УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ

Устройство для прогнозирования остаточного ресурса и физико-механических параметров материалов при неразрушающем контроле
Полезная модель относится к средствам для исследования свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий в виде одиночных ударных воздействий.
Известны устройства для исследования характеристик твердых материалов, выполненные по структуре «источник ударного воздействия - исследуемый материал - акселерометр - персональный компьютер (ПК)» (RU 2100794 С1, G 01 N 3/48, 27.12.1997; US 5736631 A, G 01 N 3/30, 07.04.1998, US 5490411 A, G 01 N 3/30, 13.02.1996).
Недостатки известных устройств определяются узкой областью практического использования, охватывающей лишь отдельные специфические материалы, для которых выявляются только общие и типовые характеристики. Кроме того, нельзя признать удовлетворительным качество исследования, обеспечиваемое известными устройствами, поскольку испытания материалов проводятся с силой ударного воздействия в жестко ограниченном диапазоне.
Наиболее близким к предложенному является устройство, реализующее прогнозирование остаточного ресурса металла неразрушающим контролем отклика акустоэмиссионного излучения и включающее в себя средства для ввода в исследуемую среду излучения, съема амплитудно-частотного спектра, его узкополосовой фильтрации, выделения и анализа составляющих спектра испускания, в том числе и с использованием ПК (RU 2003134817 A, G 01 N 29/14, 10.05.2005).
В известном устройстве спектральный анализ осуществляется посредством быстрого преобразования Фурье со взвешиванием спектральных полос оконной функцией по отдельным информативным частотам. При этом анализ физико-механических свойств и исходного материала и амплитудно-частотного спектра на момент диагностики производится в трех наиболее информативных частотных диапазонах по частотному параметру - смещению резонансных частот к своим минимальным значения, а для определения прогноза остаточного ресурса и текущих физико-механических параметров используется коэффициент перехода. Корректность данного коэффициента обеспечивается взвешиванием спектральных полос оконной функцией Хэмминга позволяющей одновременно устанавливать эквивалентный эталонный угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей с учетом деградации на момент диагностики по одной из максимальных амплитуд частотных резонансов, эквивалентный угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей
на момент диагностики с учетом деградации по максимальным амплитудам частотных резонансов и эквивалентный угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей на момент полной деградации. Механические свойства, в том числе, циклическая трещиностойкость на момент диагностики определяется по выявленной аналитической зависимости, а прогноз остаточного ресурса - через эталонную циклическую трещиностойкость, циклическую трещиностойкость на момент аварии и времени эксплуатации на момент диагностики.
Однако известное техническое решение характеризуется существенными погрешностями прогнозирования, обусловленными необходимостью проведения значительного количества достаточно сложных расчетных операций.
Задачей полезной модели является повышение точности подобного диагностирующего устройства. Технический результат выражается в более точном и быстром выявлении дефектов образцов, а также в выработке рекомендаций по увеличению остаточного ресурса.
Поставленная задача решается предложенным устройством для прогнозирования остаточного ресурса и физико-механических параметров материалов при неразрушающем контроле, которое содержит источник прикладываемого к исследуемому объекту ударного воздействия, выполненный в виде молотка со встроенным зонным экраном Френеля, обеспечивающим фокусировку энергии удара,
акселерометр, связанный с исследуемым объектом и предназначенный для преобразования возникающих в материале акустических сигналов в электрические колебания, ПК, связанный с акселерометром микрофонным входом и выполненный с возможностью отображения на экране полученных электрических колебаний в реальном масштабе времени и определения на фоне экспоненциального затухания местонахождения максимального дефекта по длине исследуемого объекта, регулирования источника ударного воздействия по уровню электрических колебаний, оцифровывания электрических колебаний посредством встроенного аналого-цифрового преобразователя - «звуковой карты», осуществления программного спектрального анализа оцифрованного акустического сигнала путем Фурье-преобразования в частотных диапазонах 17-55, 50-450 и 1900-2700 Гц, регламентирующих развитие соответственно малоцикловой усталости на базе винтовых дислокации, расслоений без обезуглероживания на базе краевых дислокации и трещин с обезуглероживанием на базе когерентности потоков свободных вакансий, идущих на торможение винтовых и краевых дислокации, выведения на экран спектра оцифрованного акустического сигнала во всех трех диапазонах,
накопления результатов по нескольким измерениям, количество которых выбрано из условия обеспечения требуемой помехоустойчивости;
вычисления после каждого измерения трех максимумов и нахождения величин дефектов по вычисленным максимумам с использованием табличных значений и определения предположительных причин дефектов;
итогового расчета остаточного ресурса и физико-механических параметров объекта.
Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки полезной модели.
В качестве ПК был использован отечественный ноутбук «Partner E415L VIA» с установленным программным обеспечением «Iron-6», являющийся по своей сути сложным измерительным комплексом [1] с возможностью обработки электроакустического сигнала акселерометра в реальном масштабе времени [2]. Технические характеристики ПК обеспечивали индикацию и сохранение результатов измерений [3]. ПК выполнен с возможностью осуществления спектрального анализа по программе «Iron-6» со взвешиванием оцифрованного акустического сигнала и ограничением во времени базисных функций с помощью оконной функции, коэффициенты которой подобраны из условия достижения оптимального соотношения между уровнем боковых лепестков и шириной центрального лепестка.
ПК может быть выполнен с возможностью осуществления спектрального анализа с помощью быстрого Фурье-преобразования по отдельным частотам с разрешением по спектру, равным 0,5 Гц во всех выбранных частотных диапазонах. При этом предполагается взвешивание оцифрованного сигнала и ограничение по времени базисных функций преобразования с помощью оконной функции Хэмминга.
ПК может быть выполнен с возможностью осуществления спектрального анализа с помощью вейвлет-преобразования по отдельным частотам согласно алгоритму Герцеля с разрешением по спектру, равным 0,5 Гц во всех выбранных частотных диапазонах. При этом предполагается взвешивание оцифрованного сигнала и ограничение по времени и амплитуде базисных функций преобразования с помощью оконной функции Хэмминга-Маллата.
ПК выполнен с возможностью определения при спектральном анализе в каждом частотном диапазоне значений резонансной частоты, соответствующей максимальной амплитуде, углов разориентации зеренных кристаллических структур, габаритов дефектов, величин максимальной резонансной амплитуды, а также выведения на экран таблицы для определения причины деградации.
При неразрушающем контроле используются кроме преобразования акустического сигнала в цифровой и разложения его на спектры, следующие параметры о диагностируемом металле, получаемые из справочных материалов: временный предел прочности, предел текучести,
относительное удлинение, относительное сужение, модуль упругости, объемная плотность и теплопроводность.
Диагностика материала трубопроводов, эстакад, железнодорожных рельс, надрессорных балок железнодорожных вагонов, портальных кранов, кожухов конвертеров, воздухонагревателей доменных печей, фюзеляжей самолетов, корпусов кораблей и других металлоконструкций осуществляется без зачистки металла от грязи, краски и ржавчины через контакт со шпилькой акселерометра.
На фиг.1 представлена общая структура построения предложенного устройства для прогнозирования остаточного ресурса и физико-механических параметров материалов при неразрушающем контроле, а на фиг.2 в качестве примера показаны полученные данным устройством информативные спектры оцифрованного принудительного акустического отклика памяти эммиссионно адсорбционных структурных изменений металла кожуха конвертора.
В состав устройства входят:
источник прикладываемого к исследуемому объекту ударного воздействия, выполненный в виде молотка 1 со встроенным зонным экраном Френеля, обеспечивающим фокусировку энергии удара;
акселерометр 2, например типа «KD-45» фирмы «Robotron» (ГДР), связанный с исследуемым объектом и предназначенный для преобразования возникающих в материале акустических сигналов в электрические колебания;
ПК 3, связанный с акселерометром 2 микрофонным входом (встроенный в ПК микрофон отключен).
Позицией 4 на фиг.1 обозначен исследуемый объект (материал), например металл.
Работает устройство следующим образом.
С помощью молотка 1 осуществляется закачка энергии и ударное возбуждение объекта 4. Контакт с поверхностью объекта 4 осуществляется через встроенный в молоток 1 зонный экран Френеля, обеспечивающий фокусировку энергии и, тем самым, увеличение скорости звука минимум на 2%. (минимальная зона Френеля имеет диаметр: 2 мм, углубление между минимальной зоной и кольцевой зоной 2÷4 мм, ширина кольцевой зоны: 4-6 мм.) При этом напряжение соударения зонного экрана молотка 1 с поверхностью объекта 4 превышает 2 Па.
Акустические сигналы, возникающие в металле 4 при ударном возбуждении, преобразуются акселерометром 2 в электрические колебания. Сигнал с выхода акселерометра 2 подается на стандартный микрофонный (линейный) вход ПК 3, оцифровывается встроенным аналого-цифровым преобразователем («звуковой картой») и анализируется специальной программой "Iron-6". Уровень сигнала отображается на экране, что позволяет оператору регулировать силу удара. Запуск программы производится оператором путем двойного щелчка по иконке "Iron", находящейся на рабочем столе ПК 3.
Программа «Iron-6» производит спектральное преобразование оцифрованного акустического сигнала в 3-х частотных диапазонах. Поля трех частотных диапазонов располагаются друг под другом и ограничены визирными линиями. Границы информативных диапазонов:
мс
f=15÷55 Гц, регламентирующих развитие малоцикловой усталости в виде питтинга, язв, пятнистых ликвации, вторичных структур по границам зерен и т.п. на базе развития винтовых дислокации;
мр
f=50÷450 Гц, регламентирующих развитие расслоений без обезуглероживания в виде флокенов, корочек и т.п. на базе развития краевых дислокации;
сд-о
f=1900÷2700 Гц, регламентирующих развитие трещин с обезуглероживанием в виде дендритных ликвации, структурных ликвации, зональных ликвации, крупного зерна, шиферных изломов, нафталиновых изломов, черных изломов, расслоений и т.п. на базе развития когерентности потоков свободных вакансий идущих на торможение винтовых и краевых дислокации, что отражает изменения спектральных атомных магнитных моментов, стабилизирующихся структурной жесткостью упругих доменов.
Для повышения скорости работы программы может использоваться быстрое Фурье-преобразование по отдельным частотам (алгоритм Герцеля). Разрешение по спектру - 0,5 Гц во всех диапазонах. Длительность анализируемого сигнала (величина обратная разрешению по спектру) - 2 сек.
Следует заметить, что преобразование Фурье предполагает бесконечную временную протяженность исходного сигнала. Так как реальный сигнал ограничен во времени, то существует два пути разрешения данного противоречия.
Первый путь предполагает периодическое продолжение сигнала в бесконечность. При этом непрерывный спектр сигнала распадается на набор спектральных компонент (дискретизация по частоте) и информация теряется в промежутках между спектральными компонентами.
Второй путь состоит в ограничении во времени базисных функций преобразования. В этом случае, если в качестве базовых функций по прежнему остаются cos() и sin(), происходит взаимовлияние участков спектра друг на друга. Ошибка вычисления может достигать 50%. Данный эффект вызван тем, что при локализации базисных функций во времени теряется их локализация в спектральной области. Классический метод сжатия базисных функций по спектру предусматривает их умножение на некоторую функцию, называемую окном. Окно Хэмминга дает хорошие результаты при высокой скорости вычислений.
Представляет интерес примененный в данном техническом решении подход, заключающийся в том, что во времени изменяется не только амплитуда базисной функции, но и ее фаза. При этом удается достигнуть максимальной локализации базисной функции по частоте. Имеется строгое математическое доказательство данного факта. Модифицированное таким образом окно часто называют вейвлетом (всплеском). Преобразование по
данным функциям определяют как вейвлет-преобразование [4]. В настоящее время разработаны алгоритмы быстрого вейвлет-преобразования [5], аналогично быстрому преобразованию Фурье. В предложенном устройстве преимущественно используется модифицированное преобразование Хэмминга - Маллата. Как и ранее, разрешение по спектру - 0,5 Гц во всех диапазонах, а длительность анализируемого сигнала - 2 сек.
С учетом изложенного для уменьшения взаимовлияния спектральных полос друг на друга предпочтительно производить взвешивание сигнала с использованием модифицированной оконной функцией Хэмминга:
W(i)=(1-K1)-K1*cos(2π*K2*i/N),
где N - число отсчетов, i - номер отсчета.
Коэффициенты функции К1 и К2 подбирались экспериментальным путем с целью достижения оптимального соотношения между уровнем боковых лепестков и шириной центрального лепестка. Эксперименты проводились на нескольких эталонных образцах с различными дефектами. Эксперименты показали, что введение второго коэффициента К2, изменяющего коэффициент прямоугольности центрального лепестка, позволяет более точно выявлять дефекты образцов.
Программа «Iron-6» производит накопление результатов по нескольким измерениям, что уменьшает воздействие помех. Число измерений определяется оператором.
Программа «Iron-6» выводит на экран ПК 3 спектр сигнала во всех трех частотных диапазонах. После каждого измерения вычисляются три
максимума и по табличным значениям находятся величины дефектов и определяется их предположительная причина. Так как табличные значения дискретны, то для нахождения промежуточных значений используется линейная аппроксимация.
В каждом диапазоне, в том числе и в эталонном поддиапазоне программа определяет значения резонансной частоты, соответствующей максимальной амплитуде, углы разориентации зеренных кристаллических структур, габариты дефектов, величины максимальной резонансной амплитуды. На монитор выводится таблица для определения причины деградации.
Полученные данные могут быть записаны в файл на жестком диске ПК 3 и считаны для последующего анализа.
Внешний вид экрана программы «Iron-6» с отображением исследования во всех трех частотных диапазонах показан на фиг.2.
В заключение производится обработка по методу анализа структурных изменений (МАСИ), результатом которой является таблица с физико-механическими параметрами.
Таким образом, в предложенном техническом решении фактически имеет место соединение метода свободных колебаний с ультразвуковым методом и с методом магнитной памяти, где оцениваются структурные формы фазовых составов металла в информативных частотных диапазонах: 17,82÷50,2 Гц, характеризующих развитие винтовых дислокации; 81,67÷433,89 Гц,
характеризующих развитие краевых дислокации; 1899,66÷2674,25 Гц, характеризующих интенсивность и когерентность потоков свободных вакансий идущих на торможение винтовых и краевых дислокации за счет смещения максимальных резонансов: плотности потока энергии волн к своим минимальным частотным значениям, что отражает изменения спектральных атомных магнитных моментов в упругих доменах стабилизированных их структурной жесткостью на момент открытия энергетических щелей.
При расчете физико-механических свойств металла диагностируемого объекта учитывается, кроме угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей без учета адсорбции влаги в межзеренных протоках и угла трения адсорбировавшейся влаги в зависимости от химического состава материала адсорбента, еще и угол метастабильной фазы упругого скручивания межатомных и ковалентных связей в кристаллических плоскостях сцепления субзерен при внешних циклических напряжениях кручения.
Участие оператора при работе предложенного устройства предусматривает:
- создание контакта между заостренной шпилькой акселерометра и поверхностью диагностируемого объекта;
- включение и выключение прибора;
- закачку механических импульсов молотков с фокусирующим устройством при напряжении не менее 2 Па.
- подачу команды на установку анизотропной среды свойственной прокату, поковке, штамповка или поликристаллической среды, присущей литью металлу сварного шва;
- подачу команды на установку угла адсорбции при рН=7;
- подачу команды на установку исходных физико-механических свойств металла из базы данных или из справочников;
- подачу команды на проведение расчета текущих физико-механических свойств;
- подачу команды на распечатку прогноза остаточного ресурса;
- подачу команды на распечатку амплитудно-частотных диаграмм с информативными диапазонами.
Апробация предложенного устройства, выполненного в виде «Индикатора локальных спектров DIM-2004» на базе отечественного ноутбука: «Partner E415L VIA» укомплектованного акселерометром «KD-45» фирмы «Robotron» (ГДР) производилась на:
- боковых рамах «Бежица» из стального литья марки 20ГЛ ходовой тележки железнодорожного вагона;
- надрессорных балок «Бежица» из стального литья марки 20ГЛ;
- сварных электро-термитных соединений типа ЭТ стального проката - рельс марки Р65-В-М76Т-25-3/2 ГОСТ Р 51685-2000;
- алюмо-термитных сварных швов кусков рельс.
Достоверность результатов прогноза остаточного ресурса по колебалась в диапазоне 70-96%.
Литература.
1. ПАТРИК ГЕЛЛЬ.
Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс. ДМК 2001 г.
2. Самсонов Б.Б., Плохов Е.М., Кречет Т.В. Теория информации и кодирования. Феникс 2002 г.
3.ГУК М.Ю.
Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб.: Издательство "Питер", 2000 г.
4. ВОРОБЬЕВ В.И, ГРИБУНИН В.Г.
Теория и практика вейвлет-преобразования. ВУС, 1999 г.
5. COMPLEX WAVELETS FOR SHIFT INVARIANT ANALYSIS AND
FILTERING OF SIGNALS.
Nick Kingsbury
Signal Processing Group, Dept. of Engineering,
University of Cambridge, Cambridge CB2 1PZ, UK.