Главная » 2014»Сентябрь»4 » Скачать Разработка акустических методов неразрушающего контроля динамических объектов и процессов. Римлянд, Владимир Иосифович бесплатно
7:18 AM
Скачать Разработка акустических методов неразрушающего контроля динамических объектов и процессов. Римлянд, Владимир Иосифович бесплатно
Разработка акустических методов неразрушающего контроля динамических объектов и процессов
Диссертация
Автор: Римлянд, Владимир Иосифович
Название: Разработка акустических методов неразрушающего контроля динамических объектов и процессов
Справка: Римлянд, Владимир Иосифович. Разработка акустических методов неразрушающего контроля динамических объектов и процессов : диссертация доктора технических наук : 01.04.06 Хабаровск, 2003 306 c. : 71 04-5/449
Объем: 306 стр.
Информация: Хабаровск, 2003
Содержание:
Глава Ультразвуковая диагностика вращающихся тел
11 Методы диагностики вращающихся объектов
12 Система активной ультразвуковой диагностики вращающихся тел
121 Возбуждение и прием акустического сигнала
122 Регистрация и обработка сигнала
123 Результаты динамических испытаний
124 Влияние динамических нафузок на работу преобразователей ультразвуковых колебаний
1241 Изменение толщины контактного слоя
1242 Влияние силы прижатия преобразователя к образцу на результаты измерений
1243 Оценка чувствительности метода
125 Обнаружение дефектов в динамическом режиме
1251 Контроль механического контакта
1252 Контроль рабочего колеса нагнетателя
13 Методика диагностики подщипникового узла
131 Выбор алгоритма обработки сигнала
132 Амплитудно-частотные свойства системы излучательподщипник — приемник
133 Результаты измерений для подшипников с различной степенью износа
Глава Измерение виброперемещений вращающихся тел
21 Оптические методы измерения вибраций и контроля размеров динамических объектов
22 Измерительная система
221 Метод измерений
222 Лазерный профилометр
223 Чувствительность лазерного профилометра в статическом режиме
224 Чувствительность лазерного профилометра в динамическом режиме
225 Калибровка ИСВ с помощью лазерного виброметра
23 Обработка сигналов и двухлучевая методика измерений
231 Метод фазовой дискретизации и синхронного усреднения сигнала
232 Работа лазерного профилометра совместно с ИСВ Ill
24 Исследование динамики вращающихся тел
241 Исследование динамики вращающихся полуколец
242 Исследование динамики электродвигателя КУВ-07IB
243 Исследование динамики турбины центробежного насоса
Глава Измерение уровня жидкости в резервуарах акустическим эхо-методом
31 Эхолокационная измерительная система
311 Конструкция измерительной системы
312 Алгоритм обработки информационного сигнала
32 Точность измерения уровня эхолокационным методом
321 Влияние температуры на точность измерения
322 Погрешность измерения уровня
33 Экспериментальное определение погрешности
34 Дополнительные отражения ультразвукового импульса
Глава Высокоточная автоматизированная система измерения уровня жидкости в резервуарах
41 Ультразвуковые поплавковые системы измерения уровня
42 Автоматизированная система измерения уровня жидкости
421 Метод измерения уровня
422 Системы измерения уровня
423 Основные виды погрешностей
43 Исследование дисперсионных характеристик волновода
431 Теоретический анализ дисперсионных характеристик стержней
4311 Симметричные колебания
4312 Изгибные колебания
4313 Крутильные колебания
432 Дисперсионные искажения УЗ импульса
433 Экспериментальные исследования
4331 Определение момента «прихода» УЗ импульса
4332 Измерение спектральных и дисперсионных характеристик сигнала
4333 Определение акустической неоднородности волновода
44 Влияние температуры и режимов работы на точность измерения уровня
441 Зависимость скорости звука от температуры
442 Влияние теплого расширения
443 Применение сплавов с особыми тепловыми свойствами
Глава Исследование динамики акустических свойств композиционных составов в процессе полимеризации
51 Акустические свойства полимерных материалов
52 Результаты экспериментальных исследований
521 Определение модулей упругости
522 Исследование динамики процесса полимеризации
523 Контроль степени отверждения
524 Автоматизированная система для изучения акустических свойств полимеризующихся составов
53 Система контроля степени отверждения композиционных составов
Введение:
Общая характеристика работы Современные экономические условия, увеличение удельной мощности афегатов, снижение материалоемкости, повышение скоростей движения и нагрузок, ужесточение экологических норм предъявляют повышенные требования к точности и оперативности измерений, к качеству контроля и диагностики различных агрегатов на стадии их проектирования, изготовления, испытаний, эксплуатации и ремонта. Традиционные методы нсразрушающего контроля (радиационные, акустические, магнитные, капиллярные и другие [1]) широко применяются на стадии изготовления и ремонта, однако, при их применении в условиях работающего оборудования возникают значительные трудности, обусловленные влиянием большого количества дополнителып>1х факторов, резким удорожанием оборудования, а также невозможностью проведения контроля в некоторых случаях. Развитие современной аналоговой и цифровой техники позволяет значительно расширить возможности применения физических методов для проведения измерений в реальном масштабе времени различных параметров и характеристик динамических объектов и процессов. В значительной степени это относится и к акустическим методам, рассматриваемым нами в дальнейшем. Под динамическими объектами или процессами мы подразумеваем, в общем случае, объекты, которые изменяют свои свойства (механические, физические, размеры, координаты, состояние в целом) при поступательном или вращательном движении, а также под влиянием либо внутренних, либо внешних факторов в течение определенного промежутка времени. Акустические методы, являясь одними из наиболее информативных, обеспечивают с одной стороны выявление различных дефектов объекта контроля (дефекты структуры, несплош1ЮСти, отклонение размеров и т.д. [1-3]), а с другой — проведения оперативных измерений ряда технологических параметров [4-5] и исследования физических свойств материалов [6-8]. Для дефектоскопии статических объектов наиболее хорошо развиты активные ультразвуковые методы, позволяющие во многих случаях с высокой точностью определить тип, размеры и координаты дефекта [9,10].При этом актуальна задача совершенствования существующих и создания новых методов диагностики, позволяющих осуществлять контроль или оценивать степень износа и остаточный ресурс афегатов непосредственно в процессе работы. Среди различных объектов контроля следует особо выделить быстровращающиеся детали и узлы трения. Данный вид объектов присутствует практически в любом механизме. Размеры вращающихся деталей могут различаться в очень широких пределах — от нескольких миллиметров до метров, а скорости вращения достигать сотен оборотов в секунду. Возникающие при этом механические напряжения приводят к упругой и неупругой деформациям вращающегося тела, образованию внутренних дефектов в виде нарушения механического контакта, трещин, разрушению сварных соединений, вибрации, изменению формы и размеров деталей, из1юсу подшипников и т. д. В настоящее время контроль состояния подобных объектов в динамике осуществляется в основном методами вихревых токов, шумо- и вибродиагностики [11-16]. Данные методы, несмотря на достаточно широкое применение, обладают рядом существенных офаничений и недостатков. Область использования активных ультразвуковых методов при дефектоскопии движущихся объектов офаничивается контролем изделий простой формы (трубы, листовой прокат и т.д.) [17-19]. При этом поступательное или вращательное движения создается, в этом случае, для ускорения процесса сканирования всей поверхности детали, а не с целью выявления дефектов, которые могут при этом возникнуть [20-21]. Разработка систем, позволяющих проводить активный ультразвуковой контроль определенных частей деталей, вращающихся с больщой скоростью, позволит в реальном масштабе времени отслеживать развитие дефектов, возникающих под действием вибрации и центробежных сил, контролировать качество сборки механизмов.Важным направлением в диагностике различных афегатов является измерение параметров вибрации вращающегося тела. Выбор диагностических параметров зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазонов измеряемых колебаний [23-24]. При этом основными параметрами, которые в большинстве случаев измеряются, являются виброперемещение, виброскорость и виброускорение [25-27]. Используемые наиболее часто для этого контактные датчики имеют ряд недостатков, которые существенно ограничивают возможности используемых методов. Среди бесконтактных можно выделить радиоволновые [27], акустические [28] и голографические оптические методы [29]. Во многих случаях при диагностике требуется измерять не только абсолютные значения параметров колебаний вращающегося тела, но также определять динамические смещения и колебания отдельных его частей относительно друг друга. При этом измеряемая величина может быть значительно меньще амплитуды колебаний детали или стенда как целого, а уровень шумов превышать амплитуду полезного сигнала. Среди существующих методов только голографический позволяет проводить подобные измерения с необходимой точностью. Однако, ввиду технической сложности, его применение возможно только в лабораторных условиях для ограниченного набора изделий.Создание систем диагностики и контроля рассматриваемых динамических объектов требует решения ряда научных и технических проблем: разработки специальных методов активной ультразвуковой диагностики; создания систем возбуждения и приема ультразвуковых импульсов; выделения полезного сигнала на фоне шумов, уровень которых может значительно превышать амплитуду полезного сигнала, а также при значительном динамическом изменении сигнала в процессе измерений; создания специальных алгоритмов регистрации и обработки сигнала. При создании системы измерения вибрационных колебаний и смещений точек поверхности вращающегося тела необходима разработка достаточно простого бесконтактного метода, позволяющего в динамическом режиме проводить измерения с высокой точгюстью. Особое внимание необходимо уделить достоверности получаемых данных и метрологическому обеспечению создаваемых систем, так как проверка результатов другими методами часто бывает затруднена или невозможна.Проблемы, возникающие при разработке методов неразрушающего контроля динамических объектов, в значительной степени аналогичны задачам, решаемым при создании систем технологического контроля и управления процессами, качество протекания которых определяется значениями меняющихся параметров [30]. Пример такой задачи - создание высокоточной системы измерения уровня жидкости. Маркетинговые исследования показывают, что значительный сегмент рынка автоматизированных систем для измерения уровня жидкостей в резервуарах большой вместимости может быть занят относительно дешевыми акустическими уровнемерами, способными составить конкуренцию дорогостоящим радиолокационным приборам [31, 32].В акустических приборах используются методы на основе регистрации ультразвуковых импульсов, распространяющихся в газовой или жидкой среде (эхолокационные системы [5, 33, 34]) или в металлическом волноводе (магнитострикционные поплавковые системы [35, 36]). При измерении уровня тяжелых нефтепродуктов возникает ряд сложностей, связанных с постоянным подогревом жидкости до 40-j-100*'C. При этом внутри резервуаров существуют значительные градиенты температуры, конвекционные потоки и высокая влажность воздушного столба над поверхностью жидкости; присутствуют постоянные технологические шумы в диапазоне частот 20^3000 Гц.Происходит достаточно быстрое изменение условий внутри резервуара при наполнении или сливе жидкости из резервуара. Выпускаемые промышлещюстью уровнемеры во многом не отвечают требованиям потребителей по соотношению цена - качество. Особенно это от1юсится к системам коммерческого учета количества тяжелых нефтепродуктов в резервуарах большой вместимости. Подобные уровнемеры должны определять количество различных жидкостей с высокой точностью (абсолютная погрешность измерения уровня 1ч-5 мм при высоте резервуара lO-J-20 м, относительную погрешность измере1шя 0,0001^0,0002). Порог чувствительности должен быть близким к 0,1 MM. Необходима разработка нового метода, позволяющего осуществлять коммерческий учет жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты, и на его основе создание автоматизированной измерительной системы. На метрологические характеристики ультразвуковых уровнемеров значительное влияние оказывают изменения амплитудно-частотных характеристик ультразвукового сигнала, связанные с условиями его возбуждения и распространения, а также дисперсионные свойства волновода [37, 38], которые могут существенно изменяться в процессе измерений. В связи с тем, что необходимо достижение высокой точности, учет данных факторов является определяющим при создании подобных систем, требуется анализ их динамики и учет в виде соответствующих поправок.В качестве динамических процессов можно также рассматривать достаточно быстрое изменение физических свойств материалов во время химических превращений, в частности, процесс полимеризации композиционных составов. При полимеризации состав претерпевает ряд превращений. Можно выделить жидкое состояние, фазу образования эластичного геля и превращение геля в неэластичное твердое состояние [39]. При этом относительные изменения скорости, коэффициента поглощения звука и дисперсионных характеристик среды могут составлять десятки и сотни процентов за достаточно короткий промежуток времени [40]. Акустические измерения позволяют исследовать влияния изменения структуры полимерных материалов при фазовых переходах жидкость - твердое тело на упругие свойства среды. С практической точки зрения подобные исследования позволяют разработать методы автоматизации технологического контроля степени отверждения полимеризующихся составов.Решение данных задач представляет большой интерес для различных отраслей народного хозяйства: авиационного и энергетического машиностроения, топливно-энергетического комплекса и других.Целью настоящей работы являлась разработка новых акустических методов контроля динамических объектов и сред, изучение возможности их применения для высокоточных измерений и исследования динамики физических процессов; создание автоматизированных систем измерения.Предполагалось решение следующих основных задач: 1. Исследование возможности применения активных ультразвуковых методов неразрушающего контроля для диагностики вращающихся тел в динамическом режиме.2. Разработка основных электронных блоков и алгоритмов обработки сигнала, позволяющих применить методы активной ультразвуковой дефектоскопии для выявления дефектов изделий и контроля состояния узлов трения непосредственно в процессе вращения с высокой скоростью в реальном масштабе времени.3. Создание автоматизированной системы измерения параметров колебаний различных частей вращающегося тела относительно неподвиж1юго основания и определения взаимных смещений или изменений размеров отдельных его элементов с высокой точностью.4. Изучение возможностей и метрологических характеристик эхолокационного метода для измерения уровня жидкостей при наличии температурных фадиснтов и конвекции 5. Разработка нового акустического метода контроля уровня жидкости и создание на его основе высокоточной измерительной системы. Исследование влияния условий измерения на метрологические характеристики системы.6. Исследование динамики процесса полимеризации композиционных составов акустическими методами и создание акустической системы контроля отверждения композитов на основе эпоксидных смол.Методы исследования. В работе использовались методы: экспериментальной акустики, основные положения теории упругости, оптики, математической обработки сигналов, спектрального анализа, компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании общего и специального назначения. Был создан программно-аппаратный измерительный комплекс, позволяющий в автоматическом режиме проводить различные измерения. При создании новых методик измерений и соответствующих систем использовались аналоговые и цифровые методы обработки сигналов, лазерная техника. Достоверность полученных результатов подтверждалась хорошим согласием теоретических выводов и экспериментальных результатов, моделированием ряда процессов, оценками пофешностей измерений и сопоставлением результатов с данными, полученными другими методами. Часть измерений и испытания разработанных систем проводились в производственных условиях.В диссертации проводится систематизация и критический анализ материалов, близких по тематике к исследованиям автора, на основании работ отечественных и зарубежных ученых: И. Н. Ермолова, В. М. Баранова, В. В. Клюева, А. X. Вопилкина, В. Е. Чабанова, Н. П. Алешина, К. А. Наугольных, В. В. Сухорукова, М. Д. Генкина, А. И. Кондратьева, В. Е. Рядчикова, И. Е. Никитиной, Волосова, М. Клюева, В. К. Хамидуллина, В. А. Иванова, А. И. Надеева, И. П. Красненко, И. И. Перепечко, Б.Б. Бадмаева, О. Крамера, И. Вэна, Л. Бергмана, У. Мэзона, X. Хайнца, А. Файса, Д. Франка и др.Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Развиты методологические основы и проведена экспериментальная апробация применения активных методов ультразвукового неразрушающего контроля для дефектоскопии и диагностики динамических объектов, в частности, внутреннего объема вращающихся тел и узлов трения.2. Разработаны методы и соответствующие аппаратные средства связи неподвижных блоков измерительной системы и ультразвуковых датчиков, закрепленных на детали, вращающейся со скоростью до 200 об/с, или при линейном перемещении излучателя ультразвука вдоль стержня-волновода.3. Разработаны аналоговые и цифровые методы приема, возбуждения и обработки акустических сигналов, позволяющие эффективно выделять ультразвуковой импульс, проходящий «сквозь» подшипник при скорости вращения свыше 100 об/с при наличии высокого уровня шумов и динамическом изменении сигнала. Экспериментально доказана возможность активного акустического контроля степени износа подшипников качения в динамическом режиме.4. Теоретически и экспериментально исследованы возможности применения оптического теневого метода для измерения виброперемещений и исследования динамики быстровращающихся тел. Разработаны и применены методы фазовой дискретизации и усреднения сигнала, поступающего с датчиков измерительной системы. Создана автоматизированная измерительная система, позволяющая с порогом чувствительности 0,5 мкм проводить измерения колебаний и относительных смещений различных частей тела, вращающегося со скоростью до 500 об/с.5. Проведены экспериментальные измерения и теоретический анализ пофешностей эхолокационного метода при измерениях уровня жидкости в реальном резервуаре большой вместимости при наличии в воздушной среде пара, конвективных потоков и градиентов температуры. Обнаружен эффект отражения ультразвуковой волны от границы раздела газовых слоев с различной температурой в резервуаре.6. Разработан 1ювый акустический метод измерения уровня жидкости на основе возбуждения ультразвукового импульса в стержневом волноводе активным ультразвуковым излучателем, плавающим на поверх1юсти жидкости. На основе предложенного метода и проведенных исследований создан высокоточный ультразвуковой уровнемер, разработаны соответствующие аппаратные и программные средства.7. На основе исследований акустического тракта уровнемера определены оптимальные способы возбуждения и регистрации ультразвукового сигнала. Рассчитаны дисперсионные параметры, позволяющие с высокой точностью учитывать изменение формы сигнала при его прохождении по реальному волноводу в виде стержня большой длины. Исследовано влияние различных факторов на метрологические характеристики созданной измерительной системы.8. Получены экспериментальные зависимости динамики изменения акустических свойств композиционных составов на основе эпоксидных смол в процессе полимеризации. Показано, что акустические методы являются эффективным средством изучения динамики процесса полимеризации. Установлено, что сдвиговая компонента УЗ импульса регистрируется раньше завершения процесса отверждения, а трансформация УЗ сигнала за счет изменения дисперсионных свойств среды в процессе полимеризации происходит как в жидком, так и в стеклообразном состоянии.9. Предложены параметры, характеризующие степень полимеризации состава, на основе акустических измерений. Создана автоматизированная система контроля отверждения композиционных составов на основе эпоксидных смол.Практическая значимость. Показано, что методы активного ультразвукового контроля применимы для диагностики динамических объектов - вращающихся тел и узлов трения. Разработаны методы и соответствующие аппаратные средства, позволяющие осуществлять связь между ультразвуковыми датчиками, закрепленными непосредственно на вращающейся детали, и неподвижными блоками измерительной системы.Предложены соответствующие алгоритмы обработки сигналов. Создана высокоточная автоматизированная измерительная система, позволяющая проводить измерения колебаний и смещений различных частей тела, вращающегося с высокой скоростью. Исследованы возможности эхолокационного метода измерения уровня жидкости. Разработан новый акустический поплавковый метод измерения уровня жидкости в резервуарах, на базе которого создан ультразвуковой уровнемер, предназначенный для коммерческого учета количества различных жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты. Предложен метод определения степени отверждения составов на основе акустических измерений, создана система технологического контроля отверждения полимеризующихся составов.Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены: СКБ «Ротор» г. Челябинск - автоматизированная система контроля качества сборки электродвигателей; Хабаровская ТЭЦ-2 автоматизированная система измерения уровня тяжелых нефтепродуктов; ООО «Полином» — освоено опытное производство систем контроля уровня грунтовых вод (регистратор уровня подземных вод «Кедр-2»); завод «Дальэнергомаш» г. Хабаровск — неразрушающий ультразвуковой контроль опытных образцов турбин компрессоров в процессе динамических испытаний; АО «Дальлестехцентр» г. Хабаровск - автоматизированный контроль отверждения композиционных составов.Основные положения, выносимые на защиту: 1. Активные ультразвуковые методы могут эффективно применяться для дефектоскопии, высокоточных измерений и контроля динамических объектов и процессов.2. Методы и соответствующие аппаратные средства, позволяющие применить активный ультразвуковой контроль для дефектоскопии деталей, вращающихся со скорость до 200 об/с. Методика возбуждения, приема и обработки акустических сигналов, проходящих «сквозь» подшипниковый узел при скорости вращения свыше 100 об/с.3. Автоматизированная система измерений параметров колебаний и величины относительных смещений различных частей тела, вращающегося со скоростью до 500 об/с, с порогом чувствительности 0,5 мкм.4. При измерении уровня подогреваемых нефтепродуктов акустическим эхолокационным методом через воздушную среду погрешность составляет не менее 10 см на базе 10 м, вследствие высокой влажности, конвекции и расслоения воздушной среды.5. Акустический метод измерения уровня жидкости на основе возбуждения ультразвукового импульса в стержневом волноводе активным ультразвуковым излучателем, плавающим на поверхности жидкости. Конструкция высокоточного ультразвукового уровнемера на основе предложенного метода, позволяющая проводить коммерческий учет количества различных жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты, в резервуарах большой вместимости.6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния различных факторов на метрологические характеристики созданного уровнемера.7. Экспериментальные зависимости динамики изменения скорости звука и коэффициента затухания композиционных составов на основе эпоксидных смол в процессе полимеризации. Методика контроля степени отверждения полимеризующихся составов на основе акустических измерений.Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 46 научных работах, в том числе 12 статьях центральной печати и 8 патентах на изобретения.Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научно-технических конференциях: Всесоюзной конференции «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле», Хабаровск, 1987 г.; Всесоюзной конференции «Применение лазеров в народном хозяйстве», Шатура, 1989 г.; Всероссийской конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 1995 г.; Международ1юй конференции «СИБКОНВЕРС-95», Томск, 1995 г.; Международной конференции «Прикладная оптика-96», Санкт-Петербург, 1996 г.; Международной конференции «Физика и техника ультразвука», Санкт-Петербург, 1997 г.; XI сессии Российского акустического общества, Москва 2001 г.; XVI Российской конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», СанктПетербург, 2002 г.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 313 наименований и приложений. Полный объем работы -306 страниц текста - включает 95 рисунков, 20 таблиц и четыре приложения на 30 страницах.
