типа «трещина» на расстоянии: 1/2 £ от торца смещаются частоты, соответствующие формам колебаний 1, 3, 5, 7, 9 и т.д.; 1/4 £ от торца смещаются частоты, соответствующие формам 2, 6, 10, 14 и т.д.; 1/8 £ от торца смещаются частоты, соответствующие формам 4, 12, 20 и т. д. Данная закономерность описывается формулой: 1(1)=п\2+(М)п; где I - номер формы с изменённой частотой; п=2, 4, 6 ... - характеризует положение трещины (в долях длины стержня),} - порядковый номер формы колебаний. Увеличение глубины трещины приводит к большему смещению Л=/,'го" данных частот относительно частот бездефектного изделия.

Наличие второго дефекта приводит к смещению частот колебаний, соответствующих его размеру и положению. Влияние каждого дефекта на итоговый спектр колебаний контролируемого изделия определяется согласно принципу суперпозиции. Полученные результаты сведены в таблицы.

Для эффективного определения наличия дефектов в изделии по параметрам собственных колебаний целесообразно возбуждать в нем одновременно максимальное количество частот и анализировать все составляющие спектра.

Третья глава посвящена выбору и описанию диагностических признаков наличия дефектов в изделиях, моделированию результатов расчетов, разработке решающего правила сортировки изделий по классам «годен-брак» (рис. 5). Решение о состоянии изделия принимается в результате сравнения амплитудных спектров с эталонным по ряду критериев. Формирование спектров проводится алгоритмом быстрого преобразования Фурье.

Статистический критерий

ТГ

□

.П..

П

^Доверительный интервал эталона

Класс бездефектных объектов

Класс дефектных объектов

Объекты контроля

~ Бездефектные объекты — Дефектные объекты

Рис.5. Процедура разделения объектов по классам

Формирование эталонного спектра — это процесс почастотного перехода от совокупности амплитуд исходных спектров на данной частоте (аи а2, аз, ..., ат) к единственному (эталонному) значению а5. Предполагается, что эталон будет содержать только общие, характерные для всей совокупности спектров, данные, и не должен содержать какие-либо (случайные) особенности

отдельного спектра. При формировании эталона используется метод робастного взвешивания с использованием биквадратной весовой функции Тьюки.

Сравнение анализируемых спектров с эталоном сводится к регистрации отличий этих спектров от эталонного по группе критериев (статистике амплитуд А, выборочному коэффициенту корреляции г, непараметрической ранговой оценке корреляции Спирмена статистике знаков Фишера /•", ранговой сумме Вилкоксона Щ.

При анализе учитываются частоты локальных максимумов амплитуды (для этого амплитуда на хотя бы двух соседних «слева» и «справа» частотах должна быть меньше амплитуды на данной частоте).

Для классификации объектов «годный» или «дефектный» по всем выбранным параметрам строятся доверительные интервалы, формирование которых объединяет подход, характерный для процедур отбраковки аномалий; программа анализа интерпретирует совокупность вычисленных значений некоторой статистики (/>,, р2, .... Рт) как множество измеренных значений некоторого параметра и применяет к этой совокупности значений следующую процедуру: вычисляется оценка положения р по процедуре робастного взвешивания, вычисляется оценка разброса 5 как медиана МАБ относительно оценки положения, для заданного уровня значимости а строится доверительный интервал

где /(а, т) — а-квантиль распределения Стьюдента с т степенями свободы.

В целях проверки разработанной методики обнаружения дефектов и работоспособности выбранных критериев сравнения спектров были программно сгенерированы амплитудно-временные сигналы по математическим моделям, полученным в главе 2.

На рис. 6, 7 приведены спектры бездефектного и дефектного стержней, результаты сравнения спектров бездефектного и дефектных стержней.

По результатам исследований разработан диагностический комплекс, проведена оценка повторяемости результатов экспериментов, определена ошибка результатов измерений параметров колебаний, проверено соответствие результатов математического моделирования и данных экспериментов.

Блок-схема комплекса, предназначенного для контроля технического состояния изделий путем регистрации, обработки и анализа амплитудно-частотных характеристик, приведена на рис. 8.

В комплекс входят: ПЭВМ, оснащенная аналого-цифровым преобразователем, акустический датчик, устройство возбуждения колебаний, блок управления, усилитель.

Оценка погрешности измерительной системы проводилась вероятностно-статистическим методом, определенным ГОСТ 8.207-76 и предусматривающим определение погрешности по характеристикам законов распределения погрешностей средств измерений, входящих в состав системы.

2500, Дел. АЦП 1500 1000' 500

2500 Дел. АЩ1 1500 1000 500

АЛ_

II

и

6 8 ТО 12 14 16 18 £ кГц 22

Этйлой

б)

а а чг' и

Разностный спектр

16 18 .Г, кГц 22

■г-М

__

0 2 4 6

10 12 и 16 18 ЕкГц 25

Рис.6. а) спектр стержня с дефектом глубиной 3,7 мм; б) спектр бездефектного стержня; в) разностный спектр (бездефектный - дефектный).

1 2 3 №,юд б 1 2 3 №,изд 5 1 2 3 №. год 5

Рис. 7. Результаты обработки смоделированных сигналов (1-3 - сигналы бездефектных стержней, 4 - трещина в стержне глубиной 3,7 мм, 5 - трещина в стержне глубиной 4,5 мм.)

Система регистрации

Усилитель

Устройство возбуждения колебаний (- Блок управлении

Ж

Датчик

Система обработки

АЦП

~*-

ПЭВМ

выход

Рис. 8. Блок-схема измерительного комплекса

Оценка результатов измерений проводилась путем получения среднеарифметического результата наблюдений амплитуды колебаний специально изготовленного цилиндрического стержня на основной форме колебаний (760 Гц):

п

п

Доверительные границы (без учета знака) случайной погрешности результата измерения находили по формуле:

где I - коэффициент Стьюдента, составляющий 2,086 для Р = 0,95. Соответственно е м = 0,01943 и ед - 0,01013.

Доверительные границы неисключенной систематической погрешности результата измерений рассчитывали по формуле:

где к = 1,1 при Р =0,95, ©, - граница /-той не исключенной систематической

погрешности (без учета знака).

С учетом полученных значений для установки по измерению параметров свободных колебаний Дмик 0,0271 и А д„ =0,0234 при доверительной

вероятности в обоих случаях Р = 0,95 при результатах измерений Аы = 0,9286 и Ая = 0,96335 соответственно.

Подводя итог проведенным в этой главе исследованиям, можно сделать вывод, что выбранные критерии сравнения спектров могут быть использованы для обнаружения дефектов в конструкциях по параметрам их собственных колебаний.

В четвертой главе разработана методика контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний.

Для достоверности проведения экспериментальных измерений необходима однообразная укладка исследуемого изделия на измерительный стенд, неизменными должны быть точка приложения возбуждающей силы и сама возбуждающая сила.

Соблюдение этих требований реализовано в конструктивных особенностях экспериментальных установок и применении специальных приспособлений контроля над проведением экспериментов. В состав экспериментальной установки входит устройство укладки и подачи исследуемой заготовки и механический ударник. Возбуждение колебаний осуществляется механическим ударником маятникового типа. Сила удара регулируется высотой подъема бойка перед ударом. Конструкция ударника обеспечивает его пространственное перемещение в трех измерениях. Для приема акустического сигнала в системе применяется микрофон. Крепление микрофона обеспечивает прием акустических волн с учетом характеристик направленности микрофона. Микрофон располагается перпендикулярно поверхности объекта измерения.

С целью определения соответствия результатов математического моделирования и экспериментальных данных были проведены эксперименты по определению частот собственных колебаний дефектных и бездефектных стержней. Результаты сравнения приведены в табл. 1. Проведенный анализ показывает хорошее соответствие данных эксперимента и математического моделирования.

Таблица 1

МКЭ расчет (Гц) Эксперимент (Гц)

Бездеф. Деф. 3.7 мм Бездеф. Деф. 3.7 мм

757,6 743,9 798 780

2464 2431 2399 2341

3507 3507 3456 3465

6496 6489 6774 6756

8256 8245 8247 8240

9637,9 9545 9859 9708

Для определения изменения частотных характеристик поведения целевых функций сравнения при увеличении дефекта в изделии проводились исследования 20 стержней диаметром 16 мм и длиной 300 мм с дефектами в виде пропила. Дефекты варьировались по глубине залегания от 1мм до 6 мм, по расположению от торца 30 мм со смещением к центру до 120 мм с шагом 30 мм; по количеству с введением 2-го дефекта на расстоянии 120 мм от торца со смешением в сторону 1-го дефекта с шагом 30 мм и по ориентации дефекта относительно опоры с поворотом вокруг оси на 90, 180 и 270 градусов. С каждым вариантом проводилось по десять измерений.

Обработка спектров проводилась следующим образом.

1. Формировался эталонный спектр по десяти спектрам, полученным в первой позиции.

2. По результатам сравнения параметров эталонного спектра и текущих спектров определялись доверительные интервалы с уровнем значимости

Р = 0,99.

3. С полученным эталоном сравнивались усредненные спектры сигналов, записанных в других позициях.

V-¿ф^^—=3

4- 53

1Гб} , ' * 1 *

Д.фшЧт,

. , т.....Г-'--- - * ,

1 ■

- Л « 5 т%Ш4,И«» «"___

^ТТГПТТПГЙ«!?

I

—П.

ИИ»ШШШ ЗВШшмВшщ

23 Л 5 « 7 »"> 10 И12И)«»»1Т

■

Рис.9. Изменение информативных критериев зависимости от размера дефекта

Позиция №1

О

Позиция №2

О

Позиция №3

О

Позиция № 4

О

Рис. 10 Значения коэффициента корреляции спектров колебаний стержня с трещиной 1 мм при разной ориентации трещины относительно оноры.

Графики, полученные в результате обработки экспериментов с увеличением глубины трещины, приведены на рис. 9 (по оси абсцисс отмечены номера экспериментов: 1-10 - для бездефектного стержня, 11-17 по 10 значений стержней с дефектами, по оси ординат - численные значения критериев

сравнения спектров). На рис. 10 представлены значения коэффициента корреляции спектров колебаний стержня, имеющего трещину глубиной 1 мм, при разной ориентации дефекта относительно опоры.

Анализ проведенных экспериментов показал, что уверенно выявляются дефекты площадью 1,5—2,0% от поперечного сечения изделия.

В результате проведенных работ создан стенд и методика для контроля осей на ВКМ ВЧД-3 Горьковской железной дороги, в технологическом цикле изготовления колесных пар, по технологии «новые колеса - старые оси». В состав оборудования стенда входят:

1) система подачи осей; 2) система возбуждения колебаний маятникового типа; 3) микрофон; 4) 16-разрядный АЦП; 5) ПЭВМ с пакетом прикладных программ.

Заводские испытания разработанной методики контроля технического состояния осей показали, что выявляются дефекты типа трещина размером 1,5 % от площади поперечного сечения оси.

Анализ результатов исследований, составивших результаты четвертой главы, приводит к следующим выводам:

- примененные методы моделирования дефектов могут быть использованы для расчета изменения частотных характеристик исследуемых объектов;

- выбранные целевые функции сравнения спектров позволяют обнаруживать дефекты в изделиях типа «трещина»;

- разработанный диагностический комплекс и система измерений могут быть использованы для контроля технического состояния цилиндрических изделий по параметрам их колебаний.

Заключение

1. Основным научным результатом является применение к неразрушающему контролю стержней современных достижений в области механики деформируемого твердого тела, помехоустойчивых методов анализа экспериментальных данных, критериев параметрической и непараметрической статистики.

Для определения частотного спектра колебаний изделий с дефектами, в отличие от известных аналитических методов, использован метод конечных элементов. Использование метода конечных элементов позволяет моделировать в изделиях дефекты произвольных размеров и местоположения. Такое моделирование ускоряет разработку методов обнаружения дефектов изделий по параметрам собственных колебаний и исключает необходимость изготовления большого количества дорогостоящих эталонных образцов для отработки методики контроля конкретных изделий.

2. Установлено, что для объективной оценки наличия дефекта в изделии могут служить следующие параметрические и непараметрические критерии сравнения спектров: статистика амплитуд, коэффициент корреляции, корреляция Спирмена, статистика знаков Фишера, статистика знаковых рангов Вилкоксона, ранговая сумма Вилкоксона.

3. Предложен и научно обоснован алгоритм разбраковки изделий по параметрам собственных колебаний с использованием выбранных статистических критериев.

4. Основным практическим результатом является разработка диагностического комплекса для контроля технического состояния стержней. Разработан и изготовлен стенд для контроля технического состояния осей по параметрам собственных колебаний.

5. Работоспособность алгоритма разбраковки изделий программного обеспечения и достоверность получаемых при их использовании результатов проверена в лабораторных и цеховых условиях.

Таким образом, все задачи, поставленные в диссертационной работе, решены. Цель диссертации достигнута.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК:

1.Казаков Р.Б. Численный анализ взаимодействия оснастки дефектоскопа с контролируемой конструкцией / Ваньков Ю.В, Казаков Р.Б. // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2003. № 5-6. С. 108-114.

2. Казаков P.E. Применение метода собственных частот к контролю протяженных тонкостенных изделий./ Ваньков Ю.В, Казаков Р.Б. // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2003. №9-10. С. 97-107.

3. Казаков Р.Б. Диагностический комплекс для обнаружения дефектов осей железнодорожных вагонов по параметрам колебаний / Ваньков Ю.В., Казаков Р.Б., Первухин Д.Н. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2004. Т. 70. № 3. С. 33-37.

Прочие публикации:

4. Казаков Р.Б. Собственные частоты изделия как информативный признак наличия дефектов / Ваньков Ю.В., Казаков Р.Б., Яковлева Э.Р. // Электронный журнал "Техническая акустика", http://ejta.org, 2003, 5.

5. Казаков Р.Б. Дефектоскоп для обнаружения дефектов в изделиях по параметрам собственных колебаний / Казаков Р.Б., Ваньков Ю.В. // Труды VII международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, и экономики». Сочи, 1-5 октября 2004 г. Москва: Издательство МГАПИ, 2004. - С. 20-25.

6. Казаков Р.Б. Применение метода свободных колебаний для контроля больших партий стальных прутковых заготовок / Александрович Ю.П., Казаков Р.Б., Пичугин А.Н. // Сборник материалов докладов XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань: КВВКУ, 2004. С. 175-177.

7. Казаков Р.Б. Dr.Sonic: свид. о гос. per. прогр. для ЭВМ 2005610566 Рос. Федерация / Казаков Р.Б., Ваньков Ю.В., Первухин Д.Н., Яковлева Э.Р.; заявл. 06.12.2004., опубл.02.03.2005.

8. Казаков Р.Б. Диагностика заготовок лопаток турбины методом свободных колебаний / Казаков Р.Б., Ваньков Ю.В., Ведьгаева И.А. // Труды IX

/Ау

Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики». Сочи, 2-5 октября 2006 г. Москва: Издательство МГУПИ, 2006. - С. 72-75.

9. Казаков Р.Б. Получение экспериментальных данных на автоматизированном диагностическом комплексе./ Бусаров A.B., Ваньков Ю.В., Казаков Р.Б., Тырыщкин В.Н. // Труды XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики». Сочи, 1-4 октября 2008 г. Москва: Издательство МГУПИ, 2008. - С. 59-63.

10. Казаков Р.Б. Inspector: свид. о roc. per. прогр. для ЭВМ 2009612056 Рос. Федерация / Казаков Р.Б., Зиганшин Ш.Г., Ваньков Ю.В., Акутин М.В., Тырышкин В.Н.; заявл. 18.01.2009., опубл. 22.04.2009.

11. Казаков Р.Б. Расчет частот собственных колебаний дефектов трубопроводов / Ваньков Ю.В., Зиганшин Ш.Г., Казаков Р.Б. // Сборник научных трудов XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики». М.: МГУПИ, 2009. С. 67-71.

12. Казаков Р.Б. Разработка и создание диагностического комплекса для контроля технического состояния цилиндрических заготовок на основе метода свободных колебаний / Казаков Р.Б. // Сборник материалов докладов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань: КВВКУ, 2011. С.

325-326.

Подписано к печати Гарнитура «Times» Физ. печ. л. 1.0 Тираж 100 экз.

Вид печати РОМ Усл. печ. л. 0,94 Заказ

28.03.2012 г.

Формат 60x84/16 Бумага офсетная Уч.-изд. л. 1.0

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

61 12-5/2788

ФГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

КАЗАКОВ РУВШАН БИЛЯЛОВИЧ

ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Ваньков Юрий Витальевич

Казань-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1 Состояние вопроса исследований 11

1.1. Методы неразрушающего контроля 16

1.1.1. Применение капиллярных методов контроля 17

1.1.2. Радиационный метод контроля 19

1.1.3. Применение средств оптико-визуального контроля 21

1.1.4. Особенности контроля изделий ультразвуковым методом 22

1.2. Низкочастотные методы контроля 23

1.2.1. Резонансные методы контроля 27

1.2.2. Велосиметрический метод контроля 30

1.2.3. Импедансный метод контроля 31

1.3. Виды колебаний, используемых при проведении контроля 32

1.4. Приборы, реализующие метод свободных колебаний 35

1.5. Выводы по главе 1 41

Глава 2 Определение информативных критериев наличия 43 дефектов методом конечных элементов

2.1. Методы расчета частот колебаний изделий 43

2.2. Принцип виртуальных перемещений 45

2.3. Решение алгебраической задачи 47

2.4. Расчет дефектных и бездефектных стержней 50

2.5. Расчет осей железнодорожных вагонов 55

2.6. Расчет частот с различной ориентацией дефекта 57 относительно опоры

2.7. Выводы по главе 2 60

Глава 3 Экспериментальный комплекс для контроля 64 цилиндрических изделий методом свободных колебаний

3.1. Экспериментальный комплекс 64

3.1.1. Экспериментальная установка для исследования стержней 67

3.1.2. Экспериментальная установка для автоматического 69 контроля осей железнодорожных вагонов

3.2. Оценка погрешности результатов измерений 70 3.2.1. Оценка повторяемости результатов измерений 72

3.3. Алгоритмы и программы обработки экспериментальных 72 данных

3.3.1. Численные методы и статистические критерии, 72 используемые в программе анализа спектров

3.3.2. Описание программного обеспечения контроля 75 цилиндрических изделий МСК

3.3.2.1. Описание программы DrSonic 75

3.3.2.2. Описание программы Synthesis - программы 84 моделирования свободных колебаний

3.4. Классификация контролируемых изделий 87

3.5. Проверка работоспособности критериев сравнения 88 спектров

3.6. Выводы по главе 3 91

Глава 4 Экспериментальные исследования 94

4.1. Оценка повторяемости результатов измерений 94

4.2. Исследование влияния дефектов на изменение параметров 95 сравнения спектров

4.2.1. Поперечный дефект в центре стержня 95

4.2.2. Исследование влияния ориентации дефекта на изменение 99 параметров сравнения спектров

4.3. Обнаружение дефектов в заготовках лопаток компрессора 101 газотурбинных двигателей

4.4. Исследование осей колесных пар железнодорожных 108 вагонов

4.5. Определение оптимальной точки нанесения удара 109

4.6. Изменение спектров одной оси при разных граничных 111 условиях опирания

4.7. Определение изменения спектров при увеличении силы 113 удара

4.8. Определение требований к точности позиционирования оси 114 на измерительной позиции

4.9. Исследование оси с увеличением дефекта 116

4.10. Заводской измерительный стенд 121

4.11. Результаты заводских испытаний работы стенда 123

4.12. Методика оценки качества принимаемых сигналов 124

4.13. Формирование начального амплитудного спектра с учетом 127 параметров затухания

4.13.1 Различия «обычных» и начальных амплитудных спектров 129 при формировании эталонов

4.13.2 Различия «обычных» и начальных амплитудных спектров 136 при контроле изделий

4.13.3 Анализ чувствительности к дефектам «обычных» и 139 начальных амплитудных спектров

4.13.4 Контроль заготовок длиной 119 мм 141 4.14 Выводы по главе 4 146 Заключение 147 Литература 149 Приложения 161

ВВЕДЕНИЕ

Высокая надежность оборудования и длительный срок его службы достигаются путём применения различных методов неразрушающего контроля (НК) на всех этапах жизненного цикла - при производстве, эксплуатации и ремонте - всех составляющих этого оборудования. Поэтому являются актуальными научные исследования, направленные на совершенствование различных методов НК и расширение области их применения.

Среди современных методов НК веществ, материалов и изделий, нашедших широкое применение в разных технических приложениях, достойное место занимают акустические методы, включая низкочастотные их разновидности. Одним из низкочастотных акустических методов НК является метод свободных колебаний (МСК). Информативным параметром МСК является изменение параметров свободных колебаний (СК) проверяемого изделия при наличии в нём дефекта. В современных реализациях МСК наибольшую информацию удаётся извлечь при измерении различий спектров проверяемого и эталонного изделий. Перечень диагностических признаков, дающих численную меру названных различий, достаточно широк. В основном они тем или иным способом определяют изменение спектра колебаний.

Возрастающие требования к надежности определения дефектов, большое разнообразие изделий сложной формы предполагают совершенствование методов обработки сигналов, использование таких перспективных методов получения диагностической информации, как спектральный анализ и статистическое распознавание состояний с применением новых компьютерных технологий.

Обзор публикаций показал, что актуальны вопросы контроля заготовок лопаток ГТУ, осей железнодорожных вагонов, штанг насосных установок нефтяных скважин, поршней двигателей внутреннего сгорания, прутков и т.д. В диссертационной работе решается задача развития метода свободных

колебаний применительно к контролю цилиндрических изделий по параметрам колебаний, на основе численных и экспериментальных исследований.

Объектом исследования являются колебания цилиндрических изделий.

Предметом исследования являются дефекты (типа «трещина») в цилиндрических изделиях, возникающие на разных стадиях производства и эксплуатации.

Цель исследования - разработка автоматизированного диагностического комплекса и методики контроля цилиндрических изделий по параметрам колебаний на основе конечноэлементного моделирования и статистических критериев сравнения.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

Общей задачей является теоретическое обоснование, разработка и создание оригинального диагностического комплекса для контроля технического состояния цилиндрических изделий по параметрам колебаний на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Для этого необходимо решить следующие частные задачи:

1.Провести теоретические исследования влияния дефектов на частоты колебаний стержней и установить связь между наличием дефекта в стержне и изменением его частотных характеристик.

2.Определить информативные критерии, позволяющие обнаруживать дефекты в стержне по анализу спектра частот собственных колебаний.

3.Разработать компьютерную программу анализа экспериментальных данных для обнаружения дефектов в стержне по параметрам собственных колебаний, позволяющую проводить контроль изделий в автоматическом режиме.

4.Разработать экспериментальные установки и провести исследования параметров собственных колебаний цилиндрических изделий в лабораторных и промышленных условиях.

5.Разработать методику и устройство для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 180 е., из них 20 страниц приложений. В диссертации 98 рисунков и 21 таблиц. Библиографический список включает 132 наименования.

Во введении рассмотрена актуальность работы и дана краткая её характеристика.

В первой главе проводится анализ существующих методов обнаружения дефектов, приведена классификация акустических методов контроля. Рассмотрены низкочастотные акустические методы, к которым относятся: велосиметрический, импедансный, резонансный, метод свободных колебаний. Сделан вывод, что наиболее эффективные современные средства диагностики, как стационарные, так и переносные, строятся на базе компьютерной техники и технологии. Именно эти средства позволяют использовать все возможности таких методов получения информации как спектральный анализ и статистическое распознавание состояний.

Анализ уровня развития и применения низкочастотных акустических методов контроля позволил определить цель и задачи исследования.

Во второй главе излагается метод конечных элементов в приложении к исследованию частот колебаний стержней при наличии в них дефектов различных размеров и местоположения.

Основой математической модели исследования колебаний цилиндрических изделий являются вариационные уравнения движения трехмерного континуума, полученные из принципа виртуальных перемещений и принципа Даламбера. Расчеты проводились при помощи оригинального программного обеспечения, созданного в Приволжском (Казанском) федеральном университете под руководством проф. А.И.Голованова. Исследовались цилиндрические стержни и оси железнодорожных вагонов, установленные на специальные опоры. Задача

состояла в определении сдвига частот при наличии трещин в изделии в поперечном направлении. Дефекты имитировались как разрезы различной формы со свободными краями, плоскости которых совпадают с плоскостями конечных элементов.

В результате проведения численного анализа определено влияние различного рода дефектов на частоты и формы колебаний:

Полученные результаты сведены в таблицы.

Третья глава посвящена выбору и описанию диагностических признаков наличия дефектов в изделиях, моделированию результатов расчетов, разработке решающего правила сортировки изделий по классам «годен-брак». Решение о состоянии изделия принимается в результате сравнения амплитудных спектров с эталонным по ряду критериев. Формирование спектров проводится алгоритмом быстрого преобразования Фурье.

При анализе учитываются частоты локальных максимумов амплитуды (для этого амплитуда на хотя бы двух соседних — слева и справа — частотах должна быть меньше амплитуды на данной частоте).

Для классификации объектов «годный» или «дефектный» по всем выбранным параметрам строятся доверительные интервалы.

По результатам исследований разработан диагностический комплекс, проведена оценка повторяемости результатов экспериментов, определена ошибка результатов измерений параметров колебаний, проверено соответствие результатов математического моделирования и данных экспериментов.

Подводя итог проведенным в этой главе исследованиям, можно сделать вывод, что выбранные критерии сравнения спектров могут быть использованы для обнаружения дефектов в конструкциях по параметрам их колебаний.

В четвертой главе разработана методика контроля методом свободных колебаний цилиндрических изделий.

Для достоверности проведения экспериментальных измерений необходима однообразная укладка исследуемого изделия на измерительный стенд, неизменны точка приложения возбуждающей силы и сама возбуждающая сила. Соблюдение этих требований реализовано в конструктивных особенностях экспериментальных установок и применении специальных приспособлений для контроля проведения экспериментов.

С целью определения соответствия результатов математического моделирования и экспериментальных данных, были проведены эксперименты по определению собственных частот колебаний дефектных и бездефектных стержней.

В результате проведенных работ, создан стенд и методика для контроля осей на Горьковской железной дороге в технологическом цикле изготовления колесных пар по технологии «новые колеса-старые оси».

Научная новизна:

1. Проведены численные расчеты частот собственных колебаний стержней с дефектом типа трещина и без дефекта. Определено влияние дефектов на изменение частот колебаний стержней при разных размерах и положениях дефектов.

2. Впервые определены статистические и информативные критерии, позволяющие обнаруживать наличие дефекта, его размер и положение в цилиндрическом изделии по анализу частот собственных колебаний.

3. Разработаны экспериментальные установки и получены новые экспериментальные данные по обнаружению дефектов в цилиндрических изделиях.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований создан диагностический комплекс, позволяющий проводить контроль технического состояния цилиндрических изделий.

Практическая значимость

1,Опеределены закономерности изменения частот колебаний цилиндрических изделий в зависимости от наличия, положения, размера и ориентации дефекта.

2.На основе теоретических и экспериментальных исследований создан автоматизированный диагностический комплекс для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований влияния дефектов на частоты колебаний цилиндрических изделий, зависимость изменений частот колебаний от наличия дефектов.

2. Информативные критерии для обнаружения дефектов по анализу частот собственных колебаний цилиндрических изделий.

3.Алгоритм обнаружения дефектов в цилиндрических изделиях по частотам их собственных колебаний, позволяющий проводить контроль в автоматическом режиме.

4. Разработанные установки и результаты экспериментальных исследований параметров колебаний цилиндрических изделий.

5. Методика и диагностический комплекс для контроля технического состояния и обнаружения дефектов типа «трещина» в цилиндрических изделиях методом свободных колебаний.

Достоверность теоретических результатов и выводов диссертации обеспечены применением общепринятых методов для расчетов параметров колебаний конструкций. Теоретические результаты согласуются с соответствующими экспериментальными данными. Достоверность новых экспериментальных данных, полученных при исследовании дефектных и бездефектных изделий, обеспечивается применением аттестованных измерительных средств и апробированных экспериментальных методик, анализом погрешности и воспроизводимостью результатов измерений.

Апробация работы. Основные положения работы, научные и практические результаты докладывались, обсуждались и были одобрены на вузовских,

региональных, всесоюзных, всероссийских и международных конференциях в том числе: «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники» (г. Жуковский, ЦАГИ, 2000 г.), «Прогнозирование надежности и долговечности конструкций» (СЛетербург, СПГТУ, 2001 г, 2003 г.), УП, IX, XI международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, и экономики» (Москва-Сочи, 2004, 2006, 2009 гг.), Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях, «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВВКУ, 19962000, 2003, 2007, 2011 гг.), научно-технических советах Горьковской железной дороги, филиале ОАО «Российские железные дороги», семинарах физического факультета КГУ, неоднократно на конференциях и семинарах КВАКУ, КГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, 7 материалов трудов конференций.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритма анализа сигналов, в создании программного обеспечения для анализа данных, разработке и изготовлении измерительного комплекса, проводил все измерения, первичную и статистическую обработку, и анализ экспериментальных данных.

Реализация работы. Разработанный комплекс и методики контроля внедрены на «Горьковской железной дороге», филиале ОАО «Российские железные дороги» при контроле осей железнодорожных вагонов, Казанском моторостроительном производственном объединении, при контроле заготовок лопаток газотурбинных двигателей.

и

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ

Контроль технического состояния материалов, машин и оборудования является естественным путем повышения качества продукции и снижения эксплуатационных расходов.

За рубежом при создании нового ответственного оборудования многие производители уже на протяжении ряда лет комплектуют его системами мониторинга и диагностики: достаточно часто объединяя их функционально с системами автоматического управления. Это позволило одной из ведущих фирм в производстве средств коммуникаций «Motorolla» «внедрить стратегию шести сигм: не более 4 браков на 1 млн. изделий ». Одно только количество участников в американском о�