Диагностический комплекс для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний

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

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

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

Обзор публикаций показал, что актуальны вопросы контроля заготовок лопаток ГТУ, осей железнодорожных вагонов, штанг насосных установок нефтяных скважин, поршней двигателей внутреннего сгорания, прутков и т. д. В диссертационной работе решается задача развития метода свободных колебаний применительно к контролю цилиндрических изделий по параметрам колебаний, на основе численных и экспериментальных исследований.

Объектом исследования являются колебания цилиндрических изделий.

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

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

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

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

Для этого необходимо решить следующие частные задачи:

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

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

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

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

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

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

Во введении рассмотрена актуальность работы и дана краткая её характеристика.

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

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

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

Основой математической модели исследования колебаний цилиндрических изделий являются вариационные уравнения движения трехмерного континуума, полученные из принципа виртуальных перемещений и принципа Даламбера. Расчеты проводились при помощи оригинального программного обеспечения, созданного в Приволжском (Казанском) федеральном университете под руководством проф. А. И. Голованова. Исследовались цилиндрические стержни и оси железнодорожных вагонов, установленные на специальные опоры. Задача состояла в определении сдвига частот при наличии трещин в изделии в поперечном направлении. Дефекты имитировались как разрезы различной формы со свободными краями, плоскости которых совпадают с плоскостями конечных элементов.

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

Полученные результаты сведены в таблицы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна:

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

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

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

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

Практическая значимость.

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

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

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

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

Апробация работы. Основные положения работы, научные и практические результаты докладывались, обсуждались и были одобрены на вузовских, региональных, всесоюзных, всероссийских и международных конференциях в том числе: «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники» (г. Жуковский, ЦАГИ, 2000 г.), «Прогнозирование надежности и долговечности конструкций» (СЛетербург, СПГТУ, 2001 г, 2003 г.), УП, IX, XI международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, и экономики» (Москва-Сочи, 2004, 2006, 2009 гг.), Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях, «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВВКУ, 19 962 000, 2003, 2007, 2011 гг.), научно-технических советах Горьковской железной дороги, филиале ОАО «Российские железные дороги», семинарах физического факультета КГУ, неоднократно на конференциях и семинарах КВАКУ, КГЭУ.

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

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

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ.

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

За рубежом при создании нового ответственного оборудования многие производители уже на протяжении ряда лет комплектуют его системами мониторинга и диагностики: достаточно часто объединяя их функционально с системами автоматического управления. Это позволило одной из ведущих фирм в производстве средств коммуникаций «Motorolla» «внедрить стратегию шести сигм: не более 4 браков на 1 млн. изделий «. Одно только количество участников в американском обществе неразрушающего контроля (ASNT) — 500 предприятий и фирм США, Австралии, Японии, Канады, говорит о том внимании, какое уделяется технической диагностике (ТД) и неразрушающему контролю (НК) развитыми странами в мире [1].

На эксплуатируемом оборудовании в России до сих пор работа по внедрению систем контроля, даже без функционального объединения их с системами автоматики, ведется крайне слабо, «нет интегративных специалистов по всем видам НК и ТД. [2].

В системе РЖД всего 15 тысяч дефектоскопистов [2], а процент аттестованных специалистов по видам контроля в отраслях промышленности крайне низок: визуальный контроль — 72.4%, ультразвуковой — 34.9%, вибродиагностика — 3.2% [3].

И это несмотря на то, что использование нового поколения систем диагностики не требует серьезных капитальных вложений и окупается в кратчайшие сроки.

Ведущий специалист в области диагностики, президент РОНКТД, академик РАН Клюев В. В. отмечает: «в августе 2009 г авария самой большой и мощной гидроэлектростанции в мире, пропавший сухогруз «Arktic Sea «, трагедия с «Русскими витязями»: почему это происходит? Есть ответ: нет совершенной технической диагностики и неразрушающего контроля качества.

По масштабам потерь от чрезвычайных ситуаций из-за крайней изношенности (до 80%) оборудования, техническая безопасность требует постоянной диагностики остаточного ресурса и оценки риска эксплуатации (составление банка и базы данных дефектов, аварий наблюдаемых объектов и связи их). Наиболее опасные дефекты в промышленности и строительстве: коррозия, износ, усталость материалов, потери от которых в США и России более 100 млрд $, всё это будет увеличиваться [4].

В настоящее время методы обслуживания машин и механизмов принято подразделять в общем случае на три вида:

Первый вид — обслуживание оборудования после выхода его из строя.

В этом случае машины и оборудование эксплуатируются до выхода их из строя (рис. 1.1) [5]. В основном, это касается дешёвого вспомогательного оборудования при наличии его резервирования, когда замена оборудования дешевле, чем затраты на его ремонт и обслуживание.

В отсутствии резервирования на время ремонта производственный процесс приходиться останавливать. Часто, при эксплуатации оборудования до выхода его из строя, проводятся дополнительно еще и периодические его обследования, что позволяет снижать время ремонта (см. нижний график рис. 1.1) за счет возможности определить в первом приближении время, когда машина может выйти из строя, и своевременно обеспечить обслуживающий персонал запасными частями, имея возможность оценить, какие запасные части могут в этом случае понадобиться.

Поломка.

Производственный процесс Производственный процесс.

Время.

1 Техническое обслуживание / ремонт Поломка.

Производственный процесс Производственный процесс.

1 1 1 1 1 1 1 1 Л.Время.

Периодические измерения.

Техническое обслуживание / ремонт.

Рис. 1.1. Обслуживание оборудования после выхода его из строя.

Второй вид обслуживания — обслуживание оборудования по регламенту.

В этом случае обслуживание производится в соответствии с рекомендациями завода изготовителя через определенные промежутки времени, например, еженедельно или раз в месяц, независимо от технического состояния оборудования. Такой вид обслуживания обычно называется планово-профилактическим. Если периодичность обслуживания определяется методами статистического анализа, то, в соответствии с регламентирующими документами, период между обслуживаньями обычно составляет время, в течение которого не менее 98% оборудования работает без отказов. При обслуживании по регламенту, казалось бы, не теряется, по крайней мере, возможность воспользоваться гарантией завода изготовителя. Но оказывается, что не менее 50% из числа всех технических обслуживаний по регламенту выполняются без фактической их необходимости (Р/РМ.

Technology magazine, 98). Кроме того, для многих машин обслуживание и ремонт по регламенту не снижает частоту выхода их из строя (рис. 1.2) [6].

Более того, надежность работы машин и оборудования после технического обслуживания, если обслуживание предусматривает разборку механизма или замену деталей, часто снижается, иногда временно, до момента их приработки, а иногда это снижение надежности обусловлено появлением отсутствовавших до обслуживания дефектов монтажа. Исследования показали, что порядка 70% дефектов вызвано обслуживанием машин и оборудования [7].

Третий вид обслуживания — обслуживание по фактическому техническому состоянию.

При этом виде обслуживания состояние машин и механизмов контролируется или периодически (при отсутствии дефектов), или в зависимости от результатов диагноза и прогноза технического состояния (см. рис. 1.3). Проведение технического обслуживания в этом случае производится только тогда, когда это необходимо в связи с наступлением высокой вероятности отказа оборудования. Тем самым, не нарушается работа исправного механизма из-за вмешательства человека.

Обслуживание оборудования по фактическому состоянию.

А Уровень механических колебаний.

Поломка.

Техническое обслуживание.

Время.

Техническое обслуживание.

Рис. 1.3. Обслуживание оборудования по техническому состоянию.

Сравнительный анализ различных методов обслуживания оборудования роторного типа по данным Ассоциации Открытых Систем Управления Информацией о Состоянии Машин «MIMOSA», показал, что удельные затраты на техобслуживание в энергетическом секторе США составили в 1998 г.

• $ 18 на л.с. — при работе оборудования до выхода из строя.

• $ 13 на л.с. — при обслуживании по регламенту.

• $ 9 на л.с. — при обслуживании по техническому состоянию. Аналогичные результаты получены и в России, например, при переходе на техническое обслуживание по фактическому состоянию в одном только депо Московка, Западно-Сибирской железной дороги, получен экономический эффект в 1.5 млрд. рублей [8].

Результаты, полученные в России и за рубежом, близки, как с точки зрения коэффициента окупаемости — в 10 раз ($ 25.000 к $ 250.000, и 105 млн руб. к 1,5 млрд руб.), так и с точки зрения сбережения трудовых ресурсов (снижение количества необходимых обслуживаний с 274 до 14 в Европе и с 216 до 17 в России).

Из приведенных данных следует, что наиболее экономически выгодна эксплуатация оборудования по техническому состоянию. Эксплуатация оборудования по техническому состоянию предполагает широкое использование средств и методов неразрушающего контроля, следовательно, разработка эффективных методов неразрушающего контроля является важной задачей.

Все дефекты, подлежащие выявлению при НК, можно разделить на две основные группы [9]:

— производственно — технологические;

— эксплуатационные.

Производственно — технологические дефекты возникают при плавке и литье, при прокате и ковке, при соединении металлов, т. е. сварке, пайке, склеивании, при термической и электрохимической обработке [10]. Эксплуатационные дефекты образуются после некоторой наработки изделий. Их можно разделить на две основные подгруппы: трещины различного происхождения и коррозионные поражения [11].

Проблемы выявления производственно — технологических дефектов, а также эксплуатационных дефектов в виде трещин, занимают значительное место в практике неразрушающего контроля.

Заключение

.

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

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

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

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

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

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

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