Разработка методов и средств повышения динамической надежности и остаточного ресурса многоэлементных вихретоковых преобразователей

Неразрушающий контроль (НК) находит все большее признание потребителей как инструмент повышения качества выпускаемой продукции и гарантирует ее долговечность эксплуатации. Создание сложных высоконадежных средств НК в свою очередь немыслимо без объективного контроля правильности их функционирования в соответствии с требованиями, указанными в технических условиях на конкретное средство НК. В этой связи развитие систем диагностирования самих средств НК по определению их надежности и остаточного ресурса, особенно вновь создаваемых сложных средств НК, диагноза текущего состояния на всех этапах жизни становится важной и ответственной задачей.

В отечественной практике накоплен обширный материал и создан теоретический задел по определению остаточного ресурса производственных объектов, в том числе ответственного назначения [16]. Однако подобных рекомендаций или технических указаний по расчету реального остаточного ресурса средств НК, используемых для диагностики указанных производственных объектов, нет.

Исследование поведения объекта во время эксплуатации и оценка его качества определяет его надежность. Для количественного выражения надежности объекта и для планирования эксплуатации используются специальные характеристики — показатели надежности [15, 117]. Они позволяют оценивать надежность объекта или его элементов в различных условиях и разных этапах эксплуатации.

Большой вклад в развитие теории надежности элементов и систем внесли зарубежные и отечественные ученые — Д. Ллойд, Р. Барлоу, Ф. Прошан, Б. Гнеденко, Ю. Беляев, А. Колмогоров, И. Коваленко, И. Павлов, Ю. Руденко, А. Соловьев, И. Ушаков и др. 109−118].

Новые экономические условия, в которых оказалась Россия, разрушение научно — производственной инфраструктуры и появление на рынке электрооборудования зарубежных производителей существенно изменило цели и методы оценки и обеспечения надежности. Кроме того, появление, развитие и распространение сложных систем, компонентами которых являются технические средства, программное обеспечение, человек требуют новых подходов к оценке их надежности [15, 17].

Одним из важнейших вопросов теории и практики надежности является математическое моделирование функционирования систем, разработка методов и алгоритмов расчета, анализа и прогнозирования их надежности и остаточного ресурса [110, 113].

Сложность решения задачи анализа и прогнозирования надежности систем обусловлена отсутствием универсальных методов учитывающих неполноту и неоднородность исходной информации как о надежности самих элементов систем так и информации о реальной эксплуатации. Поэтому разработка новых математических методов и алгоритмов расчета, анализа и прогнозирования их надежности и остаточного ресурса систем при неполной информации является чрезвычайно важной задачей.

При выпуске новых стандартов для базовых узлов корпусных конструкций и электронных элементов восстанавливаемых средств НК предполагалось, что при выходе из строя этих средств или же при первой их модернизации механические узлы и электронные элементы быстро заменят на новые. Однако этого своевременно не происходит, поскольку нормативные документы, создаваемые в последнее десятилетие на вновь выпускаемые приборы, не могли быть разработаны из-за отсутствия рекомендаций потребителей контрольно-измерительных средств. Для невосстанавливаемых средств НК в процедуре замены элементов и модернизации нет необходимости, зато необходимо знать точное значение остаточного ресурса.

Имеющийся опыт проведения испытаний средств НК на механическую и метрологическую надежность показывает, что самым слабым звеном в аппаратуре НК является конструкция первичного измерительного преобразователя физических параметров. В качестве такого преобразователя в диссертационной работе рассматривается конструкция многоэлементного (матричного) вихретокового преобразователя (МВТП), включающая в себя корпусные детали, электронные компоненты, в том числе катушки индуктивности, а так же электрические связи и каналы передачи информации.

В настоящее время для повышения точности, разрешающей способности и прозводительности неразрушающего контроля (НК) в различных отраслях промышленности и транспорта широко используются приборы и автоматизированные комплексы с первичными многоэлементными электромагнитными преобразователями:-для диагностики газонефтепроводов (дефектоскопы-снаряды и интроскопы «КОД -2М,-4М», «КРОТ 1200», МИ-20 В, МИ-31, Linalog и др. фирм: ЦТД «Интроско», ЦТД «Диаскан», «Саратовгазприборавтоматика», МНПО «Спектр», AMF Tuboscope США), — для дефектоскопии несущих конструкций самолетов и ракет (универсальные приборы MIZ -17ЕТ, MIZ -20, MIZ —40 фирмы Zetek США, Elotest -340 фирмы Rohmann Германия), -для контроля металлопроката в процессе производства (Defektomat-S фирмы Instit. dr Forster Германия), в атомной энергетике (Eddyscan-3D фирмы CMS Франциия), — для контроля теплопроводов ЖКХ (инроскопы МИ-10 МИ -20 фирмы ЦТД «Интроско», МНПО «Спектр»), — для контроля рельсового пути на железнодорожном транспорте (МНПО «Спектр») [1−10, 19−29, 95−98].

Сегодня развитие и совершенствование электромагнитных методов и средств обусловлено ростом объемов контроля, сложностью изделий и объектов контроля, высокими требованиями к информативности и достоверности результатов, производительности контроля. Все это привело к созданию многоэлементных преобразователей, потенциальные возможности которых значительно выше, чем у одноэлементных преобразователей или системы из этих преобразователей, подключенных к многоканальному устройству [19,30−39].

Основной задачей диагноза аппаратуры НК является систематическая проверка технического состояния конструкции многоэлементного ВТП (МВТП) с целью: выявления отклонений его эксплуатационных характеристик от предельно-допустимых значений, указанных в технических условиях на данное средство, отыскания мест неисправности при отклонении показателей этого средства, определения характера и причины возникновения неисправности и выработки рекомендаций по реанимации конструкции МВТП.

Для того, чтобы лучше понять основные принципы многопараметрового контроля, чаще всего техногенных объектов, используются два метода — это многочастотный способ многопараметрового контроля и одночастотный или комбинированный способ контроля одновременно несколькими как правило параметрическими ВТП. Наиболее простая в математическом представлении, надежная и развитая в последние годы является вторая схема контроля физических параметров — это электромагнитная матрица, состоящая из набора параметрических ВТП.

При эксплуатации МВТП его располагают непосредственно в зоне исследуемого участка объекта контроля, эксплуатируемого часто в тяжелых экстремальных условиях, а иногда в агрессивных средах. При этом конструкция МВТП так же испытывает на себе те же внешние воздействия как и объект контроля. Изменение механической жесткости и прочности, а так же понижение помехоустойчивости МВТП существенно ухудшают метрологию всей аппаратуры НК до определенного предела, после которого дальнейшее ужесточение требований к средству НК, в том числе и модернизация конструкции восстанавливаемого МВТП и его узлов, на первый взгляд нецелесообразна. Однако практика показывает, что обновление конструктивных и электронных узлов и компонентов МВТП всегда благоприятно влияет на его работоспособность в пределах первоначально заданных технических требований, дешевле, чем покупка нового МВТП, а следовательно экономически оправдано.

Потребителю средства НК всегда важно знать наряду с так называемой предысторией его метрологических показателейэксплуатационный ресурс и остаточный запас срока службы МВТП. Данное исследование позволяет обоснованно рассчитать по статистической информации, а затем предсказать на основе адекватных критериев (примерах), стратегию надежности и остаточного ресурса комплексных средств НК, в частности первичных средств преобразования измеряемых параметров.

В связи с вышеизложенным тема диссертации, направленная на решение задач повышения надежности и эксплуатационного ресурса многоэлементных вихретоковых преобразователей, является актуальной и имеет большое научно-практическое значение.

1.Цель и задачи диссертации.

Целью данной диссертации является разработка методов и средств повышения динамической надежности как отдельных элементов конструкции МВТП, так и конструкции в целом, разработка математического аппарата для расчета требуемого уровня надежности и остаточного эксплуатационного ресурса МВТП, математической модели прогнозирования его надежности и на этой основе — разработка устройства автоматической самодиагностики МВТП.

2.Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.

1. Проанализировать существующие типы конструкций МВТП, исследовать основные факторы влияющие на их надежность и выбрать методы и пути повышения надежности и ресурса работы МВТП.

2. Разработать математическую модель для расчета и анализа надежности элементов конструкции МВТП и предложить способы ее повышения.

3. Разработать алгоритмы расчета требуемого уровня надежности МВТП и его остаточного эксплуатационного ресурса, исследовать их параметры.

4. Разработать математическую модель прогнозирования надежности МВТП.

5. Разработать рекомендации по повышению надежности и ресурса работы МВТП, а также аппаратные и программные средства для устройства автоматической самодиагностики МВТП.

3.Методы решения задач и исследований.

Решение поставленных задач основывается на использовании методов теории вероятности, теории надежности, нейроматематики, теории анализа и планирования эксперимента. Экпериментальные данные анализировались с помощью аналитической платформы «Deduktor» и современных автоматизированых средств измерений.

4.Научная новизна основных результатов работы.

Разработан математический аппарат и алгоритм расчета эксплуатационной надежности как отдельных элементов и узлов конструкции МВТП, так и конструкции в целом, используя принципы вероятностного представления нестационарных случайных процессов.

Получены формулы и алгоритмы расчета требуемого уровня надежности и остаточного эксплуатационного ресурса МВТП, используя математический аппарат теории надежности.

Предложена математическая модель прогнозирования надежности МВТП, используя математический аппарат искусственных нейронных сетей.

Разработаны принципы построения устройств самодиагностики МВТП.

5.Практическая ценность и значимость.

1. Даны рекомендации по разработке конструкций МВТП высокого уровня надежности, обеспечивающие их эксплуатацию в экстремальных условиях.

2. Разработаны методика инженерного расчета остаточного ресурса МВТП и алгоритмы прогнозирования его эксплуатационной надежности.

3. Разработаны аппаратные и программные средства для устройства автоматической самодиагностики МВТП.

4. Применение програмно-алгоритмических и аппаратных средств позволило повысить надежность МВТП на 20% и увеличить ресурс на 15−20%.

6.Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы используются и внедрены в ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» при разработке новых портативных приборов для автоматического контроля качества элементов и узлов космических аппаратов, в ГП «Научно-исследовательский машиностроительный институт» для разработки средств неразрушающего контроля физико-механических свойств и толщины тонкометалических элементов специзделий с повышеной эксплуатационной надежностью и ресурсом.

7.Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XVII Росийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеренбург, 2005 г.), 4-й и 5-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2005 и 2006 г. г.), на НТК и семинарах МГУПИ, НИИИН, НИМИ.

8.Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Получен патент на изобретение № 2 248 565 от 20.03.2005 г.: «Способ определения метрологических показателей и надежности матричного вихретокового преобразователя в динамических условиях эксплуатации».

9.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии из 128 наименований, и приложений общим объёмом 111 стр. м.п. текста и 25 иллюстраций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Выполнена классификация МВТП по информационным свойствам, по пространственному положению элементов конструкции, по форме элементов и по их конструктивному исполнению, а также выполнен анализ основных типов конструкций МВТП и сделана их систематизация, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

2. Для повышения надежности работы МВТП в экстремальных условиях эксплуатации разработан ряд их конструкций с защитой от теплового водействия с использованием термостабильных корпусных деталей, электронных компонентов и термостойких проводов, плакированных никелем с изоляционным покрытием (типа ПНЭТ-ИМИД) на каркасах из керамики типа 22ХС, а также предложены схемотехнические решения для устройства температурной компенсации и защиты конструкции от влажности за счет использования уплотнительных прокладок из нержавеющей стали с индиевым покрытием и герметизации сваркой или пайкой по всему периметру корпуса с заполнением объема корпуса инертным газом (аргоном или азотом) с небольшим избыточным давлением.

3. Дан ряд рекомендаций по защите МВТП от воздействия электромагнитных излучений на их метрологические характеристики за счет применения многослойных экранов с последовательно чередующими слоями: медь-пермаллой-медь, пермаллой-медь, медь-сталь-медь и др., введения воздушного промежутка между слоями в 20.40% от суммарной толщины экрана. При защите конструкции МВТП, являющегося источником электромагнитного поля, материал с низкой магнитной проницаемостью помещается внутрь, с высокой — наружу, что дополнительно обеспечивает локализацию поля МВТП в излучающей его части конструкции.

4. Разработан математический аппарат и алгоритм расчета эксплуатационной надежности как отдельных элементов и узлов конструкции МВТП, так и конструкции в целом, используя принципы вероятностного представления нестационарных случайных процессов.

5. Используя математический аппарат теории надежности, получены формулы и алгоритмы расчета требуемого уровня надежности и остаточного эксплуатационного ресурса МВТП.

6.Предложена математическая модель и алгоритм прогнозирования надежности МВТП, на основе теории искусственных нейронных сетей.

7.Установлено, что величина остаточного запаса срока службы МВТП (Кос) превышает время фактического срока службы (Крс) МВТП на 20−30% и более в зависимости от простоев контролируемого объекта, на котором установлен МВТП. Чем больше число эментов в МВТП, тем выше величина остаточного запаса срока службы (К0с).

8.Разработаны аппаратные и программные средства для устройства автоматической самодиагностики МВТП, применение которых в приборах НК в ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» и ГП НИМИ позволило повысить надежность МВТП на 20% и увеличить их ресурс на 15−20%.

9. Устройство самодиагностики апробировано на разработанных в МГУПИ дефектоскопе «ЗондВДМЭП» и компьютеризированной установке «КОМВИС-12», а также может быть использовано в составе существующих дефектоскопов типа ВД-89НМ, Elotest -340, MIZ-17ET, MIZ -40, интроскопов МИ -10, МИ -31 и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Долговременное и правильное функционирование многомерных действующих промышленных объектов, в том числе и особо высокой опасности, невозможно без развитой системы технического диагностирования объектов. В свою очередь средства НК должны обладать высокой степенью эксплуатационной надежности и метрологическими показателями, абсолютно четко соответствующими нормативам, не превышающим предельно-допустимых значений, указанных в технических требованиях к средству НК.

Разработанные в диссертационной работе математический аппарат расчета эксплуатационной надежности как отдельных элементов, модулей, узлов, компонентов конструкции многопараметрового МВТП, так и конструкции в целом, а так же его остаточного ресурса позволяют разработчику создать конструкцию высокого уровня надежности, обеспечивающу эксплуатацию МВТП в экстремальных условиях. Кроме того, в работе приведены методы испытаний, устройства поверки и температурной компенсации МВТП. Проведенные исследования дают возможность разработчику электронной аппаратуры создать автоматизированную программу расчета указанных выше характеристик, тем самым сэкономить финансовые средства на проектирование конструкции МВТП и добиться требуемого ее конструктивного и эксплуатационного совершенства.

Алгоритмы расчета надежности элементов основаны на принципах вероятностных представлений случайных процессов [4]. Информационное обеспечение связано с созданием многокомпонентных устройств самодиагностики, т. е. источников сигналов, имитирующих с высокой идентичностью случайные процессы, адекватные многомерным объектам, с заданными вероятностными характеристиками, и образцовых мер для поверки МВТП.

Оснвные результаты полученные в проведенных исследований дают возможность разработчику МВТП:

— рассчитать параметры надежности элементов конструкции МВТП и спроектировать конструкцию МВТП высокого уровня надежности, обеспечивающей его эксплуатацию в экстремальных условиях;

— создать расчетную модель эксплуатационной надежности МВТП и его остаточного ресурса;

— разработать алгоритм и по нему создать программу обеспечения заданных надежности и остаточного ресурса МВТП;

— испытать созданную конструкцию в экстремальных условиях.

С повышением степени интеграции электронных компонентов, встраиваемых в схемы МВТП, возрастает сложность диагностических систем проверки характеристик ВТП контрольно-измерительного комплекса, решение которой невозможно без совместного контакта разработчиков той и другой аппаратуры. Можно привести еще большое количество проблем, связанных с решением излагаемой в диссертационной работе задачи, которые потребуют в ближайшие годы усилий конструкторов и технологов контрольно-измерительной и поверочной аппаратуры. В то же время некоторое отставание методов и систем диагноза непосредственных средств Ж уже сдерживает дальнейшее укрупнение интегральных схем, развитие которых получило в наше время, так как становится сложно известными методами проверить изготавливаемые сборочные единицы типа МВТП. Однако нет сомнений в том, что это отставание будет преодолено в ближайшие годы.