автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка средств и метода магнитных шумов для контроля механических напряжений в плоских изделиях из ферромагнитных сталей

На правах рукописи

АРАКЕЛОВ Павел Георгиевич

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДА МАГНИТНЫХ ШУМОВ Д ЛЯ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1 окг гт

005536462

Москва — 2013

005536462

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электротехника н Электроника» МГУПИ Филинов Владимир Викторович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электротехника н интроскопия» НИУ «МЭИ» Покровский Алексей Дмитриевич

кандидат технических наук, начальник лаборатории, заместитель начальника экзаменационного центра НУЦ "КАЧЕСТВО" Тарасенков Георгий Андреевич

Ведущая организация:

ООО «ГлавДнагносгака»

Защита состоится 29 октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.119.01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ Автореферат разослан 28 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, Д.Т.И., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. В условиях постоянно стареющего парка машин н механизмов остро встает вопрос о возможности проллення сроков эксплуатации отдельных узлов н деталей, а также контроль нх остаточного ресурса. Одним из способов контроля остаточного ресурса является контроль напряженного состояния ферромагнитного металла, применяемого для изготовления ответственных деталей п узлов. Применение научных методов для решения этой проблемы позволяет влиять и регулировать напряженное состояние металлоизделий и существенно увеличить надежность и долговечность техники, ее технологичность н ресурсоемкость при производстве н эксплуатации, что подтверждает актуальность проблемы.

Ввиду масштабности и сложности технологического процесса производства и сложных условий эксплуатации изделий го ферромагнитных металлов наиболее эффективным способом анализа и регулирования механических напряжений является подход, при котором производится контроль напряженного состояния изделий из ферромагнитных металлов на всех этапах технологического процесса. Таким образом выявляются детали в недопустимым уровнем механических напряжений и производить их выбраковку или технологическую доработку.

Решение данной задачи возможно с применением как традиционных методов неразрушающего контроля, так н с помощью развития сравнительно новых методов, таких как метод эффекта Баркгаузена (ЭБ) или, как его еще называют, метод магнитных шумов (МШ).

Отличительными особенностями данного метода неразрушающего контроля от других электромагнитных методов: источником электромагнитного излучения является сам контролируемый объект по причине перестройки его доменной текстуры: большая локальность контроля, обеспеченная малой величиной объема скачкообразно перемапшчнвающейся области — от 10до 10'10 см3; возможность снимать информацию в аналоговом или цифровом виде даже с очень тонких слоев образцов.

Эти особенности позволяют найти новые пути решения задачи контроля механических напряжений в деталях н разработки новых средств и методик контроля.

Широкое развитие в неразрушаюшем контроля (НК) получил метод магнитных шумов. Большой вклад в становление этого метода внесли работы Н.Н Колачевского, В.М. Рудяка, В.В. Клюева, Э.С. Горкунова, В.Е. Шатерникова, Г.В. Ломаева, В.Е. Щербинина, В.В. Поповой, ВЛ. Вешрнновнча, В.В. Фнлинова, Н.С. Кузнецова, а также зарубежных исследователей - Ц. Гарднера (США), И. Шродера (США), И. Бартона (США), Л. Карьялайнена, 1С Тнгго (Финляндия), Дмнтровича Д.В. (Беларусь) н т.д. Вместе с тем, распространенность н применение метода МШ в промышленности не соответствует возможностям этого метода НК и требует комплексного решения исследовательских, конструкторских н методических задач. К нх числу относятся вопросы более глубокого исследования взаимосвязи параметров сигналов МШ с механическими напряжениями и структурными изменениями в конструкционных высокопрочных

сталях, методическое обеспечения, исследования различных принципов построения приборов н первичных преобразователей.

В связи с этим, работы направленные на создание средств и методик контроля механических напряжений в высокопрочной конструкционной стали на основе метода МШ, являются актуальными.

Целью диссертационной работы является создание средств и методов контроля механических напряжений в изделиях нз ферромагнитных сталей методом МШ. Для достижения поставленной пели в работе решались следующие задачи:

• провести анализ закономерностей изменения параметров сигналов магнитных шумов в зависимости от уровня механических напряжений в металлах;

• экспериментально исследовать взаимосвязи параметров сигналов МШ на плоских образцах нз ферромагнитных сталей;

• определить новые алгоритмы обработки н информативных параметров сигналов МШ;

• исследовать влияние электромагнитных помех, вызванных работой промышленного и бытового электрооборудования, а также повышение точность измерении и помехозащищенность регистрации сигналов МШ.

• разработать принципы построения аппаратуры н методов контроля механических напряжений на основе использования МШ;

• исследовать плосконапряженное состояние длинномерных и плоских металлоизделий.

Методы исследования. Научные исследования были проведены с привлечением методов математического моделирования н уравнений матфнзикн. Результаты теоретических положений были проверены экспериментально с использованием механических методов испытаний, статистических методов обработки экспериментальных данных. Новые научные результаты.

1. Разработана методика расчета текущих энергетических характеристик МШ Показано, что параметр Пыш, равный максимальному значению сигналов МШ отражает энергетические свойства МШ. Это позволяет повысить достоверность н повторяемость результатов контроля напряжений, в частности, при использовании в связке с такими параметрами, как текущее значение перемагничнвающего тока 1т.

2. Исследованы зависимости параметров сигналов МШ от уровня напряжений в высокопрочных сталях. Доказана возможность использования единой, в пределах марки стали, зависимости параметров МШ (С/щь 1„) от механических напряжений в случае контроля деталей из углеродистых н легированных сталей.

3. Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ, основанные на применении различных методов цифровой обработки и фильтрации сигналов принципы построения средств н алгоритмов контроля напряженного состояния деталей нз высокопрочных сталей, основанные на применении новых параметров, таких как общее количество выбросов СБ и их суммарная длительность,

связанных с нх совместным использованием, которые повышают точность н повторяемость результатов контроля напряжений.

4. Разработан сканер, представляющая собой трехкоордннатный манипулятор с закрепленным преобразователем, управляемый с ПК, предназначенный для исследования плоских образцов из ферромагнитных металлов. Его применение в задаче контроля плосконапряженного состояния позволяет получить целостную картину распределения напряжений.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Теоретические и экспериментальные исследования МШ при нагруженин высокопрочных сталей позволили разработать методику контроля и микропроцессорный прнбор «МШ-1» для оценки уровня механических напряжений в изделиях из высокопрочной конструкционной стали.

2. Предложены новые информативные параметры — Rn Р, повышающие достоверность и качество контроля механических напряжений в высокопрочных сталях.

3. Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ. основанные на применении быстрого преобразования Фурье для возможности фильтрации полученного сигнала, различные цифровые фильтры для обеспечения стабильности измерений регистрируемых параметров, программные средства для персонального компьютера и микропроцессорный вариант помехозашншенного прибора для контроля механических напряжений методом МШ — «МШ-1».

4. Результаты работы реализованы в виде микропроцессорного варианта прибора контроля методом МШ н использованы на предприятиях машиностроительной отрасли, например, в ООО «ГлавДиагностика».

Личный вклад автора. Основные научные результаты, представленные в диссертационной работе получены автором самостоятельно. Ведущая роль выполненных в соавторстве работах принадлежит соискателю.

Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 106 наименований, приложения и изложена на 117 страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками и 13 таблицами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 14-тн печатных работах, го них в списке ВАК 3 работы и обсуждены на 3-х международных конференциях — 5-й, 6-й и 10-й Международной выставке и конференции «Неразрушающнй контроль н техническая диагностика в промышленности» в г.Москва в 2006,2008 и 2010 годах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета текущих энергетических характеристик МШ. Показано, что параметр Uteu, равный максимальному значению сигналов МШ, отражает энергетические свойства МШ

2. Разработанная методика градуировки приборов для оценки уровня напряжений в высокопрочных сталях, в частности, в высокопрочных конструкционных сталях.

3. Принципы построения и схемотехнические решения, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие разработку прибора (индикатора механических напряжений) на базе цифрового сигнального процессора, для контроля МН.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассмотрены проблемы и перспективы применения метода МШ для контроля механических напряжешш (МН) в изделиях из ферромагнитной стали.

Связывающим воедино всю систему управления МН звеном, является проблема контроля МН, по результатам которого проводится корректировка технологии изготовления изделия на этапе ее разработки, отбраковка изделий с недопустимым уровнем напряжений в процессе производства, диагностика состояния металлоконструкций в процессе их эксплуатации и хранения.

Анализ показал, что в подавляющем большинстве случаев технологической пооперационной металлообработки сопутствующие изменения свойств возникают в поверхностных слоях глубиной до 300 мкм, при этом МН могут достигать величины до 1 ГПа.

В таких условиях, одной нз ключевых задач оценки технологических МН в поверхностном слое металлоизделий является использование метода НК избирательно чувствительного к изменению физико-механических свойств в тонких слоях. Таким методом является метод МШ. Энергетические и эмиссионные характеристики МШ определяются скачками Баркгаузена (СБ), обусловленные перестройкой магнитной текстуры поверхностного слоя ферромагнетика при его циклическом перемагничивании и зависят от уровня МН, порождаемых тепловым воздействием, структурно-фазовыми изменениями, упругой и пластической деформацией, в ходе технологического процесса металлообработки.

Анализ информативных параметров магнитных шумов (МШ) позволил выделить основные области применения метода МШ в НК:

• контроль структурного состояния, размера зерна;

• контроль физнко-механическнх свойств;

• контроль механических напряжений;

Проведен анализ существующих приборов, основанных на основе метода МШ нх достоинств и недостатков, а также областей их применения.

Показано, что вопросы теоретического описания параметров МШ находятся в отрыве от практики НК и требуют проведения дальнейших исследований, целью которых должна стать разработка физической модели, связывающей параметры МШ с уровнем напряжений в ферромагнетике.

Также в первой главе диссертационной работы сформулированы цели и задачи исследования, намечены пути их решения

Во второй главе проведен расчет спектральных характеристик МШ в зависимости от механических напряжений в изделиях из ферромагнитной стали.

Для рассмотрения вопроса о взаимосвязи внутренних напряжений в металле с характеристиками выходных сигналов преобразователей необходимо определить характер влияния изменения этих напряжений на необратимые процессы смещения доменных границ.

Известно, что спектр полезного выходного сигнала при циклическом перемагничнваюш в основном определяется числом скачков Баркгаузена (СБ) за один полупернод перемагничивания N н спектром единичного СБ.

Обычно количество СБ определяют экспериментальным путем на образцах нз ферромагнитной стали. Теоретический расчет числа скачков затруднителен большим числом факторов, влняюшнх на количество источников необратимых смещений доменных границ в ферромагнитном материале.

Выводя уравнение ЭДС. наводимой в измерительной катушке при скачке Баркгаузена, предполагаем следующую последовательность действий:

а) запишем уравнение распределения элекхромагннтного поля внутри ферромагнетика, созданного витком с током, расположенным у поверхности ферромагнетика;

б) заменим переменный магнитный диполь т(0 внутри ферромагнетика, эквивалентный магнитному моменту области СБ, контуром с током, ограниченным площадью 50, так что »и(/)=5Ь/(/);

в) найдем потокосцепленне с выбранным эквивалентным контуром;

г) пользуясь принципом взаимности, запишем полное магнитное потокосцепленне у/ с измерительной катушкой, обусловленная магнитным моментом т(0 области СБ;

д) по известному соотношению е(?)=—^^ находим для ЭДС, наведенной в

а/

измерительной катушке при скачке Баркгаузена.

Для начала запишем уравнение задачи для металлического ферромагнетика как уравнение параболического типа в следующем виде:

Т72гг ЗЯ

У-//=ди0<Т0—, (1)

где: //- обратимая проницаемость образца;

уМ)-4 Л* 10"7 Гн/м - магнитная постоянная в системе СИ;

Со - проводимость ферромагнетика.

Для упрощения расчета предположим, что исследуемая область СБ находится далеко от краев образца, влияние размагничивающего фактора считаем пренебрежимо малым (габаритные размеры образца достаточно велики по площади и тонкие), а ферромагнитная среда является изотропной н однородной, то есть мы не будем учитывать наличие других доменов в исследуемом образце.

Таким образом мы получаем следующее - интересующее нас поле совпадает с полем, возникающим внутри длинного ферромагнитного цилиндра после изменения внешнего однородного поля вида

Л, (О = #0[1 - с-" {eltpt + —shpi )] , (2)

Р

где На- величина напряженности магнитного поля образца при полном изменении магнитного момента m(t). Граничное условие запишется в виде

// (г0,/) = Нл[схе~"т' +1 + + ] (></£-, (3)

Я(г,0)=0, OSrSr0, (4)

где: г0- радиус цнлтщ>а; Т, - 0.5<Тг6,гор/Ха - постоянная времени экрана;

Таким образом окончательное выражение для распределения магнитного поля от СБ в экранированном ферромагнитном цилиндре примет следующий вид

г, l-T3lTt j_____J__

' ПК.

ТМ+Р) (5)

Ту(п-р)

Как видно из формулы (5), чем больших значений достигают постоянные времени и т3, тем сильнее оказывается влияние поверхностного эффекта н экранирование покрытием на процесс распространения магнитного пата в исследуемом образце.

Для практического использования формулы (5) и малых значений времени / количество членов ряда следует брать порядка 10...20, для больших значений / — 1...3 члена. Из этого следует, что от выбора количества членов ряда будет зависеть точность измерения. По полученной формуле были проведены расчеты для различных ферромагнитных образцов с различными покрытиями.

ЭДС СБ в экранированном ферромагнитном цилиндре, наводимую в измерительной катушке, можно найти из следующего выражения

—{e"tlTi -e^chp^+i—+Р2 -п1 Wz/л J0\ nL)

+-)Y>i*_U_J___V >Ь)

ы (1 /тк-п)2-р2 ' пмп)

(6)

где 4 К {К~■-•)- амплитуда импульса ЭДС; - его форма;

р

По выражению (6) были составлены программы на объектно-ориентированном языке "ОерЫ ХЕ". Результаты проведенных расчетов для цилиндрических ферромагнитных образцов с использованием данных программ изображены в виде рисунках 1,2,3.

0 4 8 12 16 20 ШС

Рисунок 1. ЭДС СБ С,(0 при различном местоположении области СБ, где 1 - г/г„ = 1 ;

2- г/гв = 0,75;

3- г/г„ - 0,5;

4- г/г„ ~ 0. п = 5*109 Гц;

р~ 4,9*10* Гц;

ц= 100; р„ ~ 4 Я* 10"7 Г/м; СТ„= 1,5* Ю5 Ом/см"; г„ = 0,15мм;8, = 0.

На рисунке 1 приведены изображения импульсов ЭДС СБ е\Ц)

местоположение областей которых заданы соотношением —, где г- расстояние от

Г»

оси образца до области СБ; гп - радиус образца; при этом считается, что все области СБ имеют одинаковый магнитный момент, равный т(0. Из представленных графиков становится очевидно, что площади импульсов равны между собой, а изменяются только их длительность и амплитуда. Причем импульсы, наводимые от СБ, происшедших в непосредственной близости от поверхности образца, обладают большей амплитудой и меньшей длительностью, чем импульс от СБ, происшедший в глубине. Это происходит вследствие того, что в глубинных слоях ферромагнетика экранирующее влияние вихревых токов на СБ сказывается значительнее, чем в поверхностных.

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

-Ш-

А1

и

1

0 О § £

4 8 12 16 2

Рисунок 2. ЭДС СБ с,(О при различных ГоТЩоСТо. п 5*10ч Гц; р= 4,9* 10'Гц; г/г„= 0,5; 8Э = 0. 1- г02цЦоСТ0 = 0,12 я мкс;

2- г^^СТо " 3 Я мкс;

3- г02рЦ<,оо - 12 и мкс;

4- Г0~Ц[1оОо = 30 я мкс.

£ МКС

1,0

-вШ Ai

0,4

( V

\

\

1 J £

У 3

0 4 £ 12 16 2

Рисунок 3. ЭДС СБ при различных

1-т,-0,5*10'7 яс;

2-х, — 1Д*10'7лс;

3-х, - 1,8*10'7 я с „ = 5*ю9 Гц;

р = 4,9*109 Гц; г/г„ = 0,5; Го^фоОо - 0,12 мкс.

В очень тонких образцах, когда влияние внхретокового эффекта на распространение электромагнитного поля от СБ пренебрежимо мало, ЭДС СБ согласно (6) запишется в следующем виде

1-,(0 = -\W\hpt. р

Приняв п»1, что обычно для металлов выполняется, и, пренебрегая малыми значениями более высокого порядка, чем у, получим

А в спектральной области запишем в виде

I1

(7)

ты)-

4н"

(8)

где параметры пи/ выражаются через коэффициенты уравнения движения доменной границы.

На форму импульса ЭДС, наводимого в измерительной катушке СБ, большое влияние оказывает реакция вихревых токов, определяемая электродинамическими характеристиками (обратимой проницаемостью удельной электрической проводимостью Об) материала ферромагнитного образца и проводящего покрытия. При изменении постоянной времени ферромагнитных материалов Ц. будет изменяться характер «.'(0-

При увеличении постоянной времени проводящего покрытая имеет место уменьшение амплитуды импульса ЭДС СБ и увеличение его длительности. На рисунке 4 приведены импульсы ег(1) в цилиндрическом ферромагнетике, у которых г, - O.Sa^sjj/j, изменялась для металлов в пределах (0,1 - 2) Я"мкс. при

Рисунок 4. Зависимость ЭДС СБ е2(0 от толщины алюминиевого покрытия при г/г0 = 0,5. г02цро(Т„ -0,12 л мкс.

I, тс

Подробнее остановимся на вопросе практического применения формулы (8). Основные трудности при расчете возникают с оперированием ряда и использованием функций Бесселя. Для ориентировочных расчетов можно ограничиться при больших I до 2...3 членов ряда, при малых / - 10...20. В наших расчетах по приведенной программе сумм!ронялось 60 членов ряда при погрешности вычислений, составляющей 10"*.

Для инженерных расчетов удобно пользоваться не аналитическими выражениями е\0) и а их аппроксимациями. Из анализа формул для е(1) и физической природы импульса ЭДС СБ следует, что наиболее удобна аппроксимация суммой показательных функций.

ЭДС с,0) может быть представлена как

= Д(е*-е*\ IгО.

еф

(9)

где .1, =0.5//о»/,/ц,л:г;А.-

" р-а'

ЭДС с2(/) аппроксимируется следующим выражением

(/}-а)(г-а) (а-Мг-Р)

---], I г о

(,а-гХр-ГУ

(10)

где Л2 = 0.5м>йа„КГг1СГп1сфу.

В случае тонких цилиндрических образцов, или при г —» гп, когда СБ регистрируются в основном с поверхностных слоев, в формуле (8) суммой ряда можно пренебречь. Тогда при 4=0 формула автоматически преобразуется в сумму двух показательных функций, а при 8, Ф 0 — в сумму трех показательных функций: с а=п-р,/3 = п+р,у=1/т,.

В большинстве случаев коэффициенты уравнения аппроксимации а, Д у определяются численными методами, к примеру, методом наименьших квадратов.

Для всех выше рассчитанных по аппроксимирующим формулам импульсов СБ нх "среднее отклонение" не превышало величины 1-Ю"5, что вполне удовлетворяет инженерной практике. Кроме того, сравнение экспериментально полученных импульсов ЭДС СБ с рассчитанными по предложенным формулам показало, что они могут быть применены для инженерных расчетов с приемлемой для практического применения точностью.

В третьей главе было проведено экспериментальное исследование напряжений в образцах из стали 03НГ7К10В10МТ, а также выполнены предварительные экспериментальные исследования пластин из кремнистого железа н никеля. Данные виды материалов были выбраны за счет их физических свойств: отрицательной н положительной магнитострнкцин. Размеры образцов составляют 10х2()0 мм и толщиной 0,4 мм для кремнистого железа и 1,5 мм для никеля.

Испытания проводились на базе МГУПИ в лаборатории разрушающего контроля. В качестве оборудования использовались разрывная машина УТС-110-100, которая позволяет создавать нагрузку до 103 Н. Исследование взаимосвязи параметров магнитных шумов с механическими напряжениями осуществлялось с помощью разработанного в МГУПИ прибора АФС-3. Прибор имеет функцию измерения энергетических н эмиссионных характеристик. Исследования проводились с помощью преобразователя проходного типа при частоте перемагничивания 1 Гц при максимальном размере петли гистерезиса Направление перемагничивания совпадало с направлением нагрузки, что обеспечивало наиболее высокую чувствительность к приложенным напряжениям.

С целью исследования зависимости параметров магнитных шумов от величины напряжений в конструкционных сталях при упругопластнческом деформировании, а также влияния на эти параметры предварительной пластической деформации в экспериментах использовались две схемы нагружения образцов: нагруженне последовательно возрастающей растягивающей (сжимающей) нагрузкой н нагруженне по схеме нагрузка — разгрузка с последовательным увеличением растягивающей нагрузки.

Была получена зависимость уровня МШ от упругих растягивающих н сжимающих напряжений на примере марки сплава Ст.60. Пример полученной зависимости представлен на рисунке S.

Эксперименты показали, что уровень l/иш вдоль оси действия нагрузки возрастает при росте этой нагрузки и убывает в направлении перпендикулярном направлению действия нагрузки. Следует отметить, что относительное изменение величины МШ при регистрации в образце поперек его оси нагружения составляет примерно 0,3 от такого же изменения прн регистрации вдоль оси нагружения. С учетом того, что прн одноосном нагружешш деформации вдоль и поперек оси нагружения связаны между собой коэффициентом Пуассона ( V), величина

200 400 600 800 <г, .МПа

Рисунок 5. Зависимость среднеквадратнческих значений МШ- Uum от упругих растягивающих н сжимающих, напряжений в Ст. 60

т т т то о„, нпи Рисунок 6.. Зависимости параметров Е и 1р от растягивающих напряжений для образцов из стали

03HI7K10B10MT с разной твердостью: 1 -НВ = 209; 2 -НВ = 348; 3 — НВ - 467.

которого близка к 0,3, то можно сделать вывод о том, что именно деформация кристалла влияет на доменную структуру исследуемого ферромагнетика и это приводит к изменению параметров сигналов МШ. На первом этапе нагружения (до 0,7 сг„2) величина U^au нарастает по закону очень близкому к линейному. Аналогично уменьшается величина 1р. При увеличении приложенных напряжений в диапазоне от 0,7 аь г до 0,9 ст0 , скорость изменения как Uia¡, так и 1р снижается, а при напряжениях близких к ай г зависимость приобретают экстремальный характер. Такое поведение параметров положения максимума огибающей МШ объясняется одновременным изменением как эффективной кристаллографической анизотропии ( К+Лет.) прн увеличении а., так и параметра S, в результате протекания процессов сначала микропластической (« до а„л), а

затем н пластической деформации.

Исследования зависимостей параметров положения максимума огибающей МШ от напряжений в образцах конструкционной стали 03Н17К10В10МТ, графики которых приведены на рисунке 6 показало, что эти зависимости имеют высокую степень сходства с зависимостями, полученными прн нагружешш образцов Сг.60.

Отличительные особенности, позволяющие реализовать метод МШ контроля напряжений в изделиях из высокопрочной стали 03Н17К10В10МТ:

- высокие прочностные характеристики н широкий диапазон линейных изменений измеряемых параметров Uxan и 1Р\

" а) б)

Рисунок 7. Кольцо для расклинивания (а) и эпюра нормальных напряжений (б) возникающих при расклинивании.

40

Е,

......— 1 ( Н, т *

КО 12Л 1М) о. МПа л.

—

3—д -........- г,.

КО 120 160 а. МПа

б.

Рисунок 8. Зависимости значений Е от приложенных напряжений: а — осевые напряжения; б — тангенциальные напряжения. Ео — перемагннчнвание в осевом направлении Ет - перемагннчнвание в окружном направлении Ее - круговая диаграмма перемагничивания.

- малые изменения 1!цш и 1р в рабочем интервале температур старения (до 500°С).

Так как использование методики плоского нагружения ферромагнитных образцов для градуировки приборов, таких как АФС связано с трудностями, то была разработана методика на основе колец из стали 03Н17К10В10МТ (рисунок 7).

Напротив риски, по которой в дальнейшем разрезали кольца, на противоположной наружной стороне кольца (рисунок 7, точка В) измеряли значения параметров МШ. После разрезки кольца проводилось повторное измерение параметров в той же точке. Также производился замер следующих физических параметров: ДЬ - изменение ширины паза, ДЕ - изменение сигнала МШ до (Е0) и после (Е,) разрезки кольца, Ь - ширина паза после разрезки кольца.

Зависимость ДЕ/Ео от ДЬ/Ь„ показана на рисунке 8. На трафике видно, что наблюдается линейная зависимость относительных величин изменения зазора кольца и изменения уровня сигнала МШ на противоположной наружной стороне кольца.

Рисунок 9. Зависимость Е от величины механических напряжений при расклинивании и сжатии колец с различной термообработкой:

1 - закаленное;

МПа 2, 3 - состаренные с разным режимом.

На рисунке 9 приведены графики зависимости Е = ) (а), полученные при расклинивании колец. Параметры сигнала МШ замерялась на наружных слоях сечения кольца напротив паза. Из данных графиков видно, что при растягивающих напряжениях очень хорошо наблюдается линейная зависимость, а при небольших сжимающих напряжениях происходит излом графика.

Используя данную зависимость признается возможным использование данного метода градуировки приборов неразрушаюшего контроля для создания качественных систем и методик оценки уровня механических напряжений.

В четвертой главе рассмотрено исследование влияния электромагнитных помех, новые принципы построения приборов и совершенствование средств на основе эффекта Баркгаузена для контроля механических напряжений в изделиях из ферромагнитных металлов.

Экспериментальные исследования и макетирование позволило создать новый прибор - МШ-1. общая блок схема которого представлена на рисунке 10.

Рисунок 10. Структурная схема прибора МШ-1 и его внешний вид

Основной новизной разработанного прибора является использование быстродействующего сигнального микроконтроллера (рисунок 11) в связке с управляемым усилителем и ФНЧ 10-го порядка, позволившим снизить уровень наводимых бытовой и промышленной техникой электромагнитных помех. Также был сделан вывод, что использование предварительного малошумящего инструментального усилителя позволяет значительно повысить помехоустойчивость прибора.

Нашюо рагкпы

Ч. ___J

т~

С га»» пкриида первмжмичнмиий

Рисунок 11. Алгоритм обработки регистрируемых параметров сигналов МШ с помощью микроконтроллера 8ТМ32Р на ядре СоПех-М4.

Охэмчлпие

I Л»

Использование современной элементной базы дало возможность:

• упростить принципиальную схему прибора по сравнению с приборами типа «АФС-3» и «ПИОН»;

• увеличить надежность и уменьшить массогабаритные характеристики, а также потребляемую мощность, что дает возможность создавать портативные приборы на базе разработанной модели;

• значительно расширить число одновременно измеряемых параметров МШ (свыше 6 параметров), повысить точность оценки МН в изделиях из ферромагнитных сталей на величину не менее 15%;

• обрабатывать и передавать зарегистрированные параметры МШ в персональный компьютер по высокоскоростному интерфейсу USB 2.0.

Проведены исследования по выбору оптимальной конструкции первичного преобразователя, регистрации как полезного сигнала, так и наводимых помех. В результате выполненных работ была разработана принципиальная электрическая схема усилительного каскада, позволяющая полностью избавиться от высокочастотных помех без ущерба для регистрируемого полезного сигнала. Основная идея заключается в расположении в первичном преобразователе малошумяшего дифференциального усилителя, который позволил минимизировать наводимые на сигнал шумы в процессе его передачи в прибор на второй каскад усиления и фильтры. Использование отдельного

C!k*>'

переменным

Обработка

HOCtyrMWHkns данным из АЦП

Otrtiyrt^ttift ta&ntu ЦАТ!

вдеяиспоние тарлметров вммапвв Mill. ЗГячльтрии.мя

Характеристики сканера

Интерфейс LPT

Тип привода Шаговый

Число шагов на оборот 400

Шаг ходового винта, мм 1

Минимальный шаг сканирования, мм 0,025

Максимальная скорость перемещения каретки, мм/с 4

Максимальный рабочий объем, ДхШхВ, мм 340x370x370

Рисунок 12. Обший вид трехкоордннатного сканера «СтрессСкак»

Проведена разработка сканирующей системы, обгони вид которой представлен на рисунке, позволившей провести сканирование плоских изделий из ферромагнитных металлов, общий вид которой представлен на рисунке 12. Технические характеристики системы позволяют проводить точные (разрешение до 0,025 мм) перемещения первичного преобразователя. Управление системой осуществляется с персонального компьютера (ПК) через LPT порт. Также на ПК осуществляется передача данных из прибора и производится их дальнейшее сохранение на жесткий диск ПК и обработка.

Сканирование осуществляется по следующему алгоритму: сначала закрепляется контролируемое изделие на предметном столе, затем к нему подводится первичный преобразователь. В программе управления сканером задается размер поля и шаг сканирования. Далее программа автоматически собирает траекторию движения датчика и начинает пошаговое движение первичного преобразователя. После каждого перемещения в прибор передается команда включения режима перемагничивання, затем производится измерение параметров и последующее выключение с автоматическим размагничиванием первичного преобразователя, чтоб исключить помехи при движении каретки сканера.

высокопроизводительного сигнального процессора для обработки регистрируемого полезного сигнала позволило реализовать алгоритмы цифровой

Для примера на рисунке 13 представлено фото образца сварки двух железнодорожных рельсов. Место сварки зашлифовано по поверхности катания н выровнено по шейке и подошве. Рельсы представлены двумя различными плавками металла, что обусловило небольшое различие в характеристиках. Результат сканирования вдоль направляющей по шейке рельса представлен на рисунке 14. Стоит отметить, что одни рельс имеет твердость по шейке в среднем 330 единиц по шкапе Бринелля, а второй - 340.

Рисунок 13. Фото образца сварки двух железнодорожных рельсов

Рисунок 14. Результат обработки сканирования вдоль шейки рельса.

1200 1000 аоо э 6« 400 200 0

Из рисунка 14 видно, что уровень сигнала несколько различается для каждого рельса, но в районе стыка наблюдается всплеск уровня напряжений. Это обусловлено тем, что в результате сварки в месте стыка наблюдается понижение твердости металла, а, следовательно, уровня напряжений.

Также сканер успешно применяется для исследования дефектов на поверхности плоских изделий с использованием таких приборов неразрушаюшего контроля, как ВД-96 н ВД-103 «ГАЛС» (рисунок 15 и 16). В частности, представлена развертка поверхности болта при использовании специального вращательного модуля. Использование третьей координаты (2) позволило регулировать высоту расположения первичного преобразователя над поверхностью лопатки по обратной связи, что позволяло сканировать сложную по геометрии поверхность изделия, например, лопатку реактивного двигателя самолета.

Рисунок 15. Развертка поверхности болта с трещиной.

Рисунок 17. Перебитый номерной знак.

Рисунок 17 примечателен тем, что благодаря применению сканирующей системы стал виден скрытый под слоем краски перебитый номер на кузове автомобиля, что не всегда возможно при визуальном и ручном контроле внхретоковым методом.

Рисунок 16. Лопатка турбины с

Рисунок 18. Титановая пластина трещиной.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально исследовано влияние механических напряжений в изделиях нз мартенснтностареющей стали 03Н17К10В10МГ на параметры магнитного шума. Было установлено, что при оценке напряжений с большей точностью целесообразно использовать текущие, а также средние значения энергетических и эмиссионных характеристик магнитного шума - Umn, hi-

2. Разработаны алгоритмические и программные средства для микропроцессоров прибора и для ПК, предназначенные для обработки (осреднение, фильтрация, разложение в ряд Фурье) параметров сигналов магннтошумового контроля повышающие точность их измерения, а также дающие возможность нх сохранения в памяти ПК.

3. Сформулированы принципы построения помехозащнщенного прибора, разработано его схемотехническое решение и построен сам прибор (индикатор механических напряжений) на базе цифрового сигнального процессора на базе новейшего процессора семейства ARM Cortex М4, который позволил значительно уменьшить уровень шума, наводимого импульсными источниками питания электроники и наводками от линий электропередач, а также расширить число одновременно измеряемых параметров магнитного шума, производить нх обработку за меньшее время, повысить точность и достоверность оценки механических напряжений в изделиях нз высокопрочной стали 03Н17К1 OB 1ОМТ.

4. Даны рекомендации по конструкции первичных преобразователен для регистрации параметров МШ, в частности, предложено располагать первичный усилительный каскад непосредственно в корпусе первичного преобразователя с измерительной катушкой, что уменьшает уровень наводимых электрическими бытовыми и промышленными приборами помех, вызванных электромагнитным загрязнением окружающей среды и повышает точность измерений.

5. Разработана сканирующая система — многофункциональный трехкоордннатнын сканер «СтрессСкан», управляемый с ПК, позволяющий составлять карты распределения напряжений для плоских изделий на основе регистрации сигналов MLLL

6. Показано, что разработанная сканирующая система способна работать с другими видами неразрушающего контроля, такими как электромагнитный метод, что позволяет создавать карты сканирования цилиндрических и плоских изделий нз металлов с обнаруженными дефектами, такими как трещины, расслоения, уменьшения толщины, таким образом дается возможность обнаружить малозаметные дефекты и повышает надежность н качество контроля.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

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

1. Информационная система для магнитошумового контроля механических напряжений / В.В.Филинов, П.Г.Аракелов, Г_А.Дндин //Журнал «Приборы» №11, Москва, 2010. с.32-36.

2. Разработка новых информативных параметров при контроле напряженного состояния ферромагнитных металлов на основе регистрации магнитных шумов перемагннчивання./ В.В.Фнлинов, П.Г.Аракелов // Контроль. Диагностика. №5, май, 2013, с. 28-31.

3. Вихретоковый струкгуроскоп ВС-7 / Г.А. Дндин, П.Г. Аракелов, П.Н. Шкатов // Журнал «Приборы» №10, Москва, 2011. с.22-25.

Публикации в других научных журналах и изданиях

4. Система магннтоакустнческого контроля механических напряжений / П.Г.Аракелов, АЛ. Филинова, И.В.Рукавишннков //5-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Тезисы конференций, М.: Машиностроение, 2006, с. 146

5. Информационно-измерительная система для магннтоакустнческого шумового контроля /П.Г. Аракелов, В.В.Фнлннов, //6-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Тезисы конференций, М.: Машиностроение, 2007, с. 106-107

6. Магннтоакустическнй шумовой контроль механических напряжений /П.Г. Аракелов, //Вестник молодых ученых №1, МГАПИ,2007.

7. Информационно-измерительная система для контроля механических напряжений в изделиях из ферромагнитных сталей / П.Г. Аракелов, В.В. Филннов//Вестннк МГУПИ №11,2008. с. 28-34.

8. Система неразрушаюшего контроля для комбинированного магнитного и магнитно-акустического метода оценки механических напряжений в изделиях/ П.ГАракелов, В.Е. Шатерннков, АЛ.Фнлинова С.В.Юпоев // Тезисы докладов 18-й Всесоюзной НТК «Неразрушающий контроль н техническая диагностика», Нижний Новгород, 2008, с. 109

9. Использование метода эффекта Баркгаузена при коетроле усталостных напряжений / П.ГАракелов, В.В.Фнлннов, A.B. Филинова //Вестник МГУПИ №23,2009, с. 65-71.

10.Hardware-sofhvare complex «Training apparatus of the operator of devices of nondestructive testing» / Shatemikov V. E, Didin G. A, Filinov A.V., Arakelov P.O. // 10th European Conference on Non-Destructive Testing, 2010, s.157.

11. Исследование влияния термообработки на электрофизические свойства статей / П.Г. Аракелов, ПЛ. Шкатов, Г.А. Дндин. // Вестник МГУПИ №35, серия «Приборостроение в информационные технологии», 2011. с.65-70.

12.Информационно-измерительная система для контроля механических напряжений в сталях /П.Г.Аракелов, В.В. Филинов, А.И. Мопанько Н Вестник МГУПИ, Москва, №41, серия «Приборостроение и информационные технологии», 2012, с.51-58.

13.Разработка программно-аппаратного комплекса для конгроля напряженного состояния ферромагнитных металлов на основе регистрации шумов перемагничнвання. / ПГ.Аракелов, В.В.Фнлннов, В.В. Литвинов // Сборник трудов научно-практической конференции серия «Приборостроение, мехатроника и робототехннческие системы», Москва, МГУПИ, 2013, с. 135-141.

14. Программно- аппаратное обеспечение установки «БОЗОН» для вихретокового контроля сверхпроводящей проволоки. / ПГ.Аракелов, Д.О. Куценко П Сборник трудов научно-практической конференции серия «Приборостроение, мехатроника и робототехннческие системы», Москва, МГУПИ, 2013, с. 69-74.

Подписано в печать 27.06.2013 г.

Формат 60x90. Объем 1 п.л. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж КМ) экз.

Московский Государственный Университет приборостроения и информатики

107996, г.Москва, ул.Стромынка, 20

«с

московским государственный университет приборостроения и информатики

УДК 620.179.14 На правах рукописи

04201456505 АРАКЕЛОВ ПАВЕЛ ГЕОРГИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДА МАГНИТНЫХ ШУМОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий.

Научный руководитель: д.т.н., профессор Филинов в.в.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

Введение............................................................................................3

1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА МАГНИТНЫХ ШУМОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЯХ..........................................................................8

1.1. Скачки Баркгаузена и их применение для решения проблем управления напряженным состоянием изделий из ферромагнитных сталей........................8

1.2. Анализ физических основ метода неразрушающего контроля с использованием магнитных шумов перемагничивания.................................12

1.3. Анализ информативных параметров метода магнитных шумов и проблемы их практической реализации.....................................................17

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1..................................................................28

2. АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ МАГНИТНЫХ ШУМОВ ОТ УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ...........................29

2.1. Методика расчета спектральных характеристик ЭДС СБ, наводимых в измерительной катушке первичных преобразователей.................................29

2.2. Определение ЭДС, наводимой в измерительной катушке скачком Баркгаузена.......................................................................................32

2.3. Анализ спектра и формы импульса эдс скачка баркгаузена, а также характера взаимосвязи его параметров с напряжениями в металлах.................41

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2..................................................................49

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ ШУМОВ С МЕХАНИЧЕСКИМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ СТАЛЯХ......................................................50

3.1. Методика проведения эксперимента, применяемое оборудование и материалы..........................................................................................50

3.2. Исследование зависимости параметров магнитных шумов от уровня напряжений........................................................................................58

3.3. Разработка методики градуировки приборов для оценки уровня механических напряжений....................................................................66

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..................................................................72

4. СОВЕРШЕННСТВОВАНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МЕТАЛЛОВ....................................................73

4.1. Разработка прибора и исследование сигнала МШ и электромагнитных помех................................................................................................73

4.2. Оптимизация конструкции первичных преобразователей для регистрации сигналов магнитных шумов..................................................79

4.3. Основные элементы программно-аппаратного комплекса для регистрации параметров магнитных шумов в ферромагнитных металлах.........81

4.4. Алгоритм работы программно-аппаратного комплекса механических напряжений.......................................................................................87

4.5. Разработка программно-аппаратного комплекса для контроля плосконапряженного состояния изделий из ферромагнитных сталей...............101

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.................................................................106

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...........................................................107

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

В условиях постоянно стареющего парка машин и механизмов остро встает вопрос о возможности продления сроков эксплуатации отдельных узлов и деталей, а также контроль их остаточного ресурса. Одним из способов контроля остаточного ресурса является контроль напряженного состояния ферромагнитного металла, применяемого для изготовления ответственных деталей и узлов. Использование научно обоснованного подхода к решению этой проблемы позволяет влиять и регулировать напряженное состояние металлоизделий и существенно увеличить долговечность техники, ее технологичность и ресурсоемкость при производстве, что подтверждает актуальность проблемы.

Ввиду масштабности и сложности технологического процесса производства и сложных условий эксплуатации изделий из ферромагнитных металлов наиболее эффективным способом анализа и регулирования напряжений является подход, при котором производится контроль напряженного состояния изделий из ферромагнитных металлов на всех этапах технологического процесса. Таким образом выявляются детали в недопустимым уровнем напряжений и производить их выбраковку или технологическую доработку.

Решение данной задачи возможно с применением как традиционных методов неразрушающего контроля, так и с помощью развития таких методов, как метод эффекта Баркгаузена (ЭБ) или, как его еще называют, метод магнитных шумов (МШ).

Отличительными особенностями данного метода неразрушающего контроля от других известных электромагнитных методов:

• источником электромагнитного излучения выступает сам контролируемый образец из ферромагнитной стали в силу перестройки его доменной текстуры;

• высокая степень локальности зоны контроля, которая обеспечивается малой величиной объема области перемагничивания - Ю-9... 10 "10 см :

• имеется возможность регистрировать информацию о МШ в любом

3

(цифровом или аналоговом) представлении с тонких поверхностных слоев металла контролируемых образцов.

Эти особенности позволяют найти и реализовать новые пути решения задачи контроля механических напряжений в образцах из ферромагниной стали и разработки новых точных средств и методов измерения параметров магнитных шумов.

Исходя из вышесказанного, основной задачей диссертационной работы является развитие теории метода контроля механических напряжений в изделиях из ферромагнитной стали, а также разработка и построение новых средств неразрушающего контроля, основанных на эффекте Баркгаузена.

Состояние проблемы. При перемагничивании линейно или синусоидально изменяющимся магнитным полем изделий из ферромагнитных сталей возникают импульсы ЭДС, которые получили название магнитные шумы (МШ). Этот метод получил широкое развитие в неразрушающем контроле (НК).

Большой вклад в становление и развитие этого метода НК внесли работы В.М. Рудяка, Г.В. Ломаева, Э.С. Горкунова, В.Е. Щербинина, Н.Н Колачевского, В.Л. Венгриновича, В.Е. Шатерникова, В.В. Клюева, В.В. Поповой, В.В. Филинова, Н.С. Кузнецова, а также известных зарубежных исследователей - И. Шродера (США), Ц. Гарднера (США), И. Бартона (США), Л. Карьялайнена, К. Титто (Финляндия), Дмитровича Д.В. (Беларусь) и других исследователей. В то же время распространенность и применение метода МШ в промышленности не соответствует возможностям этого метода НК и требует комплексного подхода к решению различных конструкторских, исследовательских и методических задач. К ним относятся вопросы и проблемы исследования связи параметров сигналов МШ как с механическими, так и со структурными изменениями в ферромагнитных сталях, исследование различных принципов построения приборов и первичных преобразователей на основе современной электроники и микропроцессорной техники.

Энергетические и эмиссионные характеристики сигналов МШ

определяются скачкообразной перестройкой магнитной текстуры

4

ферромагнетика, известными как скачки Баркгаузена (СБ), при его циклическом перемагничивании линейно или синусоидально изменяющимся магнитным полем.

Целью диссертационной работы является создание средств и методов контроля механических напряжений (МН) в изделиях из ферромагнитных сталей методом МШ. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• провести анализ закономерностей изменения параметров сигналов магнитных шумов в зависимости от уровня механических напряжений в металлах;

• экспериментально исследовать взаимосвязи параметров сигналов МШ на плоских образцах из ферромагнитных сталей;

• определить новые алгоритмы обработки и информативных параметров сигналов МШ;

• исследовать влияние электромагнитных помех, вызванных работой промышленного и бытового электрооборудования, а также повышение точность измерений и помехозащищенность регистрации сигналов МШ.

• разработать принципы построения аппаратуры и методов контроля механических напряжений на основе использования МШ;

• исследовать плосконапряженное состояние длинномерных и плоских металлоизделий.

Методы исследования. Научные исследования были проведены с привлечением методов математического моделирования и уравнений матфизики. Результаты теоретических положений были проверены экспериментально с применением механических методов испытаний, а также статистических методов обработки полученных в процессе исследований экспериментальных данных.

Новые научные результаты.

1. Разработана методика расчета текущих энергетических характеристик МШ. Показано, что параметр имш, который равен максимальному уровню сигналов МШ, связан с энергетическими свойствами МШ. Это позволяет

повысить достоверность и повторяемость результатов контроля напряжений, в частности, при использовании в связке с такими параметрами, как текущее значение перемагничивающего тока 1.

2. Исследованы зависимости параметров сигналов МШ от уровня механических напряжений в ферромагнитных сталях. Доказана возможность применения единой (для одной марки стали) зависимости параметров МШ Щмш, I) от механических напряжений при контроле деталей и конструкций из углеродистых и легированных сталей.

3. Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ, которые основаны на использовании различных методов цифровой обработки и фильтрации сигналов принципы построения средств и алгоритмов контроля механических напряжений в деталях из высокопрочных сталей, основанные на использовании новых параметров МШ, таких как общее количество выбросов СБ и их суммарная длительность, связанных с их совместным использованием, которые повышают точность и повторяемость результатов контроля напряжений.

4. Разработан сканер, представляющая собой трехкоординатный манипулятор с закрепленным преобразователем, управляемый с ПК, предназначенный для исследования плоских образцов из ферромагнитных металлов. Его применение в задаче контроля плосконапряженного состояния позволяет получить целостную картину распределения напряжений.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Теоретические и экспериментальные исследования параметров МШ при нагружении образцов из ферромагнитных сталей дали возможность разработать и реализовать методику контроля и микропроцессорный прибор «МШ-1» для оценки уровня механических напряжений в изделиях из высокопрочной стали.

2. Предложены новые информативные параметры - Я и Р, повышающие достоверность и качество контроля механических напряжений в высокопрочных сталях.

3. Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ, которые

б

основаны на использовании быстрого преобразования Фурье, для возможности фильтрации полученного сигнала, различные цифровые фильтры для обеспечения стабильности измерений регистрируемых параметров, программные средства для персонального компьютера и микропроцессорный вариант помехозащищенного прибора для контроля механических напряжений методом МШ - «МШ-1».

4. Результаты диссертационной работы реализованы в виде микропроцессорного прибора для контроля механических напряжений методом магнитных шумов и использованы на предприятиях машиностроительной отрасли, например, в ООО «ГлавДиагностика».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 14-ти печатных работах, из них в списке ВАК 3 работы и обсуждены на 3-х международных конференциях - 5-й, 6-й и 10-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» в г.Москва в 2006, 2008 и 2010 годах.

Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 106 наименований, приложения и изложена на 120 страницах машинописного текста, иллюстрируется 50 рисунками и 13 таблицами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета текущих энергетических характеристик МШ. Показано, что параметр и^, который равен максимальному значению сигналов МШ, отражает энергетические свойства МШ.

2. Разработанная методика градуировки приборов для оценки уровня МН в высокопрочных сталях, в частности, в ферромагнитных сталях.

3. Принципы построения и схемотехнические решения, алгоритмы и программные средства для ПК и микропроцессоров, обеспечивающие разработку прибора (индикатора механических напряжений) на основе современного цифрового сигнального микропроцессора, для контроля МН.

1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА МАГНИТНЫХ ШУМОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЯХ

1.1. Скачки Баркгаузеиа и их применение для решения проблем управления напряженным состоянием изделий из ферромагнитных сталей.

Улучшение качества управления механическими напряжениями (МН) в изделиях из ферромагнитных сталей позволит повысить надежность и долговечность работы как отдельных деталей механизмов, так и всему механизму в целом на всем периоде эксплуатации.

Влияние МН начинается еще как в процессе изготовления детали на разных технологических этапах производства, так при эксплуатации и изменяется в зависимости от текущей стадии. Таким образом круг вопросов, связанных с МН состоит из:

• причины возникновения и изменения напряжений в заготовках;

• разработка методов и средств контроля напряжений, их применение;

• разработка способов воздействия на напряжения с целью снижения их влияния на характеристики готового изделия из ферромагнитной стали.

Наличие различного вида неоднородностей и неравномерностей при технологической обработке и производстве изделия является причиной неравномерного распределения МН, которые продолжают существовать после полного прекращения внешнего воздействия на изделия из ферромагнитных сталей.

Различные виды механической обработки деталей обеспечивают разные причины появления МН, их величину и распределенность по поверхности изделия [5, 15, 16]. Например, термическая обработка деталей машин и механизмов МН в поверхностных слоях металла могут быть в виде

обезуглероживания, науглероживания, окисления, что предопределяет наличие по большей части растягивающих МН [13, 14]. Силовой фактор является превалирующим при механическом воздействии на изделие и зависит применяемого метода и выбранного режима металлообработки на производстве, а также качества выполнения выбранной технологической операции, физических свойств и параметров применяемого инструмента, наличия охлаждения и ряда других причин, которые предопределяют сжимающий тип МН [5]. Но при воздействии теплового фактора из-за трения инструмента по обрабатываемому материалу, вызванного как увеличением скорости резания, так и ухудшением условий охлаждения возможны фазовые изменения в поверхностном слое материала (прижог), что обеспечивает появление растягивающих МН. И наоборот, фазовые изменения, связанные с увеличением размеров кристаллической решетки в обрабатываемом металле, вызывают сжимающие МН. Фрезерование металлической детали обеспечивает как сжимающие, так и растягивающие МН [10, 11, 12].

При шлифовании преобладает тепловое воздействие над силовым, что приводит к появлению растягивающих МН на обрабатываемой поверхности изделия, а, следовательно, - к структурному превращению поверхности металла в мартенсит, но в силу меньшего усилия инструмента растягивающие МН проникают на меньшую глубину, чем при токарной обработке [4,16].

Таким образом, при механической обработке металлоизделия однозначность МН не гарантируется.

Для улучшения качественных показателей готового изделия из ферромагнитной стали применяются различные виды финишных упрочняющих операций, такие как поверхностно-пластическое деформирование, которые могут повысить выносливость сталей в 3...8 раз, износостойкость в 1,5...2 раза, а сопротивление коррозийной усталости - в 1,5...2 раза [4, 5]. Так для обработки деталей сложного формы и профиля применяется упрочнение дробью, которое обеспечивает однозначное распределение МН в обрабатываемой детали из ферромагнитной стали [6, 7, 8, 9].

Наиболее сильное влияние механические напряжения оказывают на механические характеристики сталей, которые склонны к хрупкому разрушению: снижается статическую прочность изделия[17, 18], их предел выносливости при нагрузках циклического характера [4, 16], уменьшают износостойкость [12, 15], изменяют фор�