УСТРОЙСТВО КОМПЛЕКСНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ
DEVICE OF INTEGRATED AUTOMATED NON-DESTRUCTIVE QUALITY CONTROL OF MULTILAYER PRODUCTS

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности и качества различных изделий. Особенно актуально применение данного изделия для автоматизированного контроля многослойных конструкций больших габаритов и где актуальна задача определения принадлежности обнаруженного дефекта слоям изделия, например, в многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с эластичным слоем. В этом случае часто необходимо определить: где находится дефект, например, типа расслоения - в полимерном композиционном материале, либо между слоем из ПКМ и эластичным слоем (дефект типа неприклея эластичного слоя).
Изобретение может быть использовано для контроля надежности и качества сложных пространственных многослойных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, элементов авиационных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п.
Особенно эффективно применение заявленного изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности и качеству эксплуатации, а с другой стороны они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было заменить другими изделиями, имеющими требуемые параметры. Достоверное выявление местоположения дефектов очень актуально для изделий ракетно-космической техники, где существуют взаимно исключающие требования: когда, с одной стороны, требуется обеспечить необходимую надежность конструкции (т.е., например, увеличить толщину конструкции), а, с другой стороны, имеются ограничения по массе и габаритным размерам, которые требуют уменьшить толщину материалов. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов типа нарушения сплошности), что может привести к аварии и которые возможно необходимо укреплять.
Уровень техники
Достоверное определение местоположения дефектов в многослойной конструкции и материале является актуальной задачей в процессе создания эффективных и надежных конструкций из различных материалов.
Существуют достаточно большое количество методов определение местоположения дефектов в многослойной конструкции и материале: рентгеновский метод, ультразвуковой метод, визуальный оптический метод, вихретоковый метод.
Все методы имеют свои особенности и области применения. Но все методы имеют одну общую операцию - необходимость определять глубину залегания дефекта относительно поверхности.
Эта операция в известных методах имеет существенные недостатки.
Во-первых, эта операция предполагает ручную операцию контроля, что практически неприменимо при контроле изделий больших габаритов. А автоматизация этого процесса применительно к ПКМ в настоящее время практически не решена.
Во-вторых, погрешность операций определения глубины залегания применительно к ПКМ имеет большую величину вследствие большого разброса физико-технических характеристик ПКМ и на практике применяется очень редко.
Перспективным направлением в современной технике является использование композитных материалов, как металлических, так и полиерных, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов материалов, и их характеристик.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки местоположения дефектов по слоям конструкции. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций, особенно в ракетно-космической и авиационной отраслях, являются массогабаритная и энергетическая характеристики, которые определяются, в т.ч. качеством сплошности материала.
Учитывая, что такие конструкции являются, как правило, достаточно дорогими, как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, и очевидно, что выход их строя конструкции ведет к большим финансовым и другим потерям, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее качества характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.
Здесь на первое место выходят методы неразрушающего контроля, основанные на различных физических принципах и методы достоверного для решаемой задачи - идентификации обнаруженных дефектов по слоям изделий. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации и дать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.
Существует достаточно большое количество методов и средств неразрушающего контроля материалов определения глубины залегания дефектов, которые теоретически могли - бы быть использованы для решения поставленных задач.
Эти методы достаточно подробно, в следующих материалах, принятых в качестве аналога к данной заявке.
1. Потапов А.И., Сяськов В.А. Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий/научное, методическое и справочное пособие. - СПб., 2009. - 904 с., с илл.
2. Неразрушающий контроль, Справочник в 7 томах под редакцией чл. - корр. РАН Клюева В.В. Том 2, Книга 2 «Вихретоковый контроль». - М.: Машиностроение, 2003 г.
3. Игнатевский В.В., Кутюрин Ю.Г., Потапов А.И. и др. Ультразвуковой теневой метод определения глубины залегания дефектов в изделиях их композитов// Дефектоскопия, 1988, №12, С. 19-23..
4. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Измерение толщины покрытий из оловянных сплавов на изделиях из цветных металлов с использованием вихретокового амплитудно-фазового метода [Статья] // Контроль диагностика. - 2011 г.. - №5. - стр. 12-16.
5. Патент РФ 2419763. Жаворонко Александр Иванович (RU), Кривоносов Сергей Владимирович (RU), Хлупнов Владимир Александрович (RU). Вихретоковый толщиномер. Опубл. 27.05.2011 г.
6. Сясько В.А. Методы и приборы измерения толщины гальванических покрытий. Вопросы применения и обеспечения достоверности [Статья] // Гальванотехника и подготовка поверхности. - 2011 г.. - №3. - стр. 42-52.
7. Патент 145435. Устройство ультразвукового контроля крупногабаритных изделий. Авторы: Будадин О.Н., Кутюрин Ю.Г., Юхацкова О.В.
Общий недостаток практически всех существующих методов и средств неразрушающего контроля заключается в следующем: методы либо позволяют осуществлять автоматизированный контроль изделий из ПКМ больших габаритов с обнаружением дефектов, но не определяют принадлежность дефектов слоям изделия, т.е. не позволяют определять глубину залегания дефектов в автоматическом режиме. Немногочисленные технические решения определения глубины залегания дефектов в процессе автоматизированного контроля конструкций из ПКМ не нашли практического применения из-за низкой достоверности и большой погрешности получаемых результатов.
Так, например, вихретоковые методы требуют наличие металлической подложки в конструкции, что не всегда возможно в конструкциях из ПКМ. Ультразвуковые методы определения глубины залегания имеют большую погрешность вследствие большого разброса характеристик материалов по конструкции. Рентгеновские методы кроме большой погрешности имеют большую стоимость проведения контроля и наличие специальных защитных сооружений и т.п.
Поэтому на сегодняшний день имеется потребность в обеспечении контроля реальных многослойных конструкций из ПКМ, который может применяться на практике для широкого круга крупногабаритных объектов с различными характеристиками и позволяет идентифицировать принадлежность дефектов слоям.
Настоящее изобретение направлено на решение задачи обеспечения оперативного достоверного контроля качества сплошности многослойных сложных конструкций и их элементов в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации. Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство, принятое в качестве прототипа, описанное на стр. 101-120 в книге авторов В.А. Барынин, О.Н. Будадин, А.А. Кульков. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М., ИД «Спектр», 2013, 243 с.
Данное устройство направлено на обеспечение автоматизированного ультразвукового теневого контроля изделий.
В описании заявляемого устройства приведено описание двухканального устройства, реализующего теневой ультразвуковой метод и метод свободных колебаний.
Устройство, принятое в качестве прототипа содержит.
- два ультразвуковых преобразователей теневого контроля (3) и (4),
- ультразвуковой дефектоскоп теневого контроля (5),
- пороговое устройство ультразвукового дефектоскопа теневого контроля (6),
- датчик позиционирования (2),
- электронный блок датчика позиционирования (7),
- регистрирующее устройство (11), при этом
- два ультразвуковых преобразователей теневого контроля (3) и (4) и преобразователь метода свободных колебаний (18) акустически связаны с контролируемым изделием (1),
- датчик позиционирования (2) механически связан с поверхностью контролируемого изделия (1),
- выходы двух ультразвуковых преобразователей теневого контроля (3) и (4) подключены к соответствующим входам ультразвукового дефектоскопа теневого контроля (5),
- выход ультразвукового дефектоскопа теневого контроля (5) подключен к входу порогового устройства ультразвукового дефектоскопа теневого контроля (6),
- выход порогового устройства ультразвукового дефектоскопа теневого контроля (6) подключен к первому входу регистрирующего устройства (11),
- выход датчика позиционирования (2) через электронный блок (7) датчика позиционирования подключен к второму входу регистрирующего устройства (11),
Приведенное устройство обладает большей достоверностью, производительностью и информативностью по сравнению с устройствами, принятыми в качестве аналога, но обладает существенным недостатком. В процессе решения практических задач неразрушающего контроля ответственных изделий часто необходимо определить принадлежность обнаруженного дефекта слою контролируемого изделия. Очень актуально определить где расположен дефект: в структуре ПКМ или между слоями ПКМ и эластичным слоем. Известное устройство это сделать не позволяет.
Сущность изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения по сравнению с ближайшим аналогом, заключается в повышения информативности и производительности автоматизированного неразрушающего контроля многослойных изделий за счет сокращения избыточных информационных потоков в регистрирующее устройство и определения принадлежности обнаруженных дефектов слоям изделия,
Технический результат достигается за счет того, что известное устройство дополнительно снабжено:
известное устройство дополнительно снабжено следующими блоками
- преобразователь акустического метода (18),
- акустический дефектоскоп (8),
- пороговое устройство (12) акустического дефектоскопа \,
- электронным ключом (9),
- блоком задержки (10), при этом,
- второй выход порогового устройства (6) ультразвукового дефектоскопа теневого контроля подключен к первому входу электронного ключа (9),
- выход преобразователя акустического метода (18) подключен к входу акустического дефектоскопа (8),
- выход акустического дефектоскопа (8) подключен к входу пороговое устройство (12) акустического дефектоскопа,
- к второму входу электронного ключа (9) подключен выход порогового устройства (12) акустического дефектоскопа,
- выход электронного ключа (9) подключен к первому входу блока задержки (10),
к второму входу блока задержки (10) подключен второй выход электронного блока (7) датчика позиционирования,
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:
фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства,
фиг. 2 приведены эпюры сигналов в различных узлах структурной схемы в процессе функционирования,
фиг. 3 приведена дефектограмма теневого ультразвукового контроля,
фиг. 4 приведена дефектограмма акустического метода для дефекта в ПКМ,
фиг. 5 приведена дефектограмма акустического метода для дефекта между эластичным слоем и ПКМ.
фиг. 6 приведена фотография установки автоматизированного многоканального контроля.
фиг. 7 приведена фотография и рентгенограмма сечения многослойного изделия, включающего ПКМ и эластичный слои и дефекты в ПКМ и дефекты между ПКМ и эластичным слоем.
фиг. 8 рентгенограмма дефектов в ПКМ и дефектов между ПКМ и эластичным слоем.
На фигурах приведены следующие обозначения:
1 - контролируемое многослойное изделие,
2 - датчик позиционирования,
3, 4 - ультразвуковые преобразователи теневого ультразвукового контроля,
5 - ультразвуковой дефектоскоп теневого контроля,
6 - пороговое устройство ультразвукового дефектоскопа теневого контроля,
7 - электронный блок датчика позиционирования (2),
8 - акустический дефектоскоп,
9 - электронный ключ,
10 - блок задержки,
11 - регистрирующее устройство,
12 - пороговое устройство акустического дефектоскопа (8),
13 - дефект типа нарушения сплошности в первом слое изделия (1),
14 - дефект типа нарушения сплошности между слоями,
15 - первый слой изделия (1),
16 - второй слой изделия (1),
17 - направление перемещения изделия (1),
18 - преобразователь акустического дефектоскопа (8).
19 - сигнал на выходе электронного блока (7),
20 - сигнал на выходе порогового устройства (6) при наличие дефекта,
21 - сигнал на выходе порогового устройства (12) при наличие дефекта между слоями (15) и (16),
22 - сигнал на выходе порогового устройства (12) при отсутствии дефекта между слоями (15) и (16),
23 - сигнал на входе электронного ключа (9) от блока (6),
24 - дефекты типа расслоения в ПКМ,
25 - дефекты типа неприклея между ПКМ и эластичным слоем.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010.). В качестве теневого ультразвукового дефектоскопа используется дефектоскоп УСД-60 (производство ООО «НПЦ «Кропус-ПО», г. Ногинск, Московской обл.), в качестве дефектоскопа метода свободных колебаний используется дефектоскоп АД-60 (производство ООО «НПЦ «Кропус-ПО», г. Ногинск, Московской обл.). Регистрирующее устройство представляет собой микропроцессорную компьютерную систему со стандартным и специальным программным обеспечением.
Сущность комплексного контроля посредством заявляемого устройства заключается в следующем.
В процессе сканирования контролируемого изделия 1 ультразвуковыми преобразователями 3, 4 ультразвукового дефектоскопа теневого контроля 5 осуществляется обнаружение дефектов по всему пакету (по всей толщине) контролируемого изделия 1.
В случае обнаружения дефекта через время задержки, посредством блока задержки 10 поступает информация от акустического дефектоскопа 8 через пороговое устройство 12. Если дефект находится в материале (например, дефект 13). То теневой метод его выявит, а акустический дефектоскоп в силу своей физической природы, его не выявит и это дефект будет идентифицирован, как дефект в основном материале.
Акустический дефектоскоп подключается через определенное время задержки, формируемое датчиком позиционирования 3 и блоком задержки 10. Это время задержки равно времени прохождения дефекта 13 или 14 от зоны контроля ультразвукового дефектоскопа теневого контроля 5 в зону контроля акустического дефектоскопа 8. Таким образом, исключается холостая «работа» акустического дефектоскопа 8 на бездефектных зонах изделия и снижается величина информационных потоков, обрабатываемых регистрирующим устройством 11.
Если дефект находится между слоями (дефект 14), то он будет выявлен и ультразвуковым дефектоскопом теневого контроля 5 и акустическим дефектоскопом 8 и будет идентифицировать как дефект между слоями.
Таким образом, достигается реализация технического результата повышение информативности и производительности автоматизированного неразрушающего контроля многослойных изделий за счет сокращения избыточных информационных потоков в регистрирующее устройство и определения принадлежности обнаруженных дефектов слоям изделия,
Экспериментальные исследования проводились на конструкциях из композитных материалов. Конструкция представляла собой цилиндрическое изделие, включающее два слоя (фиг. 6, 7). В изделие имеются два типа дефектов (фиг. 7): дефекты в ПКМ (24) и дефекты между ПКМ и эластичным слоем (дефекты типа неприклея, 25).
Данное изделие проконтролировано заявляемым устройством: ультразвуковым теневым бесконтактным методом и акустическим методом.
На фиг. 3 приведена дефектограмма теневого ультразвукового контроля. На фиг. 4 приведена дефектограмма акустического метода для дефекта в ПКМ. На фиг. 5 приведена дефектограмма акустического метода для дефекта между эластичным слоем и ПКМ.
Анализируя приведенные на фиг 3-5 результаты видно, что в соответствии с поставленными задачами и целью заявляемого изобретения, заявляемое устройство достоверно идентифицирует дефекты по принадлежности слоям. В данном случае, дефекты в ПКМ и дефекты типа неприклея эластичного слоя и ПКМ.
Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 1.
Экспериментальные исследования подтверждают, что заявленные цели в заявляемом изобретении выполнены.