Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и существующих методов дефектоскопии деталей тракторов и сельско хозяйственных машин 11
1.1. Анализ выхода из строя деталей тракторов и сельскохозяйственных машин 11
1.2. Сравнительная оценка существующих методов дефектоскопии деталей 20.
1.3. Анализ методов электромагнитного контроля деталей конечных размеров и сложных форм 24
1.4. Выбор параметров электромагнитного поля, воздействующего на объект 28
Глава 2; Теоретическое обоснование электромагнитного контроля ферромагнитных деталей сложной формы 32
2.1. Обоснование метода расчета магнитного поля и выбор моделей ис-следования 32
2.2. Характеристики краевых эффектов электромагнитного поля низкой частоты
2.3. Теоретическое исследование магнитного поля токов вблизи магнитно-проницаемой прямоугольной поверхности 43
2.4. Теоретическое исследование магнитного поля вблизи ферромагнитной детали, имеющей форму полуполосы 53
2.5. Теоретическое исследование магнитного потока, обусловленного действием внесенной в исследуемую область пространства ферромагнитной пластинки 58
2.6. Теоретическое исследование распространения магнитного поля вдоль ферромагнитной детали 64
Глава 3. Методика и экспериментальные исследования электромагнитного контроля ферромагнитных деталей тракторов и сельскохозяйственных машин 70
3.1. Методика исследования электромагнитного контроля ферромагнитных деталей тракторов и сельскохозяйственных машин 70
3.2. Обоснование параметров экспериментальной установки для исследования электромагнитного поля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин и разработки промышленного образца прибора для контроля твердости деталей после восстановления 85
3.3. Методика проведения лабораторно - производственных испытаний и обработка результатов исследования 90
Глава 4. Результаты исследования электромагнитных приборов для контроля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин 109
4.1. Электромагнитные проходные преобразователи для контроля структуры ферромагнитных деталей в условиях действия изменяющегося размагничивающего поля
4.2. Исследование прибора для обнаружения локальных неоднородно--стей и трещин ферромагнитных деталей 121
Глава 5. Разработка промышленного образца электро магнитного прибора для контроля твердости деталей тракторов и сельскохозяйственных машин и технико- экономическая оценка эффективности методов элек тромагнитного контроля 128
5.1. Разработка электромагнитного прибора для контроля твердости деталей І тракторов и сельскохозяйственных машин после восстановления- 128
5.2. Расчет экономической- эффективности электромагнитного^ метода контроля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин 131
Общие выводы; 139
Список литературы 141
Приложения 153
- Сравнительная оценка существующих методов дефектоскопии деталей
- Характеристики краевых эффектов электромагнитного поля низкой частоты
- Обоснование параметров экспериментальной установки для исследования электромагнитного поля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин и разработки промышленного образца прибора для контроля твердости деталей после восстановления
- Исследование прибора для обнаружения локальных неоднородно--стей и трещин ферромагнитных деталей
Введение к работе
В настоящее время Россия по надёжности сельскохозяйственной техники существенно отстает от развитых стран. Так коэффициент обновления тракторов составляет порядка 12% при их службе не более 7 лет. В сред нем по развитым странам этот коэффициент составляет 3,4%, что достигается эксплуатацией тракторов в течение 27 --28 лет.
В целом уборочная техника устарела: до 60 - 65% комбайнов эксплуатируются более 10 - 12 лет,. 3 2% - 6: - 10 лет и только 8% - менее 6 лет. Число комбайнов на 1000 га посевов зерновых культур в России (4,6) почти в 4 раза ниже, чем во Франции (16,3). Средняя: сезонная нагрузка на комбайн возросла х 15 0г га в 1990 г. до 3 00 га в" 20 01 г. В результате уборка зерновых культур растягивается на 25 - 30 дней и более, что приводит к недобору около 30% выращенного урожая. Снижается валовой сбор зерна - при потребности на душу населения более 1000 кг в России этот показатель не превышает 300 - 320 кг.
В условиях монополизма машиностроителей сельские товаропроизводители вынуждены приобретать технику низкого качества. Средняя наработка на отказ серийных зерноуборочных комбайнов не превышает 10 - 20 ч. В то время как у зарубежных комбайнов она составляет 60 -100 ч [107].
Современная концепция' создание машин: базируется на международной системе обеспечения качества, в основе которой лежат стандарты семейства ИСО - 9000; Стандарты ИСО — 9000 основываются на понимании того, что любая выполняемая работа есть процесс, представляющий собой совокупность взаимосвязанных ресурсов и деятельности. Желаемый результат достигается эффективнее, когда деятельностью и соответствующими ресурсами управляют как процессом [23]. Процессы могут быть управляемые и контролируемые.
Данная работа посвящена одному из направлений неразрушающего метода контроля — электромагнитному" методу контроля деталей; тракторов и сельскохозяйственных машин. Своевременная диагностика деталей машин в
5 процессе ремонта, после восстановления и в процессе эксплуатации, позволит повысить надежность и долговечность эксплуатации, деталей, продлить моторесурс, техники со значительным экономическим эффектом. Таким образом, назначение применяемых методов состоит в том, чтобы не допустить к установке на сельскохозяйственную технику деталей и узлов, имеющих отклонения» от заданных норм годности. Дефекты и, вызываемые ими, отказы целесообразно, рассматривать с учетом концепции «безопасно повреждаемой конструкции» [30]. При этом обеспечивается поиск и обнаружение дефектов в критических' зонах конструкции, где вероятность усталостного разрушения особенно велика. Указываются минимальные величины; межремонтных периодов, основные требования к доступности узлов машин для контроля их состояния и вероятности обнаружения дефектов в элементах конструкции.
Актуальность темы
При; эксплуатации, хранений, и транспортировке машин техническое состояние элемента и детали уменьшается к основным причинам ухудшения технического состояния и выхода деталей: из строя относятся изнашивание трущихся поверхностей, коррозийное и: усталостное разрушение и другие^ объективные и субъективные причины, связанные с эксплуатацией техники, и технических устройств.
Как показывает анализ около 80% дефектов сельскохозяйственной техники связано с износом поверхности трущихся деталей, 15% - с появлением трещин и 5% - различные повреждения,-,сколы, скручивание и изгиб.
В силу специфики работы сельскохозяйственная техника требует ежегодного диагностирования. При; диагностировании оценивается текущее значение параметров состояния и сравнивается с допустимым или предельным > значением. В соответствии с ГОСТ 20417-75 установлены следующие области н применения диагностирования: при производстве изделий* в процессе наладки и приемки; - при эксплуатации изделия, во время технического обслуживания; при ремонте, перед ремонтом и после него.
Значительный объем диагностических мероприятий и большое число деталей, имеющих дефекты, требует создания эффективных-методов контроля, разработки приборов для определения дефектов деталей, выявления концентрации механических напряжений, дефектов сварки и нарушения физико-химических свойств металла в зоне сварки. Имеет значение контроль твердости деталей после восстановления в условиях ремонтных предприятий.
В связи с этим, разработка методов диагностического контроля, основанных на применении электромагнитных полей, с последующим преобразованием сигнала и- дальнейшим анализом его с применением: компьютерных технологий, позволит повысить качество ремонтных работ, сократить время ремонта и получить значительный экономический эффект.
Актуальность работы подтверждается участием в межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001 - 2005 годы по проблеме IX: научные основы формирования эффективности инженерно-технической системы АПК, раздела 03.02: разработка энергорессурсовсберегающих технологий и новых электрофизических методов воздействия на биообъекты.
Цель работы.
Обоснование методов электромагнитного контроля деталей тракторов и l сельскохозяйственных машин для улучшения: качества ремонтных работ и сокращения времени контроля деталей.
Задачи исследований: провести анализ современного состояния выхода деталей тракторов и сельскохозяйственных машин из строя; провести теоретическое обоснование электромагнитного контроля деталей сложной формы; разработать методику и провести экспериментальное исследование электромагнитного контроля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин; провести исследования электромагнитных приборов для контроля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин; разработать электромагнитный прибор для контроля твердости деталей тракторов и сельскохозяйственных машин и дать оценку технико-экономической эффективности метода электромагнитного контроля.
Объект исследования.
Ферромагнитные детали,тракторов и сельскохозяйственных машин. Методы исследований.
Теоретические модели на основе уравнений электромагнитного поля.
Расчетные модели с использованием методов конформных отображений.
Методы компьютерного моделирования электрических цепей.
Методы имитационного моделирования с применением искусственных нейронных сетей.
Проверка результатов теоретических исследований, возможность практической реализации предложенных методов контроля, исследование метрологических характеристик измерительных преобразователей проводилась на разработанной экспериментальной установке с применением измерительных приборов, подключенных к персональному компьютеру.
Научная новизна исследований. "*"
Выбран метод электромагнитного контроля на основе анализа физико-химических причин возникновения дефектов в деталях тракторов и сельскохозяйственных машин.
Получены теоретические закономерности действия краевых эффектов ' электромагнитного поля с использованием метода конформных отображений.
8 Разработан метод заданных параметров при конформном отображении, позволяющий с помощью электронных таблиц проводить расчет напряженности магнитного поля на ферромагнитной поверхности.
Исследована динамика точки ветвления магнитного поля с целью изучения и использования при электромагнитном контроле ферромагнитных деталей сложной формы.
Проведено моделирование краевых эффектов с использованием электромагнитных экранов.
Решена задача идентификации дефектов при электромагнитном контроле деталей тракторов и сельскохозяйственных машин, как задача. нейросетевого распознавания.
Практическая значимость работы.
Результаты проведенных исследований использованы при создании: электромагнитного прибора для контроля твердости деталей после восстановления. Прибор внедрен в эксплуатацию на производственном объединении ремонтных заводов «Красноярске ельхозремонт».
Разработана и передана Энергосбыту «Красноярскэнерго» техническая, документация на изготовление электромагнитных считывающих устройств типа УСП-1, УСП-2:
Считывающее устройство У СП-1 демонстрировалось на ВДНХ СССР.
Техническая документация по УСП-1 и УСП-2 после демонстрации на ВДНХ по запросам предприятий выслана: «Энергосетьпроект» г. Москва; «Туркменглавэнерго» г. Ашхабад, «Винницаэнерго», предприятию электрических сетей г. Харьков, специальному проектно-конструкторскому бюро «ТОР» г. Николаев.
На: базе устройства УСП-1 разработан электромагнитный прибор для обнаружения локальных неоднородностей и трещин в деталях тракторов и сельскохозяйственных машин.
9 Лабораторный стенд «Исследование и моделирование технологических процессов с использованием электромагнитных полей» внедрен в учебный процесс и научно-исследовательскую работу КрасГАУ.
При расчете электротехнических задач используется методика комплексного моделирования с использованием: пакета программ:: MathCAD, MICROSOFT EXCEE, Electronics Workbench.
На защиту выносятся: модели краевых эффектов электромагнитного поля низкой частоты; методы определения магнитных полей вблизи конечных границ; экспериментальные: исследования: по электромагнитному контролю в концевой; зоне ферромагнитных деталей; тракторов и сельскохозяйственных машин; информационно-идентификационный метод контроля: качества деталей тракторов и сельскохозяйственных машин; методьг построения^ измерительных преобразователей, работающих в; условиях действия размагничивающего поля детали.
Апробация работы.,
Основные положения диссертационной;работы доложены, обсуждены и одобрены, на конференциях: научно - технической конференции «Неразрушающий контроль качества» (г. Новосибирск, Л973 г.); 1 Всесоюзной межвузовской конференции; по электромагнитным: методами контроля материалов и изделий^ (г. Рига, 1975 г.); Зональной- конференции молодых ученых Западной Сибири- (г. Томск, 1974 г.); республиканской научно -технической конференции (г. Киев, 1977 г.); краевой научно - технической конференции (г. Красноярск, 1977 г.); международной научно - методической' конференции (г. Кострома, 2003 г.); региональной научно - методической конференции (г. Красноярск, 2003 г.); международном конгрессе «Образование: и наука в 21 веке» (г. Новосибирск, 2003 г.); региональной научно -практической конференции (г. Красноярск, 2004 г.); V Всероссийской?научно -
10 практической конференции «Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы» (г. Красноярск, 2004 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 22 печатных работ и восемь тезисов на конференциях.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 121 наименование, изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 4 таблицы.
Сравнительная оценка существующих методов дефектоскопии деталей
Сельскохозяйственная техника в силу специфики работы требует ежегодного диагностирования. В технической диагностике различают структурные и диагностические параметры состояния. Структурные параметры непосредственно характеризуют техническое состояние: зазор, натяг, износ, размер детали, состояние поверхности и так далее. Диагностические параметры в основном косвенно оценивают структурные параметры. Они используются для определения технического состояния объекта. При диагностировании оценивается текущее значение параметра состояния и сравнивается с допустимым или предельным значением. В соответствии с ГОСТ 20417-75 установлены следующие области применения диагностирования: при производстве изделия, в процессе наладки и приемки; при эксплуатации изделия, во время технического обслуживания; при ремонте, перед ремонтом и после него.
В практику ремонтных предприятий сельскохозяйственной техники вошли: предремонтное, послеремонтное и приремонтное диагностирование [98]. В последнее время в ремонтную и производственную практику широко внедряются сварочные технологии, позволяющие экономить материал, иметь низкую стоимость мелкосерийных конструкций. Качественно выполненные сварные швы во многом определяют надежную работу техники. Однако эксплуатация отечественных сельскохозяйственных машин показывает, что один из основных показателей надежности, как безотказность, составляет всего 10...20 часов на отказ, а зарубежная сельскохозяйственная техника развитых стран имеет 160. ..300 часов на отказ [107]. Методы контроля качества сварного шва недостаточно разработаны. Сложность контроля состоит в определении одновременно нескольких параметров, связанных с появлением высоких концентраций механических напряжений, дефектов сварки, нарушению физико-химических свойств металла в зоне сварки.
Современные системы технического обслуживания и ремонта машин используют компьютерную диагностическую аппаратуру, сопряженную с исследуемым объектом с помощью измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрический сигнал.
Принятые в машиностроении методы неразрушающего контроля можно разделить на две группы. К первой группе методов испытания поверхностных слоев относят капиллярные, магнитные, электромагнитные, а также методы электрического сопротивления и ультразвуковые методы с использованием поверхностных релеевских волн. Вторая группа включает методы проникающих излучений, ультразвуковые и акустические методы. В табл. 1.3 приведена сравнительная оценка перечисленных методов неразрушающего контроля при выявлении дефектов [30].
Электромагнитный метод контроля основан на регистрации изменений электромагнитного поля вихревых токов, наводимых намагничивающей катушкой в объекте контроля, обладающем проводимостью. Основные характеристики метода заключаются: ЭДС измерительного преобразователя зависит от многих параметров объекта, т.е. информация многопараметровая; метод позволяет проводить многопараметровый контроль с применением специальных приемов разделения измерительной информации; метод является бесконтактным и позволяет измерять параметры объекта при высоких скоростях движения; получение первичной информации в виде электрического сигнала позволяет автоматизировать процесс контроля, применять компьютерную технику; первичные измерительные преобразователи имеют простую конструкцию, низкую стоимость. На сигнал преобразователя практически не влияет влажность, давление, загазованность, радиоактивное излучение и загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами. Электромагнитный метод позволяет: обнаруживать, дефекты типа нарушения: сплошности, находящиеся в; глубине. детали или г выходящие на поверхность в- виде трещин, раковин, расслоений и т.д.; решать задачи контроля размеров деталей; контролировать толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои; контролировать термическую и химико-термическую обработку деталей; определять химический состав, структуру металлов и сплавов;: определять, механические напряжения; в деталях, выявлять -, усталостные трещины и остаточные механические напряжения; для большинства приборов точность измерения составляет 5-10%. На рис. 1.1 приведен алгоритм исследования электромагнитного метода контроля деталей сельскохозяйственных машин: Структура- алгоритма представляет информационно - измерительную1 систему, объединенную электромагнитным: взаимодействием: намагничивающей системы и деталей,, подвергаемых контролю.
Электромагнитный контроль деталей сложной формы связан с действием так называемых мешающих факторов. Часто встречающимся сильнодействующим, мешающим: фактором: является близость края контролируемого изделия - так называемый краевой эффект. Причем под краемї следует понимать не только; кромку контролируемого изделия; но и границы; сквозных и несквозных отверстий,, стыков, заклепочных или: болтовых соединений.
Одним из первых вопрос уменьшения влияния краевых эффектов; при; электромагнитном контроле: был поставлена А . М., Эльгардом [119]. Его устройство; содержало трансформаторный датчик с дифференциально? включенными: обмотками;. С целью уменьшения влияния краевого эффекта., применен экран в виде: стального стержня, установленного параллельно стержню Т - образного датчика. Физической основой экранировки действия краевого эффекта использовалось изменение топографии магнитного поля в зоне контроля в сторону локализации.
В практике магнитных измерений применяются приборы с замкнутой магнитной цепью - пермеаметры [40, 116].. В пермеаметрах используется магнитостатическое экранирование краевых эффектов.
Локализацию магнитного поля в зоне контроля можно осуществить электромагнитным: экранированием, установив на торцах возбуждающих катушек медные диски. [90; 72] і
Рядом исследователей [66; 112] разработаны проходные преобразователи, обладающие малой чувствительностью к краевому эффекту. Большинство работ в этом: направлении; связано с контролем деталей: конечной: длины, причем. измеряется, как правило, среднее по длине значение контролируемого параметра.. В: работе [113] приведены экспериментальные исследования датчиков применительно к контролю структуры немагнитных труб и де фектов. Хотя в упомянутых работах: говорится о малой чувствительности датчика к краевому эффекту, авторы ограничились расчетом поля бесконечного; цилиндра. Для уменьшения влияния формы изделия: и краевого эффекта предложены локальные: датчики- с магнитопроводом, разработаны-алгоритмические и схемные методы подавления неконтролируемых параметров [113].. Исследование влияния краевого эффекта и; зазора; на вносимые: параметры: вихретоковых накладных преобразователей приведены в-диссертации В..П. Курозаева [66].
Характеристики краевых эффектов электромагнитного поля низкой частоты
В электротехнической литературе нет достаточно полного определения понятия краевого эффекта. Считаем, что при значении, которое имеет действие краевого эффекта в электротехнологии, электромагнитной дефектоскопии и других отраслях техники, где используются электромагнитные поля, следует провести; систематизацию и классификацию этих эффектов, с целью их дальнейшего изучения, исследования и применения.
Краевые эффекты проявляются в = электромагнитном поле через влияние конечных границ на топографию поля. Рассматривая краевой эффект как нарушение однородности и симметрии поля, следует отметить, что данное явление имеет пространственную, временную, пространственно-временную и параметрическую составляющие [49].
Пространственная неоднородность поля-связана с наличием конечных и полубесконечных границ, образованных телами с различными физическими свойствами. Существенную роль играет конфигурация границ и различие электромагнитных параметров пограничных сред {/ , є, у). Вызванная краевым эффектом неоднородность поля может быть интерпретирована с позиций частотно-временной зависимости-вектора напряженности электрического и магнитного поля. Такая зависимость характерна при про-явлении; поверхностного эффекта. Подобное явление наблюдается: также при переходных процессах в постоянных и переменных электромагнитных полях.
Примером пространственно-временного действия краевого эффекта может быть; эффект близости, при котором проявляется взаимное влияние: близлежащих проводников с токами или ферромагнитных тел. Данный эффект при І водит к изменению распределения электрического и магнитного поля по сечению проводников; что также можно отнести к действию краевого эффекта..
В технологических процессах, где используется электромагнитное поле, краевые эффекты определяются диэлектрической и магнитной проницаемостью среды, проводимостью веществ, участвующих в процессе, и І геометрическими І параметрами системы. Кроме этого имеет существенное значение зависимость электромагнитных параметров вещества от напряженности: поля. Для мелкодисперсных и1 кристаллических материалов, находящихся в электромагнитном; поле, возможно проявление анизотропных свойств, что приводит, к изменению электрических и магнитных полей в системе. На рис. 2.1 приведена классификация краевых эффектов в электромагнитном поле низкой частоты.
В практике применения краевых эффектов имеет местог случаи; когда магнитно? проницаемые; тела конечных размеров находятся в. неоднородном магнитном поле; например в поле линейного тока, рис; 2.2.2,, д. Если принять магнитную проницаемость,внесенного в магнитное поле тела равной бесконечности; то для анализа и расчета данных магнитных полей можно использовать метод конформных.преобразований, который является:наиболее эффективным методом аналитического определения лапласовых полей [7].
Нерассмотренных выше электростатических и магнитостатических примерах проявления краевых эффектов доминирует либо дисперсия;формы, обу-словленная конечностью размеров или взаимным расположением тел- в;про странстве, либо дисперсия среды, связанная с изменением е, //, у, либо то и другое вместе.
Анализ действия краевых эффектов предлагаем проводить на локальной и интегральной моделях. Локальная модель связана с топографией электрического и магнитного поля в пространстве и характеризуется градиентом нормальной и тангенциальной составляющих потенциала в исследуемой среде. Интегральная модель, краевых эффектов отражает-анализ и расчет внесенных параметров системы: Rt L, С.
При взаимодействии переменного электромагнитного поля с веществом наблюдается проявление поверхностного эффекта, который условно можно разделить на электрический и магнитный. Электрический поверхностный эффект наблюдается в проводящей не ферромагнитной среде и заключается в вытеснении тока к поверхности проводника. Магнитный поверхностный эффект связан с вытеснением магнитного потока к поверхности в ферромагнитной среде. Краевой эффект является в общем случае проявлением поверхностного эффекта. В данном случае наряду с дисперсией формы и вещества проявляется частотно-временная зависимость распределения электромагнитного поля в среде.
В общем случае расчет поверхностного эффекта в теле произвольной формы представляет сложную задачу, так как требует одновременного определения поля как внутри, так с наружи проводника. Точное решение выполнено для отдельных частных случаев, например, бесконечно длинного цилиндрического проводника.
Обзор и анализ действия краевых эффектов, приведенный на рис. 2.1 позволяет провести их условное деление по функциональному назначению. Первым, важнейшим значением является фундаментальное применение и проявление краевых эффектов. Это относится к действию краевых эффектов в биологических мембранах, проявлению поверхностного эффекта и эффекта близости в различных технологических процессах, связанных с применением электромагнитного поля, явление электроосмоса.
Вторым направлением изучения- и использования краевых эффектов являются процессы, в которых эти эффекты являются доминирующими и определяют технологичность процесса. Сюда можно отнести предпосевную обработку семян в электромагнитном поле, различные электронно-ионные технологии, связанные с сепарацией и электрохимической обработкой семян.
Третьим является направление, когда действие краевых эффектов необходимо уменьшить, что также требует изучения этого явления только уже с; другой стороны. Такой подход встречается, например, в электромагнитной дефектоскопии при контроле концевых зон протяженных ферромагнитных дета-лей, при высокочастотной закалке деталей сложной формы.
Обоснование параметров экспериментальной установки для исследования электромагнитного поля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин и разработки промышленного образца прибора для контроля твердости деталей после восстановления
В основу обоснования параметров экспериментальной установки положен алгоритм исследования электромагнитного метода дефектоскопии, представленный на рис. 3.6. Выбор параметров намагничивающего поля необходимо связать с электромагнитными процессами в ферромагнитной среде детали, являющейся источником информационного поля для неразрушаю ще гоs контро-ля деталей тракторов и сельскохозяйственных машин. Исследования, проведенные Р. Е. Ершовым [29, 33], показали, что механические и структурные свойства ферромагнетика:определяются нелинейностью ферромагнитной среды, связанной с петлей гистерезиса.
Структурная схема вольтметра 1 (табл. 3.1} содержит делитель напряжения (ДИ), вспомогательные элементы (ВЭ), содержащие фазосдвигающие, корректирующие цепи, устройство согласования и другие. Схема включает широкополосный усилитель (У), квадратичный или линейный детектор (Д) с измери телем постоянного тока (И) на выходе. Линейный детектор используется при измерении синусоидальных напряжений; шкала приборов градуируется либо в средних, либо действующих значениях напряжений. При измерении амплитудных значений последовательность с детектором включается запоминающий конденсатор, заряжающийся до максимального значения исследуемого напряжения.
Для измерения синфазной и квадратурной составляющих исследуемого напряжения используется схема фазочувствительного вольтметра 3 (табл. 3.1). Структурная схема отличается от схем обычного вольтметра применением -вместо линейного или квадратичного детектора - фазового (синхронного) детектора (ФД), а также наличием канала опорного сигнала (КОС).
Канал опорного сигнала предназначен для усиления и формирования напряжения, управляющего фазовым детектором. При наличии двух фазовых детекторов, управляемых двумя напряжениями, сдвинутыми на 90, можно определить обе квадратурные проекции измеряемого напряжения в прямоугольной системе координат, заданной вектором управляющего напряжения С/о.
Для измерения синфазной и квадратурной составляющих несинусоидальных периодических напряжений может быть использована измерительная структура 4 (табл. 3.1), в которой вместо фазового детектора применено множительное устройство (МУ). Показания измерителя будет пропорциональна либо сумме синфазных составляющих отдельных гармоник, либо скалярным произведениям составляющих спектров обоих напряжений:
Следует заметить, что фазовый детектор является также умножающей схемой, однако в дальнейшем под фазовым детектором будем понимать устройство, в котором измеряемое им управляющее напряжения изменяются синхронно и оба являются периодическими функциями. В широком понимании умножающая схема допускает подачу на её входы напряжений произвольной формы.
Одной из первых работ, посвященных намагничиванию длинных цилиндров витком с постоянным током, является работа Н.Н. Лебедева [69]. Задача решена нахождением векторного потенциала в связи с вычислением коэффици 9! ента взаимной индукции между двумя: витками, надетыми-на ферромагнитный сердечник. Дальнейшее развитие данного вопроса нашло отражение в работах Р. И. Януса и его учеников [120, .121]. Работа [120] выполнена в связи с контролем структуры протяженных ферромагнитных деталей без учета влияния краевых эффектов. Расчетной моделью явилась система, состоящая из безграничной ферромагнитной полосы и намагничивающих токов, расположенных симметрично полосе. Математическая модель .реализована на методе зеркальных отображений. Приведены кривые распределения напряженности магнитного поля вдоль пластины. Теоретические вопросы намагничивания цилиндрических деталей в переменных магнитных полях рассмотрены в работах [13, 15, 87, 88]. Н. Н. Зацепиным проведены теоретические и экспериментальные исследования топографии тангенциальной и нормальной составляющих магнитного поля протяженных ферромагнитных деталей [84].
Второй член уравнения (3.19) Мпу " при приближении конца детали к намагничивающей катушке уменьшается, что объясняется увеличением воздушного промежутка, мо которому замыкаются магнитные силовые линии поля. Поэтому часть намагничивающей силы намагниченности, обусловленной элементарными токами ферромагнетика, расходуется на проведение потока магнитной индукции через возрастающий воздушный промежуток, что приводит к уменьшению магнитной индукции в детали.
Расчетная и физическая модели действия краевого эффекта в данном случае может быть построена на понятии размагничивающего поля края детали. Интегральной характеристикой действия размагничивающего поля принято считать коэффициент размагничивания /V (коэффициент формы, размагничивающий фактор, фактор формы и т. д.). Теория размагничивающего, фактора для тел конечных размеров (шар, эллипсоид цилиндр), находящихся в постоянном магнитном поле достаточно хорошо исследована [86, 14]. Современные исследователи уделяют этому вопросу достаточное внимание в связи с решением технических задач, связанных с электромагнитным контролем ферромагнитных деталей сложной формы [88].
Влияние краевых эффектов, согласно теоретическим исследованиям, проведенных в главе 1, определяется степенью проникновения магнитного поля в глубь ферромагнитной детали и по ее длине. При намагничивании детали в проходном преобразователе постоянным полем намагниченность по сечению детали однородна. В случае переменного поля, его проникновение вглубь детали затрудняется действием вихревых токов, которые ослабляют магнитный поток внутри детали. Наружные слои материала экранируют глубинные слои от проникновения поля.
Предлагается для оценки намагниченности по длине ферромагнитной детали ввести понятие длины распространения магнитного поля [54]. Под длиной распространения магнитного поля Я будем понимать расстояние от центра намагничивающей катушки до точки, которой средняя по сечению детали величина магнитного поля уменьшится в е = 2,72 раз.
Исследование прибора для обнаружения локальных неоднородно--стей и трещин ферромагнитных деталей
Считывание измерительной информации в дефектоскопии деталей сельскохозяйственных машин состоит из этапа обнаружения дефекта и последующей идентификации его образа. В основу измерительного преобразователя для обнаружения дефекта положим автогенераторный принцип. Чувствительный элемент, представляющий катушку индуктивности, включается в колебательный контур генератора. Основным узлом устройства является усилитель с положительной обратной связью, в цепь которой включен электромагнитный преобразователь. В качестве модели устройства обнаружения дефекта рассмотрим транзисторный генератор с индуктивной связью, изображенный на рис. 4.10.
Возникновение колебаний в системе произойдет при появлении дефекта, что послужит сигналом для включения устройства опознания образа дефекта и его идентификации. Генерирование колебаний возможно при наличии в цепи нелинейного элемента, которым является транзистор VT. Если не задаваться вопросом о величине установившейся амплитуды, а интересоваться лишь тем, возбудятся в данной системе автоколебания или нет, то такая постановка вопроса приведет нас к линейной задаче. В данном случае интересует лишь начальная стадия явления, когда колебания в генераторе только что возникли, то есть ам 22 плитуды еще очень малы, тогда как нелинейность проявляется только при значительных амплитудах. Поэтому математическая формулировка задачи о самовозбуждении приводит к линейному дифференциальному уравнению [109].
Таким образом, чтобы генератор возбудился при заданных значениях затухания и настройке контура и при данной крутизне характеристики транзистора, необходимо увеличивать обратную связь, то есть коэффициент взаимной индукции Ммежду катушками.
Катушка контура обратной связи автогенератора индуктивно связана с контролируемым объектом, который, таким образом, становится элементом схемы автогенератора. В связи с этим, коэффициент взаимной индукции можно выразить где Д Ф— внесенный магнитный поток дефекта, вызывающий появление ЭДС индукции в измерительной катушке преобразователя; Л// -— приращение тока в основной (намагничивающей) катушке преобразователя.
В теоретической модели, рассмотренной во второй главе, приведен расчет внесенного магнитного потока. Показано, что нормальная составляющая магнитного потока, вызванная действием краевых эффектов, имеет наибольшую чувствительность к внесенному магнитному потоку.
В работах [48, 50, 60, 71] показано, что учет и использование краевых эффектов электромагнитного поля позволяет создать достаточно простые измерительные преобразователи, обладающие высокой чувствительностью и разрешающей способностью при обнаружении дефектов, связанных с неоднородностью структуры материала или наличием трещин.
По заданию предприятия «Энергосбыт» Красноярскэнерго были разработаны электромагнитные считывающие преобразователи типа УСП-1 и УСП-2 [46]. Преобразователь использовался для регистрации ферромагнитной метки в счетчиках электрической энергии. В приложении 3 приведен акт использования результатов исследования краевых эффектов электромагнитного поля при разработке электромагнитных измерительных преобразователей. Прибор УСП-1 демонстрировался на ВДНХ СССР (Приложение 4). В основу построения преобразователя положен пространственный принцип действия краевых эффектов, заклгочающийся в учете изменения топографии магнитного поля пзоне измерительной катушки преобразователя, вызванного измерительной ферромагнитной меткой.
Техническая реализация такого метода осуществлялась таким расположением измерительной катушки преобразователя, при котором она регистрировала магнитный поток всей области, где находится измерительная метка.
Электромагнитный считывающий преобразователь имеет открытую магнитную цепь, в воздушном зазоре которой происходит регистрация измерительной метки (дефекта). Магнитная цепь выполнена из кольцевого ферри-тового сердечника К 10/6/4,5 с относительной магнитной проницаемостью ,«=1500. Основная (намагничивающая) обмотка и располагается равномерно по сердечнику и содержит 250 витков провода ПЭЛ-0,08. Измерительная катушка w2 располагается в виде витка, охватывающего оба полюса магнитной цепи, имеет 180 витков. Такое расположение измерительной катушки позволяет регистрировать только приращение внесенного магнитного потока от измерительной метки (дефекта).
Физической основой построения преобразователя явилась теоретическая модель расчета внесенного магнитного потока, рассмотренная во второй главе, где показано, что нормальная составляющая магнитного потока имеет высокую амплитудно-фазовую чувствительность к изменению структуры материала и дефектам.
Электромагнитный считывающий преобразователь (ЭСП) имеет открытую магнитную цепь, в воздушном зазоре которой происходит регистрация дефекта. Преобразователь состоит из намагничивающей катушки wu равномерно распределенным по сердечнику, измерительной катушки w3 и катушки обратной связи TV2, которые располагаются в виде витка, охватывающего оба полюса магнитной цепи. Такое расположение катушек wj и w позволяет регистрировать только приращение внесенного магнитного потока от дефекта.
