автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка методов исследования механических напряжений в плоских феромагнитных изделиях для использования в автоматизированных системах контроля

о

<р

с->

53 ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

На правах рукопису

Бредіхін Володимир Михайлович

РОЗРОБКА МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ НАПРУЖЕНЬ В ПЛОЩИНИХ ФЕРОМАГНІТНИХ ВИРОБАХ ДЛЯ ЗАСТОСУВАННЯ У АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЮ

Об. 13.06 - автоматизація наукових досліджень

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 1996

Дисертація в рукопис • ■

Робота виконана на кафедрі Конструювання ЗОМ Харківського державного технічного університету радіоелектроніки

Провідне підприємство - НД1 радіотехнічних вимірювань, місто Харків

Захист відбудеться Мо^-г<-г 1996 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 02.25.06 у Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки (310726, Україна, Харків,' пр. Леніна, 14)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університете радіоелектроніки.

Наукові керівники - доктор технічних наук, професор Себко Вадим Пантелейович

кандидат технічних наук, професор Фролов Валентин Олексійович

.Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор . Крівуля Генадій Федорович

кандидат технічних наук, старший

науковий співробітник

Гунбін Михайло Володимирович

Автореферат розісланий а/гу 1996 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Дедіков Е.О.

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність томи. У асортименті продукції, яка виробляється нашою промисловістю, важливе місце займають феромагнітні матеріали, ' контроль фіаико-механічних властивостей яких виявляється дужо актуальним завданням тому, що саме прочиостні якості. ви-аначають надійність та довговічність виробів. У зв’язку з цим важливе значення приймають розробка.та дослідження методів та пристроїв для визначення електромагнітних, механічних, хімічних та інших параметрів матеріалів та виробів, а також нові перспективні ічотоди контролю активно розроблялись Вонсопським С.В., Дорофо-єпим А.Л., Щуром Я.С., Вигода Ю.А., Горкуповим Е.С. та іншими.

Найбільш важливими з них виявляються неруйнуючі методи контролю, при яких використуєтьсп кореляційний зв’язок між механічними та електромагнітними якостями матеріалів. 1 .

На сучасному етапі отримують широкий розвиток електромагнітні методи та засоби для визначення механічних напружень тг. деформацій матеріалів виробів, а також вимірювання сил, тиску, ваги, обертаючих моментів та інше.

Має практичний інтерес подальший розвиток вилучених результатів в напрямку розширення меж контролю механічних напружень, спрощення розрахункових функцій перетворювання, зв’язуючих міцностні якості вироба з вихідними сигналами перетворювача, застосування різних методик, підвищуючих дозволяючу можливість, точність, чутливість виробів та інше. В цьому плапі важливим завдапням з’являється виявлення можливостей та умон прогнозування меж текучості та міцності виробів без їх руйнування по підсумкам вимірювань (чи розрахунків) параметрів сигналів перетворювача з виробом при відсутності в ньому механічних напружень.

' - . 4

У дій роботі розглянуті (теоретично та експеріментально) питання встановлення функціональних зв’язків параметрів сигналів електромагнітного перетворювача з механічними напруженнями в плоскій пластині, розміщеної в ньому. При цьому механічні напруження змінювались в широкому диапазоЕі, відповідно до всієї діаграми розтягування. '

Мета роботи - розробка та дослідження електромагнітних методів те засобів вимірювання фівико-механічних параметрів шзо-щиних феромагнітних виробів та конструкцій для автоматизованого вимірювання та контролю на основі використання віхретокових перетворювачів. Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити такі основні задачі:

1. Отримати співвідношення, описуючи роботу електромагнітного перетворювача в плоским феромагнітним виробом для визначення амплітуди та фази магнітного струму усередині зразка;

2.; Розробити математичну- модель для визначення механічних напружень в широкому частотному діапазоні;

3. Розробити методи автоматизованого контролю механічних напружень;

4. Провести аналіз похибок вимірювань напружень та визначення оптимальних режимів роботи перетворювача;

б. Розглянути1 можливість прогнозування меж міцності та текучості для різних площиних феромагнітних матеріалів.

Методи досліджень. При виконанні роботи застосовувались аналітичні та експериментальні методи досліджень, які базуються на теорії електромагнітного поля, теорії рядів, інтегрального та дифе-ренційного обчислювання, апарата спеціальних функцій, теорії похибок, та теорії магнетизму.

Наукова новизна. 1. Отримані співвідношення для визначення амплітуди та фази магнітного потоку усередині площиного феро-

. ^ 5

магнітного виробу та їх зв’язок з механічними напруженнями, які

з’являються у виробах;

2. Розроблені автоматизовані методи для визначення механіч-. них напружень із застосуванням віхретокових методів;

3. Визначені оптимальні режими роботи електромагнітного перетворювача за частотою зондуючого поля;

4. Отримані конкретні експерімептальні результати, підтвер-

джуючі теоретичні, дослідження та можливість контролю з високою точністю механічних напружень, з’являющихся в шіощіших феромагнітних виробах; ■

Б, Розглянута можливість прогнозування меж текучості та міцпості без навантаження виробів.

Практична цінність роботи полягав у тому, що розвинуті методи перуґшуіочого контролю, дозволяють визначити фізико-меха-нічпі властивості площншіх феромагнітпих виробів на основі до-сліджеппя їх електромагнітних параметрів. Ці методи дають можливість за допомогою віхретокового перетворювача не тільки визначити механічні напруженя усередині виробе, але й прогнозувати межі текучості та міцпості для різних матеріалів.

Отримані формули, алгоритми, запропоновані методи контролю та реалізуючі їх перетворювачі знайшли иракткчпе застосування при розробці, проектуванні та експлуатації автоматизованих пристроїв контролю матеріалів, виробів та конструкцій.

Вшопадніопіш резулл/гртів робо_иі1

Результати досліджень по темі дисертації використані при створені автоматизованої системи контролю механічних напружень при віджигу феромагнітних виробів на державному підприємстві вакумної металургії конструкційних матеріалів “Рубін” корпорації промислопих будівних матеріалів “Укрбудмптеріали”

До захисту пипосяться:

І) спрощені формули та залежності параметрів електричною

• . 6 сигналу, який знімається з- вимірювальної обмотки електомагнітного

перетворювача, відображаючи магнітний стан напружених виробів

для використання в технічних розрахунках;

2) оптимизація результатів роботи перетворювача в шіощиним феромагнітним виробом усередині прк застосуванні амдлітудниого, фазового та змінно-частотного методів;

3) математична модель для оцінки значення механічних напружень які з'являються в матеріалі шіощияих феромагнітних виробів та вибору раціональних режимів роботи електромагнітного перетворювача з точки зору максимальної, чутливості до механічних напружень;

4) алгоритми та функціональна схема автоматизованої системи для дослідження напружень, які з’являються у феромагнітних пло-щиних виробах аа допомогою електромагнітних методів. Методика оцінки похибок вимірювання механічних напружень у шющиних виробах;

б) прогнозування критичних значень механічних напружень (межі текучості та прочності) у феромагнітних виробах без їх нат вантаження;

в) -експериментальні результати дослідження механічних

напружень застосовно до конкретних площиних феромагнітних виробів. •

Апробація роботи. Основні висновки роботи докладались на:

Межнародпій науково-технічній конференції “Проблема автоматизованого електроприводу (теорія та практико)”. -Харків-Алушта, 1994;

І Українській науково-техпічній конференції “Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань”. - Харків, 1994;

2-ої Міжнародної конференції "Теорія та техніка передачі прийому та обробки іпформації”. - Харків-Туапсу, 1996.

....... 7

Публіктиї, За результатами досліджень опубліковано в печатних робіт, та с авторське свідотство. Список основних публікацій приведено нижче.

Структуро Х8 обсяг РОб_оги. Дисертація складається ів вступу, чотирьох розділів і висновку, містить 118 сторінок тексту, список літератури я 98 найменувань, 14 малюнків і додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

ИИСУДЛІй частині обгрунтована актуальність теми досліджень, аизаачспп практична направленість роботи в різних галузях промисловості, пауки та техніки, приведені ії структура та сформульовані основпі положення, які винесені до захисту.

У ведшему Есадіді проведен аналіз іспуючих" методів та пристроїв для низпаченпя фіаико-механічних властивостей феромагнітних матеріалів. Зроблен висновок про те, що найбільш прийнятли-т:м та перспективним виявляэться використання ніхретокових методів, дозволяючих визначити механічні напруження, які з’являються у феромагнітних виробах. Ці методи дають можливість одержати більш повне знания про стан об’єкта досліджень, які містяться а сигналах перетворювача, легко автоматизовувати процес кон-тролю якості виробів, мало вимогливі до чистоти поверхні та зовнішніх умов, не вимагають підготовки виробів до проведення контролю. Сформульована ціль роботи і поставлені осповні завдання теорітичних та експериментальних досліджень.

5! Другому розділі розглянуті питания встановлення функціональних зв’язків параметрів енгналів електромагнітного перетворювача з механічними напруженнями в площиній пластині, розміщеної уооредипі перетворювача. ГІри цьому механічні п.шруження змінювались в широкому діапазоні, відповідно до всієї діаграми розтя-гуипиші. Відомо, що нрикладонпя сили до феромагнітних матеріалів

приводить до зміни його' електромагнітних параметрів, а також магнитної проникності ц. Визначення механічних напружень, які з'являються в площипих пластинах, по значенням електричного, сигналу, анімаємого 8 вимірювальної обмотки перетворювача, застосовуються ! на теорії роботи прохідного електромагнітного перетворювача (ПЕМГ1) 8 провідним виробом.

Для проведення експериментів в усіх випадках використовували однотипний аравок, показаний на мал.І, вроблений з феромагнітної пластини, на вузькій частині якої нанесені дві обмотки (намаг-нічувающа та вимірювальна). Ширина зразка її істотно більше його товщини сі. Утовщені кінцеві частини зразка призначені для здійснення захвата пристосуваннями розривного пристрою, здійснюючого механічні напруження в зразку. Для того, щоб обмотки не деформувались на протязі розтягування зразка, вони намотувались на ізоляційний тонкостінний Каркас, вільно розташований на тонкій частині зразка. Намагнічувающа обмотка (число вітків Ш}) запитувалась током Іго. На кінцях вимірювальної обмотки (з числом вітків \\'2) індуцировалась едс В. •

У///////////77,

в,

Мал. 1

Для забезпечення однорідності магнітного поля усередині на-магнічупающої обмотки необхідно було виконати умови 1»Ь (де 1 - довжина намагнічувающої обмотки, а Ь - ширина тонкої частини зразка).

На основі зрівняння проникнення площиної електромагнітної хвилі 'синусоїдального аа часом поля у феромагнітне середовище, можливо записати вираз для Z-oй складової частини магпитної індукції В,, усередині зразка у вигляді

до Цо - магнітна постійна; = 4п ■ 10 ' 7 Гн/м ; ^ - відноспз магнітна проникливість матеріалу зразка; Іт - максимальний намагнічу-вающий ток; гс> - циклічна частота; % - поточна координата вздовж товщини зразка; t - час; 3 - глибина проникнення магнітного поля у зразок

де а - питома электричка проводимість матеріала зразка; е - основа натуральних логарифмів. Маючи на увазі однорідність магнітного поля усередині перетворювача та проінтегрирував вираз (1) за поперечиим перерізом зразка з урахуванням того, що пластина плоска, Ь»<і, де (і - товщина зразка, яираз для величини магнітного потоку буде мати наступний вигляд

Bz = Mo Mr “р-е 5 sin (cot -

(1)

(2)

Для визначенії» фази цього потоку зробимо зміну

Я ^ и '

А = —; п та подамо внраа (3) аа допомогою комплексних

І

чисел

* ( х\ <*

2 — £ її СО *-4 ■ ,, 2 _£ _<£

Г а 5 о V 8 4х = Ае% \е 5 Є ё (ІХ,

Ф-А\е 5е

о

О

Ф=_

кЗ ■ 2

.А- 4 —А- {3 \ ( _Л СІ —Л.

11 сое--------е и 6Ш---------------1И < 2} кш— + в и ссе------------------1

23 25 у I 28 25

(4)

(Ь)

Фазу знайдемо як відношення мнимої частини у виразі (5) до дійсної частини

Є 15 ССв(/Л + Є 2,вщ

*9 =--------5----Ш

Є 2* «»(£)-Є 258Іп(^)-1

(0)

Для крайових випадків, коли частота намагничувающого току тягнеться до 0 чи «я, вирази (3) і (6) приймають наступні значення: .

щщ / -» 0 Ф -» А, ф -» 0; .

при У —> со Ф 0, (§ф -» 1, ф -> п/А, що гарно співвідноситься з теорією електромагнітного поля у перетворювачі в феромагнітним виробом. .

Продіференцирував вираз для магнітного потоку за часом, отримаємо формулу для розрахунку едс вимірювальної обмотки

/ IV.

де - кількість вітків вимірюв&льноі обмотки.

Простоти та зручність використання с достойністю вказаних ан-разіп при розрахунках та вимірюваннях по аріннннию з точними формулами отриманими застосовно до перетворювача а плоским виробом без всіяних припущень.

У цьому ж розділі розроблені амплитудний, фазовий та амінно-частотний методи для вимірювання механічних напружень. Ек-сиернмспти здійснювались па зразках викопаних а матеріалів типу ЖР, пержавіючої сталі ІіИ-460, електротехнічної сталі Е3412. Результати експеріментів приводе ні ва мал.2.

При зрівнянні результатів, вилучених рівними методами, видно, що максимальну розрішуючу здібність можливо отримати, використовуючи змінно-частотний мотод, однак він потребує затрат часу для адійсненя окремого вимірювання порівняно а іншими і для його реалізації використовується більш складна апаратура. Тому вибір метода залежить під потреб пред’явлених до-виробів при його застосуванні н реальних умовах. Зокрема амплітудний та фазовий методи зручло використовувати для проведення доцускового контролю механічних напружень н разі гранічних механічних напружень у виробах.

У третьому розділі розглянуті питання побудування математичної моделі з метою визначення оптимальної частоти намагні-

чупающого тока ніхретокового перетворювача, ирн якій буде здійснюватись максимальна розрішуюча здібність пристроїв, роалізу-ючих визпачепп механічних напружень г площиішх феромагнітних виробах.

Базуючись на результатах попередньої глави, була побудована функціональна залежність •

<Р (І ) ~ К ( ДО, ц (І)), ^ОДАЗ...; (8)

К ( І ) - Р ( Г(і), ц (І)), 1-0,1,2,3...»' (9)

до і - момент часу вимірювань.

О 100 200 300 400 СТч,мШ° >0° 200 300 400 аи,мПа

0 100 200 800 <00ОвіМЛд 0 100 200 300 400 ди>мПа

«,кГц

Е= 0.643 в

і.пГц

Е= 2.372 в

60

6!)

40

\ -

N

0 1 00 200 300 4ОО0„,мПаО 100 200 300 400 д,,мПа

Мал. 2

Визначив через X відношення товщини вироби до глибини нроникненя поля, та скориставшись виразами (3) і (7), запишемо рівняння для нормованої едс і фази за виглядом

п = — \І1 + е х - 2е ^ соб-" ; х V . ?

(10)

_ _х ■ _ х

е 2 cos$ + e 2 sin-tg<p =------------------------------.'

-f , -f . „ (11)

e 2 cosf-e 2 Sin-J-

Внрішуючи ці рівняння відвосво X, визначиш), що при "Я—1.5 для амплітудного і вмінно-частотного методів, та при X—1.1 для фазового метода, кут нахилення дотичної до кривих відбиваючих залежність параметрів електричного сигналу, який анімасться а вимірювальної обмотки датчика від аміни параметра X, буде максимальним, як показано на мал.З, Отже, у цих точках буде максимальна дозволяюча здібність і чутливість пристроїв, раалівуючіга ці методи.

Кл - Ktgip

Мал. З

На математичну модель були накладені наступні обмеження:

модель слушна тільки для площинах феромагнітних виробів; для однорідності магнитного поля усередині прохідного електромагнітного перетворювача було внесене допущеня про те. що ширина зразка набагато більше ніж його товщина, і зразок мас достатню довжину І/К 2 10;

припускалось, що зразки мають однаковий хімічний склад, та пройшли однакові режими термічної та механічної обробки.

Наприкінці цього розділу розглянуті питаная оцінки похибок вимірювань механічних напружень в« допомогою електромагнітних методів.

Розрахунки свідчать, що на унругій дільниці похибки по перевищували 6-8%, а при навантаженні 20-70 мПа 1-2%, що свідчить про достатню точність методів. Похибки вимірювань <ти можливо шеппштн на протязі всього інтервалу вміневпя механічних напружень, якщо використовувати більш точну вимірювальну апаратуру, ніж в розглянутому випадку.

В четвертому ровяілі описані основні умови та завдання, які необхідно вирішувати при конструюванні автоматичних інформаційно-вимірювальних систем та запроваджені різні шляхи їх вирішення. Запроваджена функціональна схема автоматизованої системи, яна дозволяє реалізовувати амплітудний, фазовий та аміппо-час-тотний методи вимірювання механічних напружень в площииих феромагнітних виробах. Також описана черга роботи при застосуванні кожного 8 методів.

Розглянута можливість прогнозування фізико-механічних властивостей виробів на основі раніш досліджених зразків з матеріалів тилу ЖР, ЕІІ-450, Е-3412. Таке прогнозування крайніх напружень.у виробах здійснюється за результатами вимірювань 'сигналів перетворювача з виробом при відсутності в ньому'- навантажень та розтрощень, що набагато скорочує час витрачений для контролю

властивостей матеріалів виробів руйнуючими методами, причому основпа частина цього часу використовується на підготовку зразка до проведення вимірювань.

ВИСНОВОК

І

За результатами теоретичних та експериментальних досліджень в дисертації вирішені важливі задачі розробки , електромагнітних методів неруйяуючого контролю механічних напружень з площиних феромагнітних виробах.

1. Отримані прості розрахункові вирази, які описують роботу

електромагнітного перетворювача з плоским феромагнітним виробом для визначення амплітуди та фази магнітного потоку усередині зразка; -

2. На основі отриманих виразів розроблена математична модель для визначення механічних напружень в широкому частотному діапазоні (10Гц < / < ООкГц);

3. На основі теоретичних співвідношень розроблені амплітудний, фазовий та змінно-частотний методи, які дають можливість вимірювання механічних напружень. Встановлено, що амплітудний та фазовий методи корисно використовувати для допускового контролю, а зміпно-частотннй метод - для вимірювання механічних напружень на протязі всього іптервалу розтягування.

■ 4. Проведено аналіз похибок вимірювань механічпих напружень

та визначені оптимальні режими роботи перетворювача. Показано, що при Х=1.б для амплітудного і змінно-частотного методів, ти при Х=1.1 для фазового метода дозволяюча здібність цих методів максимальна. Також показано, що па упругій дільниці похибки не перевищують 5-8%, а при навантаженні 20-60 мі'їа 2-3%, що свідчить про достатню точність методів.

• 16 , б. Роаглянута можливість прогнозуйаяня меж міцності та текучості для рівних феромагнітних матеріалів ва підсумками вимірювальних сигналів перетворювача з виробом без його навантаження.

Основний зміст дисертації опубліковано у таких роботах

1. Бродихип В.М., Ссбко В.П., Горкунов Б.М., Сирснко Н.Н. К мэ морению механических напряжений электромагнитным методом// Дефектоскопия. - 1995. - №7.- С“. 67 - 72.

2. В.П. Себко, Б.М. Горкунов, В.М. Бредихин, Нгуен-Лам-Довг, Нгуен Тхн Тху Ха Электромагнитный метод измерения механических напряжений цилиндрических и плоских изделий. - В.сб.: Международная научно-техническая конференция “проблемы автоматизированного электропривода ( теория и практика )”. - Харьков-Алушта, 1994, С.156.

3. Себко В.П., Горкунов Б.М., Бредихин В.М., Нго Куанг Зунг Электромагнитный преобразователь усилий и веса грузов. - В сб.: I Украинская научно-техническая конференция ’’Метрологическое обеспечение в области электрических, магнитных и радиотехнических измерений”. - Харьков, 1994, С.368.

4. Бредихин В.М., Фролов В.А. Вихретоковые методы для определения физико-механических свойств ферромагнитных изделий и конструкций. - В сб. 2-я Международная конференция “Теория и текинка передачи, приёма и обработки информации". - Харьков-' Туапсе, 1996, С.222.

б. Бредихин В.М., Себко В.ІІ., Фролов В.А. Погрешности измерения механических напряжений электромагнитным методом. Рукопись мес. 11 УкрИНТЭИ, Киев, Ш718-УК-95, 1995, 4с. ,

6. Бредихин В.М., Себко В.П., Горкунов Б.М., Сиреыко Н.Н. определенно механических напряжений электромагиитпым методом.

. Рукопись деп. в УкрИНТЭИ, Киев, №1299-УК-94, 1094, 5с.

7. Бредихин В.М., Фролов В.А. Расчёт погрешности определения механических напряжений электромагнитным методом. Рукодись доп. з УкрИНТЭИ, Киев, №2276-УК-0б, 1995, 7с,

АНОТАДШ .

Бредихин В. М. -А. Разработка методов и средств исследования механических напряжений в плоских ферромагнитных изделиях для использования в автоматизированных системах контроля.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 06.13.0G - автоматизация научных немо-рений. Харьковский государственный технический упиверситет радиоэлектроники. Харьков. 1996.

В диссертации разработаны автоматизированные методы а средства неразрушающего контроля для исследования механических напряжений возникающих в плоских ферромагнитных изделиях на основе использования электромагнитных преобразователен, а такжз приведены результаты экспериментальных исследований. Рассчитаны рациональные но чувствительности режимы работы преобразователя при использовании амплитудного,' фазового и переменно-частотного методов. Предложенные методы будут полезны при необходимости оценить фактическое напряжённое состояние плоских ферромагнитных изделий.

SUMMARY *

‘ 1 * • ■

Brcdixin V.M, -A. The creation of methods and means of the investigation of mechanical tension in the flat ferromagnetic manufactured 1’or uning' in the automatic control systems.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of tehnical sciences on speciality 05.13.06 - automatization of ecientyfic investigation. Kharkov state technical university of radioelectronics, Kharkov 1696.

Automatic methods and means of the non-destructive testing for investigation of the mechanical tensions in the flat manufactured on tlie basis used electromagnetic alteration are developed, and also results of experimental research are indicated in the dissertation. Rational for sensitiveness regimes works alteration for ampletud, phase and change-frcquentes methods are calculated. The offered methods will be useful in that case, when neccssary estimate real tension conditions flat ferromagnetic manufactured.

Ключові слова: прохідпий електромагнітний перетворювач,

площин ий вироб, магнітна проникливість, магнітний потік, точ-ність вимірювання, частота, амнлитудй, фаза,автоматична інформа-ційио-вимірюнпльиа система.

Броді хін Володимир Михайлоикч

РОЗРОБКА МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ НАПРУЖЕНЬ В ПЛОЩИНИХ ФЕРОМАГНІТНИХ ВИРОБАХ ДЛЯ ЗАСТОСУВАННЯ У АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЮ

АВТОРЕФЕРАТ дисертації па адобуттп паукового ступеня кандидата технічних наук

Відповідний еп випуск Фролов В.О.

Підписано до друку <Р9.96р. Друк. арк. і • Формат 60x84/16. Папір друкарський. Тираж ІОО Замоалвння 82/8?й . Друкарня ХВУ

М.Свободи, 6