Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что около 10% национального продукта любой страны теряется из-за низкого качества материалов и изделий.
Столь большое число бракованных деталей объясняется не только сложными условиями и сверхнормативными сроками эксплуатации, но и недостаточной эффективностью современных систем неразрушающего контроля. Поэтому проблема разработки новых методов и приборов неразрушающего контроля весьма актуальна и имеет важное хозяйственное значение.
Существуют различные методы неразрушающего контроля (НК): магнитные, капиллярные, вихретоковые, акустические, радиационные, оптические. Каждый из них имеет свою характерную для данного метода область применения. Возможность их использования зависит от ряда требований, таких как обеспечение свободного доступа к контролируемому месту изделия, подготовка поверхности контроля и т.д. Известно, что акустический метод свободных колебаний позволяет оперативно, с наименьшими затратами ресурсов, принимать решения о техническом состоянии контролируемого изделия. Проведенный обзор публикаций показал, что актуальными являются вопросы контроля заготовок лопаток газотурбинных установок (ГТУ), осей железнодорожных вагонов, штанг насосных установок нефтяных скважин, поршней двигателей внутреннего сгорания, прутков и т.д. В диссертационной работе решается задача развития метода свободных колебаний применительно к контролю цилиндрических изделий по параметрам колебаний на основе численных и экспериментальных исследований.
Объектом исследования являются колебания цилиндрических изделий.
Предметом исследования являются дефекты (типа «трещина») в цилиндрических изделиях, возникающие на разных стадиях производства и эксплуатации.
Цель исследования - разработка автоматизированного диагностического комплекса и методики контроля цилиндрических изделий по параметрам собственных колебаний на основе конечноэлементного моделирования и статистических критериев сравнения.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи.
Общей задачей является теоретическое обоснование, разработка и создание оригинального диагностического комплекса для контроля технического состояния цилиндрических изделий по параметрам собственных колебаний на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
Для этого необходимо решить следующие частные задачи:
-
Провести теоретические исследования влияния дефектов на частоты собственных колебаний стержней и установить связь между наличием дефекта в стержне и изменением его частотных характеристик.
-
Определить информативные критерии, позволяющие обнаруживать дефекты в стержне по анализу спектра частот собственных колебаний.
-
Разработать компьютерную программу анализа экспериментальных данных для обнаружения дефектов в стержне по параметрам собственных колебаний, позволяющую проводить контроль изделий в автоматическом режиме.
-
Разработать экспериментальные установки и провести исследования параметров собственных колебаний цилиндрических изделий в лабораторных и промышленных условиях.
-
Разработать методику и устройство для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний.
Методы исследования. При выполнении исследований применялись методы механики деформируемого твердого тела, конечно-элементного моделирования, заложенных в работах Ю.В.Ланге, Б.А.Глаговского, И.Б.Московенко, А.В.Кочергина, Е.В.Белова, И.В.Ившина, А.Е.Кондратьева, П.В. Мисевича; при построении математических моделей использовались методы, развитые в работах А.И.Голованова, Д.В.Бережнова; при анализе экспериментальных данных применялись статистические методы, развитые в работах Ю.Н.Тюрина, А.А.Макарова.
Научная новизна:
1. Проведены численные расчеты частот собственных колебаний
стержней с дефектом типа «трещина» и без дефекта. Определено влияние
дефектов на изменение частот колебаний стержней при разных размерах и
положениях дефектов.
-
Впервые определены статистические и информативные критерии, позволяющие обнаруживать наличие дефекта, его размер и положение в цилиндрическом изделии по анализу частот собственных колебаний.
-
Разработаны экспериментальные установки и получены новые экспериментальные данные по обнаружению дефектов в цилиндрических изделиях.
4. На основе теоретических и экспериментальных исследований создан
диагностический комплекс, позволяющий проводить контроль технического
состояния цилиндрических изделий.
Практическая значимость:
-
Определены закономерности изменения частот собственных колебаний цилиндрических изделий в зависимости от наличия, положения, размера и ориентации дефекта
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований создан автоматизированный диагностический комплекс для контроля цилиндрических изделий методом свободных колебаний.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований влияния дефектов на частоты собственных
колебаний цилиндрических изделий, зависимость изменений частот колебаний
от наличия дефектов.
2. Информативные критерии для обнаружения дефектов по анализу
частот собственных колебаний цилиндрических изделий.
3. Алгоритм обнаружения дефектов в цилиндрических изделиях по
частотам их собственных колебаний, позволяющий проводить контроль в
автоматическом режиме.
4. Разработанные установки и результаты экспериментальных
исследований параметров собственных колебаний цилиндрических изделий.
5. Методика и диагностический комплекс для контроля технического
состояния и обнаружения дефектов типа «трещина» в цилиндрических
изделиях методом свободных колебаний.
Достоверность результатов. Достоверность теоретических результатов и выводов диссертации обеспечены применением общепринятых методов для расчетов параметров колебаний конструкций. Теоретические результаты согласуются с соответствующими экспериментальными данными. Достоверность новых экспериментальных данных, полученных при исследовании дефектных и бездефектных изделий, обеспечивается применением аттестованных измерительных средств и апробированных экспериментальных методик, анализом погрешности и воспроизводимостью результатов измерений.
Апробация работы. Основные положения работы, научные и
практические результаты докладывались, обсуждались и были одобрены на
внутривузовских, региональных, всесоюзных, всероссийских и международных
конференциях, в том числе: «Современные проблемы аэрокосмической науки и
техники» (г. Жуковский, ЦАГИ, 2000 г.), «Прогнозирование надежности и
долговечности конструкций» (С.-Петербург, СПГТУ, 2001 г, 2003 г.), VII, IX,
XI международных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы
приборостроения, и экономики» (Москва - Сочи, 2004, 2006, 2009 г),
Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях,
«Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВВКУ, 1996-2000, 2003, 2007, 2011 гг.), научно-технических советах Горьковской железной дороги, филиале ОАО «Российские железные дороги», семинарах Физического факультета КГУ, на конференциях и семинарах КВАКУ, КГЭУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, 7 материалов трудов конференций.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритма анализа сигналов, в создании программного обеспечения для анализа данных, разработке и изготовлении измерительного комплекса, проводил все измерения, первичную и статистическую обработку, и анализ экспериментальных данных.
Реализация работы. Разработанный комплекс и методики контроля внедрены на «Горьковской железной дороге», филиале ОАО «Российские железные дороги» при контроле осей железнодорожных вагонов, Казанском моторостроительном производственном объединении, при контроле заготовок лопаток газотурбинных двигателей. Имеются акты о внедрении.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 160 с. основного текста и 20 с. приложений, 98 рисунков и 21 таблицу. Библиографический список включает 132 наименования.
