МНОГОКАНАЛЬНАЯ АКУСТИКО-ЭМИССИОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
MULTI-CHANNEL ACOUSTIC-EMISSION SYSTEM FOR CONTROL OF STRUCTURAL POWER ELEMENTS

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля силовых элементов конструкций и может быть использовано при разработке систем контроля силовых элементов конструкций в машиностроении, строительстве, ракетно-космической и авиационной технике, топливно-энергетическом комплексе.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкции [Многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкции. Патент на изобретение №2659575 от 3 июля 2018 г.] состоящая из N-каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные преобразователь акустической эмиссии, установленный на объекте контроля в местах максимальной концентрации напряжений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, устройство отображения информации; параллельно соединенные: блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов акустической эмиссии, и два блока вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии, входы которых объединены со входом блока вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, а выходы соединены с соответствующими входами устройства отображения информации. В этой акустико-эмиссионной системе оценка степени опасности дефектов производится на основании получения инвариантов акустической эмиссии, характеризующих отклонение математического ожидания величины сигнала от нормального закона распределения.
Недостатком известной системы является особенность стационарного использования преобразователя акустической эмиссии, в результате чего оператору в начале контроля необходимо самостоятельно выбирать точки установки датчиков на исследуемом образце, что приводит к снижению качества контроля, так как наиболее точные результаты система получает при установке датчиков в местах наибольшей концентрации напряжений, а также это приводит к повышению требований в квалификации оператора.
Ежегодно большое количество высоконагруженных элементов в тяжелой и легкой промышленности подвержены разрушению в результате неправильной эксплуатации такого рода конструкций. Не исключение авиационная и ракетное космическая отрасль. В результате разрушения предприятие эксплуатирующее такие конструкции терпит многомиллионные убытки. Одной из причин несвоевременного выявления опасных дефектов конструкции, будь то производственный брак или результат неправильной эксплуатации (перегрев, механические повреждения, превышение предельной нагрузки и т.д.), является низкая точность или неправильное выполнение контрольных проверок конструкции. В процессе эксплуатации или динамическом нагружении конструкции также наблюдается смещение точек максимальной концентрации напряжений, обозначенных на заводе изготовителе при проведении заключительных испытаний, что приводит к снижению точности контроля конструкции в эксплуатации. Таким образом стационарная установка в установленные производителем точки максимального напряжения становится недостаточно информативным.
Так, актуальной задачей является автономное изменение положения преобразователя акустической эмиссии в реальном масштабе времени при осуществлении контроля в процессе эксплуатации и испытании конструкции на прочность, при котором возможно осуществлять контроль не конкретной точки или места, а области конструкции с целью выявления локализации напряжения в ней.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности акустико-эмиссионного контроля и оценка степени опасности дефектов с учетом динамически изменяющихся мест локализации максимальной концентрации напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной многоканальной акустико-эмиссионной системе контроля силовых элементов конструкций, состоящей из N-каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные преобразователь акустической эмиссии, установленный на объекте контроля в местах максимальной концентрации напряжений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, устройство отображения информации; параллельно соединенные: блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов акустической эмиссии, и два блока вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии, входы которых объединены со входом блока вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, а выходы соединены с соответствующими входами устройства отображения информации, согласно изобретению, в каждый канал контроля дополнительно введены последовательно соединенные блок управления углом установки преобразователя акустической эмиссии, элемент сравнения заданного и действительного угла установки преобразователя акустической эмиссии, регулятора угла установки преобразователя акустической эмиссии, а также на преобразователь акустической эмиссии установлен датчик угла его установки.
Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно показания акустических сигналов от объекта исследования, обобщенные в устройстве отображения информации, передаются в блок управления углом установки преобразователя акустической эмиссии, где вырабатывается заданное значение угла установки, затем это значение сравнивается с действительным значением угла установки в элементе сравнения, в результате чего потребное значение изменения угла установки преобразователя передается в регулятор угла установки. Контроль правильности изменения угла установки преобразователя обеспечивается датчиком угла установки преобразователя акустической эмиссии установленном непосредственно на преобразователе с целью анализа всей поверхности объекта контроля и обеспечения его нахождения места локализации максимального нагружения конструкции.
В ходе исследований разрушения высоконагруженных элементов конструкции неразрушающими методами контроля, проводимых в Военном учебно-научном центре Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» установлено, что при использовании элементов системы неразрушающего контроля возникали ложные разовые сигналы, а также искажение линейных параметров исследуемого объекта при динамическом изменении нагружения конструкции при котором изменялось положение точек максимального нагружения конструкции. Данного рода погрешности проявлялись в условиях экстремальных температур при исследовании камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей, а также при исследовании конструкции планера летательного аппарата при моделировании больших перегрузок на придельных скоростях полета. В результате проведенных исследований параметры исследуемого объекта в некоторых случаях не совпадали с аналитическим результатом исследования.
Для решения возникшей проблемы был применен канал управления углом установки преобразователя акустической эмиссии. В качестве преобразователя акустической эмиссии наиболее предпочтительным является многоканальный голографический интерферометр, за счет своего удаленного расположения он не вносит вклад в изменение параметров распределения сигналов по конструкции, а также позволяет на достаточном расстоянии от объектов сложной геометрической формы выбрать любую точку на поверхности конструкции для контроля.
Принцип работы многоканального интерферометра и его основные преимущества широко описан во всех доступных источниках информации, в том числе в [ГОСГОРТЕХ Надзор России «Требования к преобразователям акустической эмиссии, применяемым для контроля опасных производственных объектов РД 03-300-99»].
При контроле высоконагруженной детали сложной геометрической формы при динамическом нагружении применение многоканального голографического интерферометра с каналом управления углом установки преобразователя акустической эмиссии позволили в реальном масштабе времени при эксплуатации и испытаниях отслеживать места локализации максимальной концентрации напряжения в конструкции, которые в большинстве случаев на совпадали с предписанными заводом изготовителем точками, что позволило при сохранении начального количества преобразователей акустической эмиссии значительно повысить точность диагностирования дефектов и процессов разрушения высоконагруженных элементов конструкции.
Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
На фиг. 1 приведена структурная схема возможного варианта исполнения каналов контроля разработанного устройства, где обозначено: 1 - высоконагруженный элемент конструкции; 2 - преобразователь акустической эмиссии; 3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 4 - блок вычисления известных акустико-эмиссионных критериев; 5 - блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов акустической эмиссии; 6 - блок вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии; 7 - устройство отображения информации; 8 - блок управления углом установки преобразователя акустической эмиссии; 9 - элемент сравнения заданного и действительного угла установки преобразователя акустической эмиссии; 10 - регулятор угла установки преобразователя акустической эмиссии; 11 - датчик угла установки преобразователя акустической эмиссии.
Блоки 4, 5, 6, 8 могут быть выполнены на базе микроконтроллеров.
Назначение аналого-цифрового преобразователя 3, устройства отображения информации 7, элемента сравнения заданного и действительного угла установки преобразователя акустической эмиссии 9, регулятора угла установки преобразователя акустической эмиссии 10, датчика угла установки преобразователя акустической эмиссии 11 ясны из их названия.
Преобразователь акустической эмиссии 2 может быть выполнен в виде голографического интерферометра. Он предназначены для регистрации малых перемещений при деформации твердых тел и представлены в широком доступе с большим номенклатурным рядом.
Блок вычисления акустико-эмиссионных критериев 4 работает согласно прототипу, и предназначен для вычисления известных (амплитудного, интегрального, локально-динамического и интегрально-динамического) критериев оценки процессов разрушения конструкций, основанных на анализе амплитуды и интенсивности сигналов акустической эмиссии [Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов. ПБ 03-593-03. Гостехнадзор РФ, 2003].
Блок вычисления инварианта временных интервалов импульсов акустической эмиссии 5 работает согласно прототипу, и предназначен для вычисления инварианта временных интервалов импульсов акустической эмиссии в процессе деформирования конструкции. Этот блок выполнен по схеме, приведенной в [патент RU 2233444, МПК 7, дата публикации 27.07.2004, Бюл. №21].
Блок вычисления инварианта числа импульсов акустической эмиссии 6.1 работает согласно прототипу, и предназначен для вычисления инварианта числа импульсов акустической эмиссии в процессе деформирования конструкции. Этот блок выполнен по схеме, приведенной в [патент RU пат. 2367941 МПК 7, дата публикации 20.09.2009, Бюл. №26].
Блок вычисления инварианта числа импульсов акустической эмиссии
6.2 работает согласно прототипу, и предназначен для вычисления инварианта числа импульсов акустической эмиссии в процессе деформирования конструкции. Этот блок выполнен по схеме, приведенной в [патент RU пат. 2367942 МПК 7, дата публикации 20.09.2009, Бюл. №26].
Блок управления углом установки преобразователя акустической эмиссии 8 предназначен для вычисления, заданного (потребного для контроля) угла установки преобразователя акустической эмиссии.
Регулятор угла установки преобразователя акустической эмиссии 10 предназначен для изменения угла установки преобразователя акустической эмиссии представленные в виде актуатора.
Элемент конструкции 1 имеет N количество выходных каналов контроля, каждый из которых соединен со входом в преобразователь акустической эмиссии 2, при этом выход преобразователя акустической эмиссии 2 соединен со входом аналогово-цифрового преобразователя 3, первый выход которого соединен со входом блока вычисления известных акустико-эмиссионных критериев 4, выход которого соединен с первым входом устройства вывода информации 7, второй выход аналогово-цифрового преобразователя 3 соединен со входом блока вычисления инвариантов временных интервалов импульсов акустической эмиссии 5, выход которого соединен со вторым входом устройства вывода информации 7, третий выход аналогово-цифрового преобразователя 3 соединен со входом блока вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии 6.1, выход которого соединен с третьим входом устройства вывода информации 7, четвертый выход аналогово-цифрового преобразователя 3 соединен со входом блока вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии 6.2, выход которого соединен с четвертым входом устройства вывода информации 7, данная схема соединения элементов справедлива для всех каналов контроля от 1 до N, при этом в отличии от известных решений дополнительно в разработанной системе выход устройства вывода информации 7 соединен с последовательно соединенными блоком управления углом установки преобразователя акустической эмиссии 8, элементом сравнения заданного и действительного угла установки преобразователя акустической эмиссии 9, регулятором угла установки преобразователя акустической эмиссии 10 выход которого соединен со вторым входом преобразователя акустической эмиссии 2, а также второй выход преобразователя акустической эмиссии 2 соединен со входом датчика угла установки 11 выход которого соединен со вторым входом элемента сравнения заданного и действительного угла установки преобразователя акустической эмиссии 9.
В устройстве 7 происходит отображение значений известных акустико-эмиссионных критериев и инвариантов на каждой секунде деформирования по каждому каналу регистрации, как это указано в [Многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкции. Патент на изобретение №2659575 от 3 июля 2018].
Таким образом, в процессе эксплуатации (испытаний) при нагружении (деформировании) конструкций оперативно определяется степень опасности дефектов с учетом динамического изменения мест локализации максимальной концентрации напряжений, исходя из которой принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции и выработке рекомендаций по изменению конструкции элементов таких изделий с учетом анализа наиболее точного и достоверного сигнала, полученного от конструкции.