Введение к работе
Диссертация посвящена разработке быстродействующих средств, устройств и информационно-измерительных систем ультразвуковой дефектоскопии изделий металлургической промышленности.
Актуальность работы
В настоящее время ультразвуковая (УЗ) дефектоскопия продукции металлургической промышленности осуществляется ручным и автоматизированным видами контроля. При ручном контроле УЗ преобразователь перемещается вручную, а при автоматизированном – автоматически. Кроме того, при автоматизированном УЗ контроле дополнительно к сигнализации о наличии дефектов они регистрируются двухкоординатными средствами отображения информации. Для малогабаритных изделий всегда используется ручной вариант УЗ контроля, а для крупногабаритных – автоматизированный, увеличивающий быстродействие контроля и его точность.
Значительный прогресс в качестве УЗ дефектоскопии может быть достигнут созданием автоматизированных информационно-измерительных систем (ИИС), в которых основные стадии УЗ контроля - выявление дефектов, их интерпретация и принятие решения о годности - осуществляются без вмешательства контролёра-оператора. С ростом номенклатуры и объёма УЗ контроля экономически целесообразным становится включение указанных ИИС в технологический процесс. При современных темпах производства с функциями обработки поступающей информации и выдачи заключения о годности изделия сможет справиться только автоматизированная ИИС. При этом функции контролёра-оператора заключаются только в калибровке её по искусственным отражателям.
В основополагающих работах А.С. Голубева, Д.С. Шрайбера, Б.Г. Голодаева, М.П. Уральского, С.Е. Барышева, В.А. Боброва, Г.А. Буденкова и др. получены принципиально важные результаты по созданию автоматизированных установок для УЗ дефектоскопии крупногабаритных изделий из стальных и алюминиевых сплавов. Автоматизированы функции сканирования объекта контроля, выявления дефектов, индикация и регистрация. Окончательную оценку характеристик дефектов выполняет вручную контролёр-оператор путём перепроверки предполагаемых дефектных участков. Проблемам повышения точности УЗ дефектоскопии посвящены работы С.В. Павлова, Д.С. Кравченко, В.А. Лончака, А.А. Праницкого, В.А. Чегоринского и др. Задачи повышения производительности УЗ контроля исследовались, главным образом, в направлении создания УЗ многоканальных дефектоскопов в работах Г.Т. Бордюгова, Б.А. Буденкова, Г.С. Голосуна, Г.М. Школьника и др., а также широколучевых совмещённых УЗ преобразователей в работах Т.В. Димитрова, В.В. Сажина, Б.А. Буденкова, А.С. Демченко, И.Н. Каневского и др.
В рассмотренных работах средства для автоматизированной УЗ дефектоскопии не удовлетворяют современным требованиям металлургической промышленности по быстродействию и точности. Используемые в них УЗ преобразователи – узколучевые и не позволяют увеличить шаг сканирования изделия для обеспечения быстродействия ИИС. У существующих многоканальных УЗ дефектоскопов частота следования зондирующих импульсов уменьшена в число каналов и отсутствует автоматическое слежение за их автоциркуляцией, что существенно снижает быстродействие ИИС. Создание устройств автоматизации процесса перепроверки предполагаемых дефектных участков и оценки размера дефекта, выявленного раздельно-совмещённым УЗ преобразователем, отсутствующих в рассмотренных работах, позволило бы увеличить быстродействие и точность УЗ контроля, а также сформировать итоговый Протокол о его результатах. Поэтому создание широколучевых УЗ преобразователей, многоканального УЗ дефектоскопа и устройств автоматизации процесса УЗ дефектоскопии актуально и своевременно.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка средств и устройств для создания быстродействующих автоматизированных ИИС, обладающих высокой точностью при УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности.
Для достижения поставленной цели в работе решаются задачи:
- анализ и синтез информационно-измерительных систем УЗ дефектоскопии пустотелых профилей, плит и листов;
- создание методики расчёта акустического поля прямоугольных пьезопластин для увеличения его структурной однородности;
- разработка и исследование широколучевых совмещённых и раздельно-совмещённых, а также наклонных УЗ преобразователей;
- разработка и исследование многоканальных УЗ дефектоскопов с повышенными эксплуатационными характеристиками;
- разработка и исследование алгоритмов управления механизированными УЗ установками для перепроверки предполагаемого дефектного участка изделия;
- разработка структурных схем ИИС УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности;
- исследование точности оценки размеров дефекта при УЗ дефектоскопии, рассмотрение основных факторов, влияющих на точность результатов контроля и путей коррекции погрешностей измерений при оценке размеров дефекта.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались теория статистических методов обработки информации, специальные функции, схемотехника аналоговых и цифровых устройств, структурная методология проектирования информационно-измерительной техники, теория автоматического управления.
Научная новизна
Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области создания однородного акустического поля длинных пьезопластин и создания на их основе широколучевых УЗ преобразователей, построения многоканальных УЗ дефектоскопов и устройств автоматизации процесса УЗ дефектоскопии. Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи создания быстродействующих автоматизированных ИИС УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности.
В диссертации получены следующие научные результаты:
- разработаны принципы построения быстродействующих и обладающих высокой точностью автоматизированных ИИС УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности;
- разработан метод повышения однородности структуры акустического поля прямоугольных пьезопластин, на основе которого впервые разработаны широколучевые УЗ преобразователи, позволившие увеличить шаг сканирования и быстродействие ИИС по сравнению с существующими в 3 раза;
- обоснована структурная схема построения многоканального УЗ дефектоскопа с аналитическим принципом разрешения неопределённости «дефект/помеха» при появлении сигналов в строб-импульсе зоны контроля, отличающийся повышенной частотой следования зондирующих импульсов и наличием устройства автоматического непрерывного слежения за исправностью всех электронно-акустических каналов, что обеспечивает возможность УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности за один проход и увеличение её быстродействия в 4 раза;
- установлена возможность создания формирователя функции для автоматической временной регулировки чувствительности раздельно-совмещённого УЗ преобразователя, что позволило увеличить быстродействие ИИС в 2 раза и повысить её точность;
- установлены пути повышения помехозащищённости процесса УЗ дефектоскопии в цеховых условиях металлургического производства;
- приведены описания и основные технические возможности некоторых автоматизированных ИИС УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности, нашедших применение в производстве;
- определены и проанализированы основные факторы, влияющие на точность результатов УЗ дефектоскопии, а также предложены пути коррекции погрешностей измерений при оценке размеров дефекта.
Практическая полезность
Прикладная значимость проведённых разработок и исследований определяется следующими результатами:
- разработана инженерная методика коррекции амплитудно-широтных характеристик (АШХ) широколучевых прямых совмещённых и раздельно-совмещённых, а также наклонных преобразователей для УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности;
- разработаны и исследованы:
1) УЗ многоканальный коммутатор с автоматической перепроверкой результата срабатывания сигнализатора дефектов и с автоматическим слежением за исправностью всех электронно-акустических трактов;
2) формирователь выравнивающей функции для автоматической временной регулировки чувствительности раздельно-совмещённого УЗ преобразователя;
3) помехозащищенный автоматический сигнализатор дефектов;
4) блоки управления сканированием, обеспечивающие автоматическую перепроверку предполагаемых дефектных участков изделия как при шаговом сканировании поверхности, так и за один проход;
5) быстродействующие и обладающие высокой точностью автоматизированные ИИС УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности: пустотелых профилей, листов и плит;
6) методика определения погрешностей измерения размеров дефекта и способы их коррекции.
Реализация результатов работы
Результаты работы реализованы на следующих предприятиях:
- Бело-Калитвинский металлургический завод: УЗ дефектоскопия плит из алюминиевых сплавов;
- Омское машиностроительное предприятие: УЗ дефектоскопия плит из алюминиевых сплавов.
Получены соответствующие Акты внедрения.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
- VII Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушающий контроль материалов, изделий и сварных соединений», Киев, 1974 г.;
- III Областной научно-технической конференции «Неразрушающие методы контроля качества материала, полуфабрикатов и деталей», Куйбышев, 1975 г.
- III Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля», Кишинев, 1977 г.;
- III Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения», Самара, 2006 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 16 - в журналах из Перечня, рекомендованного ВАК, и получено 2 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из Введения, 5 Глав и Заключения, изложенных на 121 странице машинописного текста, содержит 44 рисунка,
7 таблиц, список литературы из 94 наименований и Приложение с Актами внедрения.
На защиту выносятся следующие положения:
- принцип построения быстродействующих ИИС УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности, обеспечивающих высокую точность при оценке результатов контроля;
- алгоритмы обеспечения однородности акустического поля прямоугольных пьезопластин и создания на их основе широколучевых прямых совмещенного и раздельно-совмещенного а также наклонного УЗ преобразователей;
- результаты разработки и исследования многоканального УЗ дефектоскопа с повышенными эксплуатационными характеристиками;
- результаты разработки и исследования устройств автоматизации процесса УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности;
- результаты разработки быстродействующих ИИС УЗ дефектоскопии изделий металлургической промышленности с повышенной точностью.
