автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Электромагнитные преобразователи для устройств контроля состояния стальных канатов

ииз164744

На правах рукописи

Пузин Владимир Сергеевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ

Специальность 05 09 01 «Электромеханика и электрические аппараты»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2008

003164744

Работа выполнена на кафедре «Электрические и электронные аппараты» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Павленко А.В

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лачин В.И.

кандидат технических наук, профессор Юндин МА.

Ведущее предприятие

ГОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «14» марта 2.008 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212 304 08 в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу 346400, г Новочеркасск, Ростовской обл., ул Просвещения, 132

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу- 346428, Ростовская область, г Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, Ученый совет ЮРГТУ (НПИ), ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), а с авторефератом - на сайте http //www nvi-tu ru

Автореферат разослан февраля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212 304 08, кандидат

технических наук, доцент

Скубиенко С В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Наиболее эффективными методами контроля состояния стальных канатов являются электромагнитные методы наразрушающе-го контроля Существующие устройства контроля определяют лишь часть повреждений, нарушающих нормальное функционирование стальных канатов. К их недостаткам можно отнести невысокую точность, существенное энергопотребление, низкие массогабаритные показатели Устройства контроля, созданные на основе электромагнитных методов, имеют в своем составе электромагнитный преобразователь (ЭМП), представляющий собой совокупность намагничивающего устройства на базе элекгромагнитов или постоянных магнитов, магниточувствительных элементов и первичных измерительных преобразователей и обеспечивающий перераспределение и регистрацию потоков энергии магнитного поля при взаимодействии с контролируемым объектом - стальным канатом

Проектирование электромагнитных преобразователей с использованием методов, традиционных для электромагнитных устройств, затрудняется сложной конструкцией стальных канатов, их пространственной и магнитной неоднородностью, разным характером дефектов. В связи с этим возникает необходимость разработки математических моделей и методик проектирования, позволяющих создать новые конструкции электромагнитных преобразователей для повышения эффективности функционирования устройств контроля состояния стальных канатов

Работа соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) на 2006 -2010 гг. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», утвержденному решением ученого совета от 1.03.06г.

Целью диссертационной работы является создание электромагнитных преобразователей для повышения эффективности устройств дефектоскопического контроля стальных канатов на основе использования методов математического моделирования.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи.

1 Выполнить анализ разных типов дефектов и существующих устройств контроля, позволяющий сформулировать требования к ЭМП

2 Разработать новые конструкции ЭМП, произвести выбор типа и конфигурации намагничивающего устройства ЭМП по результатам математического моделирования магнитных полей рассеяния дефектов, определить оптимальный магнитный режим работы ЭМП, сформулировать требования к первичным измерительным преобразователям, устройству регистрации и идентификации дефектов, предложить варианты их реализации

3 Выполнить практическую реализацию устройств для магнитной дефектоскопии на базе предложенных конструкций ЭМП

4 На основе математического моделирования разработать конструкцию ЭМП для устройств контроля геометрических параметров стальных канатов

5 Практически реализовать устройство контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретокового ЭМП

6 Провести экспериментальные исследования ЭМП для устройств контроля стальных канатов с помощью созданного автоматизированного стенда

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы теории электрических и магнитных цепей, методы теории поля, численные и аналитические методы решения систем алгебраических уравнений. Экспериментальное исследование опытных образцов проводилось с использованием программно-аппаратного комплекса на базе ПЭВМ.

Научная новизна.

1. Предложены новые способы и разработаны ЭМП для устройств контроля стальных канатов, отличающиеся от существующих высокими метрологическими, массогабаритными показателями и низким энергопотреблением

2. На основе математического моделирования впервые получены картины магнитных полей дефектов, позволяющие осуществить выбор датчиков для их регистрации, установить оптимальную конфигурацию и основные геометрические параметры ЭМП, обеспечивающие наибольшую чувствительность к дефектам

3. Впервые создана методика проектного расчета ЭМП для устройств магнитной дефектоскопии круглых стальных канатов, обеспечивающая высокие метрологические, массогабаритные показатели и сниженное энергопотребление ЭМП

4. Созданы новые математические модели, методика проектирования и соответствующее программное обеспечение, позволяющие проектировать вих-ретоковые ЭМП с высокой чувствительностью и линейностью

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1 Разработаны методики, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для анализа электромагнитных процессов, протекающих в ЭМП для устройств контроля стальных канатов.

2 На основании результатов исследований спроектированы и практически реализованы опытные образцы устройств для контроля стальных канатов, в НИИ ЭМ ЮРГТУ (НПИ) осуществляется выпуск опытной партии приборов

3 На предложенные способы и разработанные устройства получено 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезные модели РФ и 1 свидетельство о регистрации программы.

4 Разработав и изготовлен автоматизированный стенд дня экспериментальных исследований ЭМП для дефектоскопии стальных канатов

Внедрение работы. Теоретические и практические результаты работы использовались при разработке новых устройств для контроля состояния стальных

канатов для ряда предприятий ЮФО (ИКЦ «Мысль», г Новочеркасск, КПК «Ав-токрансервис», г Ставрополь) НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) осуществляет мелкосерийное производство опытной партии устройств контроля состояния стальных канатов для предприятий и организаций, занимающихся обслуживанием подъемно-транспортных сооружений Устройства прошли испытания с целью утверждения типа средства измерения в Госреестре средств измерений РФ, получен сертификат соответствия БШ Е27 062 А № 29554 от 20 11 07г

Основные положения, выносимые иа защиту.

1 Результаты математического моделирования магнитных полей дефектов стальных канатов в магнитной системе ЭМП - стальной канат

2. Электромагнитные преобразователи и соответствующие способы контроля состочния стальных канатов.

3 Методика проектного расчета ЭМП для устройств контроля потери металлического сечения и локальных дефектов стальных канатов

4 Математические модели, методика проектирования и комплекс программ для проектирования вихретоковых ЭМП для контроля геометрических параметров стальных канатов

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межкафедральных научно-технических конференциях кафедр «Электрические и электронные аппараты», «Информационно-измерительная техника», «Автоматика и телемеханика» и «Подьемно-транспортные машины» ЮРГТУ (НПИ) (г Новочеркасск, 2002 г, 2003 г ), ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2002-2006 гг и п г), международных научно-практических коллоквиумах «Проблемы мехатроники» (г Новочеркасск, 2003 - 2005 г.), международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г Новочеркасск, 2003 г )

Работа была отмечена грантом НИР конкурса 2004 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных общеобразовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию (грант № А04-3 14-72)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе: 6 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 7 тезисов докладов на различных научных конференциях, получены 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 89 наименования и приложений Общий объем работы 205 страниц, включая 54 страниц приложений и 93 иллюстраций

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность, представлена общая характеристика работы

В первой главе произведен обзор типов дефектов и выполнено исследование их влияния на напряженно-деформированное состояние стальных канатов Рассмотрены различные методы неразрушающего контроля и конструкции ЭМП для устройств контроля состояния стальных канатов, представленные в работах зарубежных и отечественных ученых, которые внесли большой вклад в развитие неразрушающего контроля

Установлено, что большинство дефектов стальных канатов слабо поддаются визуальному контролю, поэтому для их обнаружения необходим инструментальный контроль В результате исследований проведена классификация повреждений стальных канатов по изменению потери металлического сечения и геометрических параметров, при этом определено, что прочность стальных канатов зависит от повреждений как первой, так и второй группы Анализ показывает, что из-за конструктивных и технологических особенностей стальных канатов наиболее эффективными являются электромагнитные методы неразрушающего контроля, а наиболее ответственным узлом устройств, построенных на их основе, является электромагнитный преобразователь Показано, что в настоящее время не существует технических средств для автоматизированного контроля геометрических параметров стальных канатов.

Полученные выводы свидетельствую г о необходимости разработки новых конструкций электромагнитных преобразователей для устройств контроля состояния стальных канатов и создания методик их проектирования, обеспечивающих высокие функциональные показатели. Создание новых эффективных конструкций ЭМП возможно на основе методов математического моделирования, использования современных конструкционных и магнитных материалов, новых магниточувствительных элементов.

Вторая глава посвящена созданию электромагнитных преобразователей для устройств контроля обрывов и износа проволок стальных канатов

В этом случае ЭМП представляет собой совокупность намагничивающего устройства, магниточувствительных элементов, регистрирующих изменение магнитного поля на дефектном участке каната, и модуля первичных измерительных преобразователей, представляющих собой электронные схемы обработки и нормирования сигналов магниточувствительных элементов. ЭМП должен обеспечивать достаточное намагничивание контролируемого стального каната, для уверенного обнаружения дефектов, при этом его массогабаригные цо-казатели должны быть минимальными. В связи с этим при разработке конструкций ЭМП для устройств дефектоскопического контроля стальных канатов решаются следующие задачи 1) определение конфигурации и рациональных геометрических размеров намагничивающих устройств ЭМП, 2) выбор магнитных режимов работы ЭМП, обеспечивающих максимальное изменение картины магнитного поля в зоне дефекта, 3) определение мест расположения и выбор типов магниточувствительных элементов для регистрации дефектов.

На основании анализа конструкций ЭМП известных устройств и исходя из соображений технологичности изготовления была предложена конструкция магнитной системы (МС) ЭМП, эскиз которой приведен на рисунке 1, где узел ЛД - узел регистрации локальных дефектов, модуль ПМС - модуль измерения потери металлического сечения каната; ПМ — постоянные магниты; Ф0 - поток намагничивания.

Представленная конструкция МС ЭМП должна обеспечивать возможность определения повреждений стальных канатов первой группы, т. е. дефектов типа «Потеря металлического сечения», вызванных износом или коррозией материала, и дефектов типа «Локальный дефект», обусловленных обрывами проволок стального каната

Определение ПМС производится путем регистрации основного магнитного потока намагничивания или межполюсных потоков рассеяния Можно записать

ф=№ж). О)

где Ф - основной поток намагничивания стального каната или межполюсные потоки рассеяния; & - суммарное металлическое сечение всех проволок каната Из (1) видно, что измеряя магнитный поток в канате Ф, при известных постоянных намагничивающей системы и каната, можно определить На практике постоянные каната неизвестны, поэтому для сравнения может быть взят эталонный (заведомо не изношенный) образец каната из той же серии, площадь сечения которого задана Тогда магнитный поток в эталоне определяется выражением

Ф,=/(5Э) (2)

На основании соотношений (1) и (2) можно записать

Ф

Из формулы (3) следует, что для определения сечения изношенного каната достаточно знать сечение эталонного образца и измерить магнитные потоки в нем и изношенном канате Абсолютную и относительную потерю сечения каната можно определить из выражений

AS = S3—SK =

АФ „ AS AФ

—S,,—= — Фэ Фэ

(4)

Для браковки каната необходимо определить абсолютную величину потери его металлического сечения, выраженую в процентном отношении.

Для регистрации дефектов типа ЛД традиционно применяется продольное намагничивание участка стального каната, что приводит к увеличению интенсивности потоков рассеяния в области дефекта вследствие перераспределения намагничивающего потока Применение продольного намагничивания связано с тем, что магнитные потоки, используемые для определения ПМС, слабо зависят от наличия дефектов типа обрывов проволоки' наличие 1-2 дефектов снижает основной поток в системе менее, чем на 1 %

Для формулирования требований, предъявляемых к ЭМП устройств, были разработаны трехмерные математические модели участков каната, позволяющие определить картины магнитных полей рассеяния для дефектов различных типов, установить необходимые магнитные режимы намагничивающих устройств, обеспечивающих максимальную неоднородность поля в зоне дефекта

Математическая модель реализуется методом конечных элементов (МКЭ) с помощью программного пакета Maxwell SV v 10 Программный комплекс включает трехмерный триангулятор расчетной области, встроенный пре- и постпроцессор и специализированный модуль для выполнения расчетов

Полученные результаты численного исследования распределения магнитного поля в зоне повреждения позволяют сделать следующие выводы 1) определение повреждений типа ЛД можно осуществлять регистрацией как нормальной, так и продольной составляющих вектора магнтной индукции в зоне расположения дефекта, сигналы дефектов имеют характерную форму, что может быгь использовано при обработке результатов методами цифровой фильтрации, 2) для уверенного обнаружения дефектов необходимо повысить степень намагниченности контролируемого объекта (обеспечить магнитное насыщение материала), что приводит к увеличению неоднородности магнитного поля в зоне повреждения, относительное изменение нормальной составляющей индукции магнитного поля к дефектам имеет более высокое значение, чем изменение продольной составляющей, 3) определение повреждений стальных канатов путем регистрации величин составляющих вектора магнитной индукции должно производиться на расстоянии не более 3 4 мм от поверхности контролируемого каната, 4) для качественного определения сигнала ЛД дискретность регистрации данных должна составлять не более 1 мм, измерение нормальной составляющей сигнала обеспечивает более высокую разрешающую способность при наличии нескольких дефектов Из полученных выводов следует, что регистрация нормальной составляющей индукции магнитного поля является наиболее предпочтительной

Для выбора месторасположения датчиков потери металлического сечения расчетным путем определялись традиционные метрологические показатели г, у, С, представленные в таблице 1, для разных позиций измерений магнитного

потока Здесь г =,

1 "

-УУФ,({1)- Ф (И)) - величина среднеквадратичного

отклонения линеаризующей прямой функции преобразования (проходная характеристика) Фкоэффициенты которой определялись с помощью

метода наименьших квадратов, у-

Ф

максимальная относительная

ср

погрешность из ряда, рассчитанного при различных диаметрах с1 контролируемого объекта (основным фактором, вносящим ошибку, считается изменение показаний магниточувствительных элементов при наличии

ду АФ (5)

вибрации, что учитывается изменением зазора 5), С =-=--—- -

АХ Д</

величина чувстлитепыюсти способа измерения потери металлического сечения,

■ Фср ) -среднеквадратичное отклонение величины магнитного

потока, протекающего через магниточувствительные элементы, Фср = —¿Ф, -

математическое ожидание рассчитаного потока через магниточувствительные датчики, Ф, - величина магнитного потока, протекающего через магниточувствительные элементы при 8, зазоре, п — число расчетных точек, на которые разбивается возможное перемещение контролируемого объекта в рабочей зоне, ô - зазор в рабочей области, между поверхностью каната и одним из полюсов электромагнитного пребразователя, ДФср =Фср1-Фср2 - разность

математических ожиданий магнитных потоков через магниточувствительные датчики, при величине диаметров контролируемого каната di и Л, Sd ~ d{- d2 - разность величин диаметров контролируемого каната

Диапазон измерений для исследуемых способов регистрации потери металлического сечения принимался одинаковым ¿=10, 14, 18 мм Исследование было выполнено путем проведения серии численных экспериментов (при использовании программного комплекса Maxwell SV)

Таблица 1 - Сводная таблица для оценки эффективности способа определения ПМС (месторасположение магниточувствительных элементов в соотвествии с

№ позиции измерения магнитного потока г У С, Вб/м

1 0 0001 0 0067 0 001'5

2 0 0036 0 2275 0 0076

3 0 0041 0 0022 0 0056

Анализ полученных данных позволил установить, что функциональные характеристики кангша ПМС определяются также геометрическими параметра-

ми измерительного модуля величина зазора между симметричными половинами магнитопровода и высота магнитопровода.

В результате исследований установлено, что. с уменьшением величины основного воздушного зазора к происходит увеличение абсолютного значения основного намагничивающего потока, однако чувствительность ЭМП к изменению диаметра объекта (1 при этом снижается; увеличение параметра 1г до определенной величины приводит к резкому возрастанию чувствительности вследствие перераспределения магнитных потоков, существует значение высоты магнитопровода, превышение которой приводит к существенному росту габаритов ЭМП, но не изменяет погрешность измерения

Канал идентификации повреждений типа «локальные дефекты» ЭМП предназначен для регистрации нормальной составляющей напряженности или индукции магнитного поля рассеяния дефекта. Для определения повреждений типа «локальные дефекты» применяются первичные преобразователи на основе индуктивных катушек и элементов Холла.

Для построения алгоритма проектного расчета используется модель МС ЭМП, основанная на цепной схеме замещения. При ее построении были приняты следующие допущения, не учитывается движение каната, сложная конструкция стального каната заменяется одним цилиндром с эквивалентной кривой намагничивания канатной стали, не учитываются гистерезис в стали и потоки рассеяния; повреждение типа «Потеря металлического сечения» моделируется равномерным уменьшением внешнего диаметра объекта контроля Сравнительный анализ созданных МС показывает, что разработанный алгоритм обеспечивает проектирование ЭМП с высокими метрологическими, габаритными и энергетическими показателями.

При эксплуатации опытной партии приборов для магнитной дефектоскопии установлена необходимость снижения уровня помех измерительных каналов Для повышения достоверности регистрации локальных дефектов предложено применение частотных фильтров (например, для отстройки помех, вызванных вибрацией, возникающей в процессе контроля) С целью снижения влияния вибрации на процесс регистрации повреждений было выполнено исследование механических процессов, возникающих при перемещении ЭМП, в составе устройства для дефектоскопического контроля, по канату. В результате исследования получены данные, позволившие определить параметры собственных механических частот конструкции ЭМП и программно реализовать цифровые фильтры для устранения сигналов шумов.

В третьей главе рассматриваются вопросы проектирования ЭМП для устройств контроля геометрических параметров стальных канатов, представляющих собой совокупность катушки индуктивности, включенной в резонансный контур, и электронных схем (вихретоковый ЭМП).

Предлагаемый способ контроля геометрических параметров стальных канатов, таких как диаметр и волнистость, заключается в следующем

При известной величине базы квадрата Ь (рисунок 2, где П - электромагнитные преобразователи перемещения; ОК - объект контроля, Д - изменение зазора, вызванное изменением диаметра ОК; <5 - зазор между преобразователем

и ОК), образованного из плоских катушек вихретокового ЭМП, диаметр

контролируемого объекта будет определяется по форму-

п

ле Ок=2Ь - <5,, где и - число /=1

ЭМП При перемещении устройства по длине контролируемого каната определяется его профиль на контролируемом участке, рассчитывается

параметр волнистости Д„ =—и ее шаг Яв Структура вихретокового ЭМП

«к

представлена в виде последовательной цепи и состоит из генератора высокой частоты ГВЧ, который питает измерительный контур КИ, включающий разделительный фильтр и резонансный контур Сигнал с выхода резонансного контура поступает в детектор Д и фильтр низкой частоты ФС, предназначенный для сглаживания и подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала, после чего поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП и далее в систему управления СУ. Высокая линейность проходной характеристики ив1Я=/(д) и малая погрешность измерений при выбранной конструкции измерительной катушки обеспечиваются путем настройки измерительного контура в резонанс

Для анализа процесса взаимодействия между преобразователем и контролируемым объектом использовались обобщенные критерии (3 = Л а цА и Х = г/Я, представленные в работах Герасимова В Г. Параметр р учитывает электрофизические свойства контролируемого объекта, определяет «краевой эффект» и зависит от соотношения между радиусами кривизны катушки Л и изделия г, а - частота питающего напряжения, о и цА - электропроводность и абсолютная магнитная проницаемость материала контролируемого объекта

Для определения влияния конструктивных параметров измерительной катушки на чувствительность вихретокового ЭМП и определения их оптимальных значений была разработана математическая модель, основанная на следующих допущениях 1) в качестве объекта контроля используется проводящее полупространство, 2) не учитывается реальная форма катушки индуктивности, 3) при частоте питающего напряжения, лежащего в диапазоне 1 ..10 МГц, активная составляющая полного сопротивления катушки не учитывается, 4) цА -абсолютная магнитная проницаемость считалась постоянной

В модели по аналогии с методикой, предложенной Буняевым В А и Иван-цовым ВА для датчика воздушного зазора, используется плоская катушка, представленная системой концентрических витков, располагающихся над проводящим полупространством. Вычисляется величина внесенного сопротивле-

Рисунок 2 - Структура устройства для контроля геометрии стальных канатов

ния полупространством с использованием векторного потенциала А, который определяется как

А™ =0 5 ц0 Rn In \ha-Rm) R„) e'2hx ^dk о K Q

Здесь /-ток в витке, ,/, -функция Бесселя первого порядка,

q - -Jx2 + j со о [iA , X - параметр интегрирования, со = 2 к /, /-частота тока в витке, о - электропроводность объекта, цА-абсолютная магнитная проницаемость объекта, R - радиус витка

Проведя преобразования, получим

AZ=Z7 2 я " Rm ¿0 5 Но Rn '« Rm) ла Rn)

m=1 r n=l о K 1

С помощью созданного пакета программ был выполнен анализ влияния конструктивных параметров катушки на проходную характеристику AZ =/(5) ЭМП, включающего в себя чувствительный элемент в виде плоской многовитковой катушки Здесь AZ - величина добавочного сопротивления измерительного преобразователя при присутствии объекта контроля, 5 - зазор между проводящей поверхностью и чувствительным элементом В результате численного моделирования установлено, что рост площади S цилиндрической катушки диаметром D приводит к увеличению чувствительности ЭМП, расширению диапазона измеряемого зазора и увеличению протяженности линейного участка проходной характеристики, уменьшение числа витков W катушки индуктивности приводит к аналогичному результату, однако на чувствительность преобразователя —— влияние этих параметров оказывается различным, наиболее сущест-ûfô

венно влияет изменение площади катушки S, затем число витков W ив меньшей степени изменение частоты напряжения /(в диапазоне 1 -ЮМгц), питающего преобразователь

В реальном устройстве контроля геометрических параметров чувствительный элемент ЭМП должен взаимодействовать не с плоской проводящей поверхностью, а с канатом, имеющим сложную поверхность В связи с этим было проведено исследование влияния параметров катушки и частоты питающего напряжения на ее внесенное сопротивление

Задача решалась методом математического моделирования с помощью программного комплекса Maxwell SV По результатам исследования можно сделать следующие выводы 1) с увеличением частоты питания катушки растет крутизна проходной характеристики Z=f(Ъ), 2) влияние коэффициента заполнения обмоточного окна на зависимость Z-f(b) незначительно, 3) при ширине катушки в два и более раз меньше диаметра объекта контроля его влияние на кривую Z-f(Ъ) несущественно, 4) увеличение числа витков катушки приводит к смещению характеристики Z=f(b) в область малых величин полного сопротив-

ления Z.

При проведении исследований макета устройства было обнаружено, что при одновременном питании всех вихретоковых датчиков появляется негативный побочный эффект в виде биений в выходных сигналах преобразователей. Было проведено численное моделирование совместной работы преобразователей при возбуждении их от одного задающего генератора.

Для отстройки от эффекта биения в схему устройства был введен аналоговый коммутатор АК (см. рисунок 2). Результаты экспериментов показали, что введение коммутатора усложняет устройство, но обеспечивает стабильность работы и снижает его энергопотребление.

На основании результатов исследований была разработана методика проектирования вихретокового ЭМП и создан макет устройства для контроля геометрических параметров стальных канатов, испытания которого в настоящее время продолжаются.

Четвертая глава посвящена практической реализации ЭМП, экспериментальной проверке полученных ранее теоретических результатов и исследованию созданных на основе ЭМП устройств контроля состояния стальных канатов.

При разработке устройств контроля на основании ранее проведенных исследований сформулированы требования и предложены схемотехнические варианты реализации измерительных каналов магниточувствительных элементов ЭМП.

Для управления ЭМП устройств контроля разработано микропроцессорное устройство, обеспечивающее сбор и обработку данных, выполняющее функции самоконтроля, настройки, приема, хранения, цифровой обработки, анализа и визуализации результатов.

Согласно нормативной документации Госгортехнадзора России, информация, полученная при дефектоскопическом контроле каната, может быть обработана при помощи ПЭВМ. Для решения этой задачи разработано специализированное программное обеспечение, предназначенное для работы на персональных компьютерах под управлением операционных систем «.Windows» (рисунок 3).

опыт-

Рисунок 3 - Отображение повреждений типа ЛД на дефектограмме Для осуществления экспериментальных исследований созданных

ных и макетных образцов ЭМП был разработан автоматизированный экспериментальный стенд на базе персональной ЭВМ с соответствующим аппаратным дополнением, включающий кординатно-позиционирующее устройство, микроконтроллер и совокупность датчиков. В качестве координатно-позиционирующего устройства используется плоттер Roland DXY 880Л, который перемещает датчик, расположенный на указателе плоттера, по заданным пользователем параметрам движения - траектории и шагу перемещения.

Датчик выбирается в зависимости от типа проводимых исследования, например, для изучения характера распределения магнитного поля применялись преобразователи Холла и т п Микроконтроллер используется для обеспечения дискретности квантования измерений на уровне шага дискретизации АЦП

Координирует работу системы персональный компьютер, осуществляющий также обработку и визуализацию опытных данных Для управления программно-аппаратным комплексом разработана программа в среде программирования Delphi, алгоритм которой обеспечивает управление процессом испытаний в интерактивном режиме, производит запись результатов в память ПЭВМ и воспроизведение их на экране монитора

В результате проведения экспериментальных исследований устройств определения обрывов и износа проволок было получено подтверждение эффективности выбранного месторасположения магниточувствительных датчиков и установлена топография магнитного поля в межполюсной зоне ЭМП в области расположения локального дефекта (рисунок 4). Отличие расчетных и экспериментальных характеристик не превышает 15-18%, что объясняется большим разбросом характеристик намагничивания канатной стали и принятыми допущениями.

bY,mT bx тТ

а) б)

Рисунок 4 - Распределение магнитного поля в области расположения локального дефекта а) нормальная составляющая индукции Ъ г, б) продольная составляющая индукцию Ъх При экспериментальном исследовании вихретоковых ЭМП решена задача оценки достоверности используемой математической модели измерительного преобразователя (катушка индуктивности) путем сравнения проходных харак-

теристик U=f(b), получаемых расчетным и экспериментальным путем Полученные данные соответствуют результатам математического моделирования Отличие расчетных и экспериментальных характеристик не превышает 15 %

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Показана эффективность электромагнитных методов контроля стальных канатов, реализуемых на основе использования электромагнитных преобразователей, яв тяющихся основными элементами устройств контроля, определены конфигурации магнитных систем ЭМП для разных типов канатов и подъемно-транспортных механизмов.

2 На основе математического моделирования получены картины магнитных полей рассеяния локальных дефектов Определены основные геометрические соотношения и режимы намагничивания для магнитной системы ЭМП, обеспечивающие наибольшее искажение силовых линий магнитного поля в зоне дефекта Установлено, что при регистрации локальных дефектов (обрывов и коррозии проволок) целесообразно использовать нормальную составляющую вектора индукции магнитного поля При этом регистрирующий модуль ЭМП имеет высокую (более чем в 1000 раз по сравнению с регистрацией касательной составляющей) чувствительность и разрешающую способность

3 На основании исследований предложен метод определения потери металлического сечения, основанный на регистрации части намагничивающего потока в измерительном модуле, расположенном в основании магнитопровода магнитной системы ЭМП Разработана математическая модель, с помощью которой определены геометрия и размеры регистрирующего модуля, обеспечивающие высокую чувствительность и погрешность измерений не более 1%.

4. Создана методика проектного расчета ЭМП для устройств контроля круглых стальных канатов, позволяющая проектировать ЭМП для канатов заданного диаметра различных конструкций, учитывающая специфику его работы и обеспечивающая высокие массогабаритные показатели и низкое энергопотребление

5 На основе разработанных ЭМП изготовлен ряд устройств неразру-шающего контроля состояния стальных канатов, которые рекомендованы предприятиям, занимающимся эксплуатацией подъемно-транспортных механизмов к применению для контроля состояния стальных канатов. Устройства прошли испытания с целью утверждения типа средства измерения в Госреестре СИ РФ, получен сертификат соответствия RU Е27 062.А №29554 от 20.11 07 г. Разные исполнения опытной партии приборов работают на предприятиях ЮФО

6 Предложены способ и устройство для контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретокового ЭМП Разработана математическая модель для расчета характеристик ЭМП. Определены геометрические размеры и соотношения, обеспечивающие линейность ЭМП Установлено, что наиболее эффе ктивным режимом устройства с вихретоковым ЭМП является резонанс токов, позволяющий получить заданную проходную характеристику и обеспечивающий низкое энергопотребление

7 Разработана методика проектного расчета вихретоковых ЭМП с высо-

кой чувствительностью и линейностью. На основании проведенных исследований созданы макетный образец конструкции ЭМП и устройство для контроля геометрических параметров канатов на его основе

8 Разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс для проведения экспериментальных исследований электромагнитных преобразователей Экспериментально подтверждены эффективность предложенного способа регистрации потери металлического сечения каната й результаты численного моделирования магнитного поля локальных дефектов в межполюсной зоне ЭМП Отличие расчетных и экспериментальных характеристик не превышает 15-18%, что объясняется большим разбросом характеристик намагничивания канатной стали и принятыми допущениями Установлена адекватность математических моделей, используемых для исследования характеристик вихретоковых ЭМП Погрешность расчетных данных не превышает 15%.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах

1. Павленко А В., Пузин В.С, Медведев В В Комплекс устройств для неразрушающего контроля стальных канатов// Изв вузов Сев-Кавк. регион Техн науки.-2007. - С 12-18. -(Спецвып. Проблемы мехатроники- 2006)

2. /Устройства для неразрушающего контроля состояния стальных канатов// А В. Павленко, А А Короткий, M H. Хальфин, В.С Пузин, В.В. Медведев, Д А. Щучкин// Горное оборудование и электромеханика.-2007- Л а 10 - С. 42-47

3. Пузин В С. Автоматизация экспериментальных исследований измерительных преобразователей для устройств контроля геометрических параметров стальных канатов// Изв вузов. Сев.-Кавк регион Техн. науки - 2004 - С. 6972. — (Спецвыпуск. Математическое моделирование и компьютерные технологии)

4. Павленко А.В, Шипулин А В , Пузин В С. О выборе измерительных преобразователей для контроля диаметров стальных канатов// Изв вузов. Сев -Кавк. регион. Техн науки - 2003. - С. 27-31.- (Спецвып Проблемы мехатроники-2003)

5. Пузин В С Об эффекте биения в устройствах для контроля геометрических параметров стальных канатов// Изв. вузов. Сев - Кавк. регион. Техн. науки. - 2005 - С. 65-67. - (Спецвып. Проблемы мехатроники - 2004).

6 Пузин В С., Симонов Д Н., Слепченко А Н. Математическая модель механических процессов в системе магнитный дефектоскоп-канат // Изв вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2007,- С 80-83 -(Спецвып. Проблемы мехатроники - 2006).

7 Пузин В С , Гуммель А А., Медведев В.В Цифровая обработка сигналов при магнитной дефектоскопии стальных канатов// Изв вузов Сев - Кавк регион Техн науки —2006. -№ 2 - С. 43-46.

8 В.С Пузин., С А Федосов. Магнитная система дефектоскопа стальных канатов// Студенческая научная весна 2005 сб научн. тр. студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ)/ Юж -Рос гос техн. ун -т - Новочеркасск- ЮРГГУ (НПИ), 2005 -С.210-211.

9 ВС Пузин, АН. Слепченко О влиянии геометрических параметров

магнитного датчика дефектоскопа стальных канатов на измерение потери металлического сечения// Студенческая научная весна - 2007: сб научн тр аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ)/ Юж -Рос гос техн ун-т (НПИ) - Новочеркасск ЮРГТУ, 2007. — С 240.

10 ВС Лузин, А. А Гуммель, К Р. Гильмияров Автоматизированный стенд для исследования распределенных параметров мехатронных систем// Научно-техническое творчество студентов вузов матер. Всерос смотра-конкурса научн -техн. творчества студ Вузов «Эврика-2005»/ Мин-во образования и науки РФ, Юж -Рос гос. техн. ун-т (НПИ).- Новочеркасск. ЮРГТУ, 2005 - Ч. 1. -С. 322-327.

11. А А Гуммель, ВС Пузин, К. Р. Гильмияров, А.Е. Кладов Портативное устройство для сопряжения аналоговых датчиков// Студенческая научная весна - 2006 Сборник научных трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ)/ Юж -Рос. гос техн ун-т (НПИ) - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. - с 253

12. А В Павленко, Пузин В С, Слепченко А H Исследование особенностей механических процессов, возникающих при дефектоскопическом контроле стальных канатов// Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества высших учебных заведений «Эври-ка-2006», г Новочеркасск, 20-26 ноября 2006 г./ Мин-во образования РФ, Юж -Рос. гос. техн ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. - С 257 - 259.

13 /Микропроцессорный блок управления магнитным дефектоскопом стальных канатов ДСКМ// А В. Павленко, А А. Гуммель, А.В. Большенко, В С. Пузин // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эври-ка-2007», г. Новочеркасск, 19-25 ноября 2007гУФедеральное агентство по образованию, Юж -Рос гос. техн ун-т (НПИ). - Новочеркасск Оникс+, 2007. - С. 60-62

14 Св-во об отраслевой регистрации разработки 5450. Программное обеспечение для визуализации и обработки результатов контроля состояния стальных канатов магнитным дефектоскопом ДСКМ на персональной ЭВМ/ Фед. агентство по образованию. Гос. коорд. центр инф технологий, отраслевой фонд алгоритмов и программ - № ГР 50200501698 от 14.12.2005 / А В. Павленко, А.А Гуммель, В В Медведев, В С. Пузин, Д В Батшцев, H П Беляев - Дата регистрации 30 11.2005 Дата выдачи 23 12 2005

15. Пат 2254282 РФ, В 66 В 7/12 Устройство для контроля параметров волнистости стальных канатов/ А В Павленко, M H Хальфин, В С Пузин - За-явл 12 08 2003, опубл. 20 06 2005, Изобретения и полезные модели- официальный бюллетень российского агентства по патентам и товарным знакам № 17

16 Пат. 2265801 РФ, Cl G01В 7/12 Способ контроля диаметра стальных канатов/ А В Павленко, В С. Пузин, H П. Беляев - Заявл. 24 02 2004, опубл 10.12 2005, Изобретения и полезные модели- официальный бюллетень российского агентства по патентам и товарным знакам № 34.

17. Пат 2218553 РФ, Cl 7 G 01 В 21/12 Устройство для контроля диаметра стальных канатов/ А В. Павленко, А.В Шкпулин, В С Пузин - Заявл. 21 03 2002; опубл 10 12 2003, Изобретения и полезные модели: официальный

бюллетень российского агентства по патентам и товарным знакам № 34

18 Пат. 2293313 РФ, G 01N 27/82. Способ контроля площади поперечного металлического сечения стального каната и устройство для его осуществления/ А В Павленко, В С. Пузин, А А. Гуммель, Д В. Батищев, Н.П Беляев, В В Медведев- Заявл 13 07 2005, опубл. 10 02 2007, Изобретения и полезные модели, официальный бюллетень российского агентства по патентам и товарным знакам № 4

19 П. м. 64781 РФ, G 0IN 27/83 Устройство для обнаружения локальных дефектов стальных канатов/ А В Павленко, В С. Пузин, А.А. Гуммель, Д В Батищев, Н П Беляев, В В Медведев - Заявл. 13 07.2005, опубл 10.07.2007, Изобретения и полезные модели, официальный бюллетень российского агентства по патентам и товарным знакам № 10

20 П м. 68699 РФ, G 01N 27/82 Устройство для обнаружения локальных дефектов стальных канатов/ А В Павленко, В.С Пузин, В.В Медведев, Д А. Щучкин- Заявл 23.07 2007; опубл 27.11 2007, Изобретения и полезные модели официальный бюллетень российского агентства по патентам и товарным знакам № 33.

Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке математических моделей и реализации алгоритмов вычислений и экспериментальной проверке теоретических результатов моделирования (1, 2, 4,6), постановке задачи исследования (7, 8,9,10,11, 12,13,14).

Лузин Владимир Сергеевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ

Автореферат

Подписано в печать И 02 2008 Формат 60*84 Х!\6 Бумага офсетная Ризография Печ л 1,0 Уч-изд л 1,21 Тираж 100 экз Заказ 103

Типография ЮРГТУ (НПИ) 346428, г Новочеркасск, ул Просвещения 132 тея, факс (863-52) 5-53-03

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ТИПОВ ДЕФЕКТОВ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ И СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (ЭМП).

1.1 Дефекты стальных канатов.

1.2 Методы регистрации и идентификации дефектов стальных канатов.

1.3 Устройства для электромагнитного контроля стальных канатов.

1.3.1 Устройства для магнитной дефектоскопии стальных канатов.

1.3.2 Устройства для контроля геометрических параметров стальных канатов.

1.4 Выводы по главе 1.

2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ' ОБРЫВОВ И ИЗНОСА ПРОВОЛОК СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ.

2.1 Выбор типа и конфигурации намагничивающего устройства ЭМП'.

2.2 Математическое моделирование магнитных полей в зоне дефектов.

2.3 Способы регистрации повреждений первой группы.

2.3.1 Исследование и выбор способа регистрации повреждений типа «Потеря металлического сечения».

2.3.2 Измерительные элементы для канала «Локальные дефекты».

2.4 Методика проектного расчета ЭМП устройства для контроля состояния стальных канатов.

2.5 Применение алгоритмов цифровой обработки сигналов для повышения достоверности обнаружения повреждений стальных канатов.

2.6 Исследование процесса движения ЭМП по стальному канату.

2.7 Выводы по главе 2.

3 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ.

3.1 Математическое моделирование и оптимизация конструкции вихретокового ЭМП.

3.1.1 Исследование влияния геометрических параметров ЭМП на его характеристики.

3.1.2 Исследование влияния диаметра каната на характеристики ЭМП.

3.2 Исследование проходных характеристик вихретокового ЭМП.

3.3 "Анализ влияния геометрии и внешних параметров на проходную характеристику при совместной работе нескольких ЭМП.

3.4 Методика проектного расчета вихретокового ЭМП.

3.5 Выводы по главе 3.

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ.

4.1 Реализация усилительных и нормирующих устройств, блока регистрации и идентификации дефектов.

4.2 'Устройства для магнитной дефектоскопии стальных канатов на' базе предложенных конструкций ЭМП.

4.3 Автоматизированный стенд для исследования устройств контроля стальных канатов.

4.4 Экспериментальное исследование ЭМП для магнитной дефектоскопии

4.5 Экспериментальное исследование ЭМП устройств для контроля. геометрических параметров стальных канатов.

4.6 Устройство контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретоковых ЭМП.

4.7 Выводы по главе 4.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Наиболее эффективными методами контроля состояния стальных канатов являются электромагнитные методы наразрушающего контроля. Существующие устройства контроля определяют лишь часть повреждений, нарушающих нормальное функционирование стальных канатов. К их недостаткам можно отнести невысокую точность, существенное энергопотребление, низкие массога-баритные показатели. Устройства контроля, созданные на основе электромагнитных методов имеют в своем составе электромагнитный преобразователь (ЭМП), представляющий собой совокупность намагничивающего устройства на базе электромагнитов или постоянных магнитов, магниточувствительных элементов и первичных измерительных преобразователей и обеспечивающий перераспределение и регистрацию потоков энергии магнитного поля при взаимодействии с контролируемым объектом - стальным канатом.

Повышение безопасности и экономической эффективности при эксплуатации подъемно-транспортных машин требует осуществления постоянного и достоверного контроля состояния стальных канатов и обуславливает разработку новых устройств для его осуществления.

Проектирование электромагнитных преобразователей с использованием методов, традиционных для электромагнитных устройств затрудняется сложной конструкцией стальных канатов, их пространственной и магнитной неоднородностью, разным характером дефектов. В связи с этим возникает необходимость разработки математических моделей и методик проектирования, позволяющих создать новые конструкции электромагнитных преобразователей для повышения эффективного функционирования устройств контроля* состояния стальных канатов.

Работа соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) на 2006 -2010г.г. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», утвержденному решением ученого совета от 1.03.06г. 1. Выполнить анализ разных типов дефектов и существующих устройств контроля, позволяющий сформулировать требования к ЭМП.

2. Разработать новые конструкции ЭМП, произвести; выбор типа и конфигурации намагничивающего устройства ЭМП по результатам математического моделирования магнитных полей рассеяния дефектов, определить оптимальный магнитный режим работы ЭМП, сформулировать требования к первичным измерительным преобразователям, устройству регистрации и идентификации дефектов, предложить варианты их реализации.

3. Выполнить практическую реализацию устройств для магнитной дефектоскопии на базе предложенных конструкций ЭМП.

4. На- основе математического моделирования разработать конструкцию ЭМП для устройств контроля геометрических параметров стальных канатов.

5. Практически реализовать устройство контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретокового ЭМП;

6. Провести экспериментальные исследования ЭМП для устройств контроля стальных канатов с помощью созданного автоматизированного стенда:

Целью диссертационной: работы является создание электромагнитных преобразователей для повышения эффективности устройств дефектоскопического контроля стальных канатов на основе использования методов математического моделирования.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

Методы исследований

В диссертационной работе использованы методы теории электрических и магнитных цепей, методы теории поля, численные:и аналитические-методы решения систем алгебраических уравнений; Экспериментальное исследование опытных образцов проводилось, с использованием программно-аппаратного комплекса на базе ПЭВМ.

Научная новизна

1. Предложены новые способы и разработаны ЭМП для устройств контроля стальных канатов, отличающиеся от существующих высокими^ метрологическими, массогабаритными показателями и низким энергопотреблением.

2. На основе математического моделирования впервые получены картины магнитных полей дефектов, позволяющие осуществить выбор датчиков для их регистрации, установить оптимальную конфигурацию и основные геометрические параметры ЭМП, обеспечивающие наибольшую чувствительность к дефектам.

3. Впервые создана методика проектного расчета ЭМП для устройств магнитной дефектоскопии круглых стальных канатов, обеспечивающая высокие метрологические, массогабаритные показатели и низкое энергопотребление ЭМП.

4. Созданы новые математические модели, методика проектирования и соответствующее программное обеспечение, позволяющие проектировать вихре-токовые ЭМП с высокой чувствительностью и линейностью.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций'

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость

1. Разработаны методики, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для анализа электромагнитных процессов, протекающих в ЭМП для устройств контроля стальных канатов.

2. На основании результатов исследований спроектированы и практически реализованы опытные образцы устройств для контроля стальных канатов, в НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) осуществляется выпуск опытной партии приборов.

3. На предложенные способы- и разработанные устройства получено- 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезные модели РФ и 1 свидетельство о регистрации программы.

4. Разработан и изготовлен автоматизированный стенд для экспериментальных исследований ЭМП для дефектоскопии стальных канатов.

Внедрение работы

Теоретические и практические результаты работы использовались при разработке новых устройств для контроля состояния стальных канатов для ряда предприятий ЮФО (ИКЦ «Мысль», г. Новочеркасск, КПК «Автокрансервис», г. Ставрополь). НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) осуществляет мелкосерийное производство опытной партии устройств контроля состояния стальных канатов для предприятий и организаций, занимающихся обслуживанием подъемно-транспортных сооружений. Устройства прошли испытания с целью утверждения типа средства измерения в Госреестре СИ РФ, получен сертификат соответствия RU.E27.062.A № 29554 от 20.11.07г.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты математического моделирования магнитных полей дефектов стальных канатов в магнитной системе ЭМП - стальной канат.

2. . Электромагнитные преобразователи и соответствующие способы контроля состояния стальных канатов.

3. Методика проектного расчета ЭМП для устройств контроля потери металлического сечения и локальных дефектов стальных канатов.

4. Математические модели, методика проектирования и комплекс программ для проектирования вихретоковых ЭМП для контроля геометрических параметров стальных канатов.

Апробация работы

Основные результаты: диссертационной работы докладывались и осуждались на межкафедральных научно-технических конференциях кафедр «Электрические и электронные аппараты», «Информационно-измерительная техника», «Автоматика и телемеханика» и «Подъемно-транспортные машины» ЮР-ГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2002 г., 2003 г.), ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2002 - 2006 г. и п. г.), международных научно-практических коллоквиумах «Проблемы мехатроники» (г. Новочеркасск, 2003 - 2006 г.), международной • научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г. Новочеркасск, 2003 г.).

Работа была отмечена грантом; НИР конкурса 2004 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных общеобразовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию (грант № А04-3.14-72).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, том числе 6 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 7 тезисов докладов на различных научных конференциях, получены 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения; списка литературы из 89 наименования и приложений. Общий объем работы 206 страниц, включая 55 страниц приложений и 93 иллюстраций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании проведенных исследований получены следующие результаты.

1. Показана эффективность электромагнитных методов контроля стальных канатов, реализуемых на основе использования электромагнитных преобразователей, являющихся основными элементами устройств контроля, определены конфигурации магнитных систем ЭМП для разных типов канатов и подъемно-транспортных механизмов.

2. На основе математического моделирования получены картины магнитных полей рассеяния локальных дефектов. Определены основные геометрические соотношения и режимы намагничивания для магнитной системы ЭМП, обеспечивающие наибольшее искажение силовых линий магнитного поля в зоне дефекта. Установлено, что при регистрации локальных дефектов (обрывов и коррозии проволок) целесообразно использовать нормальную составляющую вектора индукции магнитного поля. При этом регистрирующий модуль ЭМП имеет высокую (более чем в 1 ООО раз по сравнению с регистрацией касательной составляющей) чувствительность и разрешающую способность.

3. На основании исследований предложен метод определения потери металлического сечения, основанный на регистрации части намагничивающего потока в измерительном модуле, расположенном в основании магнитопровода магнитной системы ЭМП. Разработана математическая модель, с помощью которой определены геометрия и размеры регистрирующего модуля, обеспечивающие высокую чувствительность и погрешность измерений не более 1%.

4. Создана методика проектного расчета ЭМП для устройств, контроля круглых стальных канатов, позволяющая проектировать ЭМП для канатов заданного диаметра различных конструкций, учитывающая специфику его работы и обеспечивающая высокие массогабаритные показатели и низкое энергопотребление.

5. На основе разработанных ЭМП изготовлен ряд устройств неразру-шающего контроля состояния стальных канатов, которые рекомендованы предприятиям, занимающимся эксплуатацией подъемно-транспортных механизмов к применению для контроля состояния стальных канатов. Устройства прошли испытания с целью утверждения типа средства измерения в Госреестре СИ РФ, получен сертификат соответствия RU.E27.062.A №29554 от 20.11.07 г. Разные исполнения опытной партии приборов работают на предприятиях ЮФО.

6. Предложены способ и устройство для контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретокового ЭМП. Разработана математическая модель для расчета характеристик ЭМП. Определены геометрические размеры и соотношения, обеспечивающие линейность ЭМП. Установлено, что наиболее эффективным режимом устройства с вихретоковым ЭМП является резонанс токов; позволяющий получить заданную проходную характеристику и обеспечивающий низкое энергопотребление.

7. Разработана методика проектного расчета вихретоковых ЭМП с высокой чувствительностью и линейностью. На основании проведенных исследований созданы макетный образец конструкции ЭМП и устройство для контроля геометрических параметров канатов на его основе.

8. Разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс для проведения экспериментальных исследований электромагнитных преобразователей. Экспериментально подтверждены эффективность предложенного способа регистрации потери металлического сечения каната и результаты численного моделирования магнитного поля локальных дефектов в-межполюсной зоне ЭМП. Отличие расчетных и экспериментальных характеристик не превышает 15-18%, что объясняется большим разбросом характеристик намагничивания канатной стали и принятыми допущениями. Установлена адекватность математических моделей, используемых для исследования характеристик вихретоковых ЭМП. Погрешность расчетных данных не превышает 15%.

1. Хальфин М.Н., Короткий А.А., Иванов Б.Ф., Липатов А.С. Канаты стальные. Контроль и нормы браковки. Руководящий документ. РД 012-97/ согл. Госгортехнадзор России: Новочеркасск, 1997. — 50 с. — Введ. 01.03.97.

2. Хальфин М.Н., Короткий А.А., Иванов Б.Ф., Липатов А.С., Жуков В.Г., Чумак-Жунь М.Н. Безопасная эксплуатация, контроль и браковка стальных канатов Новочеркасск: НГТУ, 1995.- 184с.

3. Хальфин М.Н., Сорокина Е.В:, Иванов Б.Ф. Кручение и волнистость несущих закрытых канатов подвесных канатных дорог/ Юж. — Рос. гос. технический ун-т. Новочеркасск: УПЦ «НАБЛА» ЮРГТУ (НПИ), 2004. - 117 с.

4. Хальфин М.Н. Расчеты стальных канатов с целью различия геометрических параметров и механических свойств// Изв. вузов Северо Кавказский регион. Техн. науки: Безопасность подъемно - транспортных и технологических машин. - 2005. Спец. выпуск. - С. 5 - 13.

5. Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Филинов В.Н. и др. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник. -М.: Машиностроение, 1995. — 488 с.

6. Официальный сайт компании National Instruments Электронный ресурс.: Описание программно-аппаратного комплекса Labview. Режим доступа: http://digital.ni.com/worldwide/russia.nsf/main7readform, свободный.

7. Гурвич А.К. Ермолов И.Н. Сажин С.Г. под ред. Сухорукова В.В. Неразрушающий контроль. Общие вопросы. М.: Высшая школа, 1992.

8. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн.З: Электромагнитный контроль: Практ. пособие/В.Г.Герасимов, А.Д.Покровский, В.В.Сухоруков; Под ред. В.В.Сухорукова.-М.:Высш. шк.,1992.-312с.: ил.

9. Pat. JP10019549 .JP. Continuous measurement device for wire rope diametr/ Kondo Takahiro; Yamashita Yoshihisa.

10. Пат. 2135404 РФ. Дефектоскоп для подъемных канатов / Хальфин М.Н., Иванов Б.Ф., Маслов В.Б., Козынко А.А., Заявл. 18.02.1998; Опубл. 27.08.1999, Бюл № 24.

11. Пат. 2238903 РФ. Способ браковки стальных канатов/ Короткий А.А., Хальфин М.Н., Шевцов В.В. и др. Заявл; 19.05.2003; Опубл. 27.10.2004, Бюл. № 14.

12. Ксюнин Г.П. Исследование условий работы рудных подъемных канатов и пути повышения их работоспособности. Дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. Новочеркасск, 1966. 322 с. . ' . .

13. Ксюнин А.Г. Исследование достоверности дефектоскопического контроля шахтных подъемных канатов в процессе эксплуатации и повышение его эффективности. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. Новочеркасск, 1973. 160 с.

14. Миненков И.И. Исследование факторов, определяющих помехоустойчивость канатных дефектоскопов. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. — Новочеркасск, 1968.

15. Kurz R. Magnetiduktive Drahtseilprufung. Dissertation Techn. Hochscule Mun-chen, 1965.

16. Teisseier M. Le controle electromagnetique des Cables d'extection. "Revue de I 'Industrie Miner ale ", 1959, nr 2.

17. Кавецкий.З., Стахурский Я. Магнитная дефектоскопия стальных канатов. Пер. с польского к.т.н. И.Б.Доржичкевича.- М:: "Недра", 1979.

18. Gruppe H. Entwicklung einer Einrichtung zur Prufung von Forderseilen nach dem magnetindnktiven Verfahren. Forschungshberichte des Landes Nordrein — Westfalen, Koln/Opladen, 1961. nr 954.

19. Кавецкий Э. Развитие магнитной дефектоскопии стальных канатов в свете II Международного конгресса по применению- канатов на транспорте. -Пшегленд Гурничы, 1965 г., № 2.

20. Каталоги Конотопского электромеханического завода «Красный металлист», Конотоп, 1967.

21. Патент ПНР 48 049. Магнитный дефектограф для контроля канатов, прутьев и стальных труб/ Ежевский М., Кавецкий Э., Кравчук Э., Огожалэк И., Шклярский JI. 1964г.

22. Официальный сайт компании Zavada NDT Электронный ресурс.: Описание магнитного дефектоскопа GP-2S. Режим доступа: www.zawada.com, свободный.

23. Пат. Великобритании № 2277993. Method and device for nondestructively, magnetically inspecting elongated objects for structural fault / NDT Technologies (США). Заявл. 14.05.1993, №2277993; опубл. 16.11.1994; МПК G01N27/82.

24. Официальный сайт компании «Интрон-плюс» Электронный ресурс.: Описание магнитного дефектоскопа Интрос. Режим доступа: http://www.intron.ru/?section=defectoscope&page=index&lang:=ru, свободный.<

25. Wire rope non-destructive testing — survey of instrument manufacturers. Offshore technology report—ОТО 2000 064. The University of Readme.

26. A.c. 1781595 СССР. Способ бесконтактного измерения параметров цилиндрических проводящих изделий/С.Б. Голоцван и. др.-Заявл. 20.6.88.

27. А.с. 1672340 СССР. Способ определения параметров цилиндрических электропроводящих изделий/Д.К. Пискунов и др.-Заявл. 30.12.87.

28. Патент РФ № 1626810. Устройство для измерения диаметра длинномерных цилиндрических изделий/В.С. Павлинов и др. (РФ).-Заявл. (27.05.88).

29. Пат. 2218553 РФ. Устройство для контроля диаметра стальных канатов / Павленко А.В., Шипулин А.В., Пузин B.C. Заявл. 21.03.2002; Опубл. 10.12.2003, Бюл№ 34.

30. Ковалев О.Ф. Численно-экспериментальные методы моделирования магнитных и температурных полей в электромагнитных устройствах. Дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. — Новочеркасск, 2001. 425 с.

31. Сливинская А.Г. Гордон А.В. Постоянные магниты. -JI.: Энергия, 1965.

32. Павленко А.В., Ковалев О.Ф., Шипулин А.В. Магнитные датчики для дефектоскопии стальных канатов. Разработка, исследование, оптимизация// Электромеханика и электротехнологии: Тез. докл. III Междунар. конф. Россия, Клязьма, 1998. С.351 -352.

33. Официальный сайт компании ТОР Электронный ресурс.: Представление шихтованных сердечников в задачах расчета магнитных полей. Режим доступа: http://tor.ru/elcut/articles/gandshou/lammate.pdf, свободный.

34. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины. Ч. 1. ГЭИ, М.-Л., 1957.

35. Зацепин Н.Н., Коржова Л.В. Магнитная дефектоскопия. Мн.: Наука и техника, 1981.- 208 с.39'Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. М.: Машиностроение, 1980. — 232 с.

36. Павленко А.В. Компьютерное моделирование нестацинарных режимов в электромагнитных механизмах. Дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. Новочеркасск, 1999.-370 с.

37. Курбатов П.А., Аринчин С.А. Численный расчет электромагнитных полей. — М.: Энергоатомиздат, 1984. 168 с.

38. Кислицын А.Л., Криштейн A.M., Солнышкин Н.И., Эрнст А.Д. Расчет магнитных полей электрических машин методом конечных элементов. Саратов: Издательство Саратовского ун-та, 1980. - 178 с.

39. Официальный сайт группы компаний АМТ@С Электронный.ресурс.: Источники-магнитного поля на основе постоянных магнитов. Режим доступа http://www.ndfeb.ru/index.php?id=l 51, свободный.

40. Официальный сайт компании Ansoft Электронный ресурс.: Описание программного пакета Maxwell. Режим доступа: http://www.ansoft.com/products/em/max3d, свободный.

41. Виглеб Г. Датчики. Пер. с нем. М.: Мир, 1989. - 196 с.

42. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Том 2. Справочные сведения о наиболее известных и распространенных изделиях микромагнито-электроники. М.: 2002 г. - 691 с.

43. Патент РФ №2204129. Способ неразрушающего контроля площади поперечного сечения и обнаружения локальных дефектов протяженных ферромагнитных объектов и устройство для его осуществления / Сухоруков В.В., Белицкий С.Б. (РФ) Заявл. 17.12.1999.

44. Пузин B.C., Федосов С.А. Магнитная система дефектоскопа стальных канатов/ Студенческая научная весна 2005. Сборник научных трудов студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. - С. 210-211.

45. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений. Учебник для вузов. — 2-е изд. -М.: Издательский центр Академия, 2004. 336 с.

46. Журавин Л.Г., Мариненко М.А., Семенов Е.И., Цветков Э.И. Методы электрических измерений. Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиз-дат. Ленинград, отд-ние, 1990. 288 с.

47. Соловьев В.А., Яхонтова В.Е. Элементарные методы обработкшрезульта-тов измерений. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1977. - 72 с.

48. Pat. 5565771 US. Apparatus for increasing linear resolution for electromagnetic wire rope testing/ Michel Hamelin, Frank Kitzinger (Canada) Заявл. 18.01.1995.

49. П. м. 64781 РФ, G 01N 27/83. Устройство для обнаружения локальных дефектов стальных канатов/ Павленко А.В., Пузин B.C., Гуммель А.А., Бати-щев Д.В., Беляев Н.П., Медведев В.В. Заявл. 13.07.2005; Опубл. 10.07.2007, Бюл. № 10.

50. Гринченков В.П., Пузин B.C. Моделирование магнитных систем с постоянными магнитами и алгоритм расчета/ Материалы 51-й научн.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2003. - С. 162 - 163.

51. Коген-Далин В. В., Комаров Е. В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами. — М.: Энергия, 1977. — 248 с.

52. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов (Общие вопросы проектирования). Учебное пособие для студентов электротехнических вузов. М.: Энергия. 1971.

53. Шоффа В.Н. Анализ полей магнитных систем^ электрических аппаратов. Под. ред. Г.Г. Нестерова: М.: Изд-во МЭИ; 1994. -112с.

54. Буль Б.К. и др. Основы теории электрических аппаратов. Под ред. Г.В. Буткевича. Учебное пособие для электротех. спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1970.-600с.

55. Беляев Н.П. К вопросу оптимального проектирования поляризованных электромагнитных приводов// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Проблемы меха-троники 2004. - 2005. - С. 49-53.

56. Официальный сайт компании «Магнитные композиционные материалы» Электронный ресурс.: Постоянные магниты редкоземельные. Режим доступа: http://www.mkm.rosfirm.rU/mfo/l090555826918/1090555826928;,. свободный.

57. И. Добеши. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 464 с.

58. Пат. 226581 РФ, CI G01B 7/12. Способ контроля диаметра стальных канатов/ Павленко А.В., Пузин B.C., Беляев Н.П. Заявл. 24.02.2004; Опубл. 10.12.2005, Бюл.№ 34.

59. Пат. 2254282 РФ, В 66 В 7/12. Устройство для контроля параметров волнистости стальных канатов /Павленко А.В., Хальфин^ М.Н., Пузин B.C. — Заявл. 12.08.2003; Опубл. 20.06.2005, Бюл. № 17.

60. Пузин B.C. Применение вихретоковых датчиков зазора в устройстве для контроля диаметра стальных канатов/ Материалы 52-й научн.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮР-ГТУ (НПИ), 2003. - С.92- 93.

61. Герасимов В.Г. и др. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий М: Энергоатомиздат, 1983.-272с.

62. Буняев В.А. Отчет по НИР (заключительный). Разработка датчика зазора для системы электромагнитной подвески Новочеркасск: НПИ, 1990.

63. Павленко А.В., Шипулин А.В., Пузин B.C. О выборе измерительных преобразователей для контроля диаметров стальных канатов // Изв. вузов. Сев. -Кавк. регион. Техн. науки. 2003. - Спецвып. Проблемы- мехатроники -2003.-С. 27-31.

64. Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. Новосибирск: Наука, 1967.-С. 144.

65. Пузин B.C., Жидков Д.В. Моделирование вихретокового датчика воздушного зазора// Студенческая научная весна 2004.Материалы 53-й научн.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск: ООО НПО «Темп», 2004. - С.78-79.

66. Пузин B.C. Об эффекте биения в устройствах для контроля геометрических параметров стальных канатов // Изв. вузов. Сев. — Кавк. регион: Техн. науки. — 2005. Спецвып. Проблемы мехатроники - 2004. - С. 65-67.

67. Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 1./ Под ред. Лозовского В.Н. -СПб./ Издательство «Лань», 2000 576 с.

68. Калантаров П.Л. и др. Расчет индуктивностей.- Л.: Энергия, 1970. 413 с.

69. O.Gronau, S.Belitsky, V.Sukhorukov. NDT of Steel Ropes with Magnetic Flaw Detectors: Documentation and Interpretation of Test Result. Rome 2000.

70. Гуммель A.A., Пузин B.C., Гильмияров K.P., Кладов A.E. Портативное устройство для сопряжения аналоговых датчиков/ Студенческая научная весна 2006. Сборник научных трудов студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. - С. 253.

71. Официальный сайт компании «Фитон» Электронный ресурс.: Руководство пользователя микроконтроллера-конструктора KIT-552. Режим доступа www.phyton.ru, свободный.

72. Ковалев О.Ф. Комбинированные методы моделирования магнитных полей в электромагнитных устройствах. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001 г. - 220 с.к t

73. Пат. 1897648. Англия, G01R 33/10. Изображение магнитного поля с использованием туннельного микроскопа/ Gomez R.D., Burke E.R., Adly А.А. Опубл. 01.02.2001. Бюл. №8

74. Пат. 2201392. США, G01R 33/032. Оптический измерительный преобразователь магнитного поля / Mayergoyz I.D. Опубл. 09104.1991. Т.1125, №2.

75. Пат. 2222846. Япония, G01R 33/02. Устройство для исследования магнитного поля. Опубл. 11.08.01. Бюл. №6-1256.