Введение к работе
Актуальность
Повышение качества машин, включающего надежность и долговечность деталей и узлов, является одной из важнейших проблем, приобретающих особую актуальность в связи с увеличением мощности, быстроходности, с ужесточением температурно-силовых режимов эксплуатации современной техники. Работоспособность и стабильность эксплуатационных характеристик большинства машин ограничивается ресурсом работы пружин, это наиболее характерно для современных видов транспорта, объектов военной и космической техники, нефтедобывающего оборудования и электроэнергетики.
Рациональное использование неразрушающих методов контроля качества прутков из рессорно-пружинных сталей позволяет не только повысить качество и надежность выпускаемых изделий, но и несет экономические выгоды производству благодаря сбережению времени и материальных затрат, которые неизбежны при контроле разрушающими методами, а также обеспечит безаварийность работы транспортных средств и безопасность функционирования транспортной системы в целом. Одним из осложнений при организации входного контроля прутков-заготовок из рессорно-пружинных сталей, является широкая номенклатура пруткового металлопроката с различными видами отделки поверхности. Так при производстве пружин систем подрессоривания подвижного состава железнодорожных тележек вагонов и локомотивов используются прутки 32 типоразмеров по диаметру, 36 типоразмеров по длине и четырех видов отделки поверхности.
Качество прутков-заготовок регламентирует ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали». Стандарт жестко ограничивает размеры поверхностных дефектов механического происхождения, а также предписывает не допускать дефектов проката (раскатанные пузыри и загрязнения, волосовины, прокатные плены, закаты, рябизна, закатанная окалина, трещины напряжения).
Традиционно для контроля пруткового проката используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой методы контроля. Достоверность и воспроизводимость ультразвукового метода существенно зависит от качества обработки поверхностей контролируемых объектов. Вихретоковые и магнитоиндукционные методы, несмотря на преимущество бесконтактной работы, выявляют лишь поверхностные и приповерхностные дефекты. При этом получаемая информация зависит от ряда факторов (зазор, магнитные и электромагнитные характеристики объекта), что приводит к проблемам при идентификации дефектов. Прогрессивным является использование волноводных акустических эхо-импульсных методов контроля протяженных объектов. Среди преимуществ волноводного метода — отсутствие необходимости сканирования, а также возможность выявления дефектов различного типа; недостатками являются требования по минимальной длине прутка и сложность контроля пруткового проката диаметрами более 30 мм.
Одним из перспективных подходов к решению перечисленных проблем дефектоскопии пруткового проката является использование электромагнитно-акустического (ЭМА) метода возбуждения и регистрации ультразвуковых импульсов. Существенные преимущества ЭМА метода - это бесконтактность, позво-
ляющая отстроиться от качества акустического контакта и возможность реализации метода многократных отражений за счет отсутствия потерь на границе преобразователь - объект контроля. Разработка новых высокоэффективных средств ЭМА метода, надежно выявляющих нарушения сплошности металла, отклонения в его химическом составе, структуре и физических характеристиках материала прутков из рессорно-пружинных сталей является актуальной научной задачей не-разрушающего контроля и повышения качества готовых изделий.
Степень проработанности
В настоящее время, силами отечественных и зарубежных ученых созданы основы физических представлений о формировании и действии наиболее существенных механизмов ЭМА преобразования в металлах с учетом различия в физических параметрах проводящих сред, уровнях магнитного поля, а также других особенностей. Среди примеров практического использования ЭМА методов наиболее успешным признан опыт компаний «Нординкрафт» (Германия, Россия) и «Ультракрафт» (г. Череповец, Россия). Коллективами этих предприятий разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию установки автоматизированного ЭМА контроля сортового и листового проката на предприятиях России, Белоруссии, Украины и Китая.
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту № 2.1.2/12069, Программы инициативных проектов фундаментальных исследований, выполняемых в Учреждении УрО РАН в 2012-2014 гг. (рег. номер: 12-У-2-1013);Программы стратегического развития «ИжГТУ им. М.Т.Калашникова» на 2012 - 2016 гг. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ ; ГТ-4-12 конкурс грантов им Г.А. Тихонова для аспирантов и молодых ученых.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях для структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали. Цель соответствуют следующим областям исследования по паспорту специальности 05.11.13: п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п. 2. «Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля».
В работе решались следующие задачи: 1. Разработка и оптимизация систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей для структуроскопии и дефектоскопии прутков.
2.Исследование влияния структурного состояния прутков из рессорно-пружинной стали на основные параметры зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях.
3 .Исследование чувствительности зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях к реальным дефектам прутков из рессорно-пружинной стали.
4. Разработка и реализация методик структуроскопии и дефектоскопии прутков из
рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода на
многократных отражениях.
5. Сравнительный анализ результатов производственных испытаний ЭМА зер
кально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных техноло
гий контроля прутков из рессорно-пружинной стали.
Объектом исследования является электромагнитно-акустический зеркально-теневой метод на многократных отражениях для контроля качества пруткового проката из рессорно-пружинной стали.
Предмет исследования: принципы построения систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей и методики зеркально-теневого электромагнитно-акустического метода на многократных отражениях для структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали.
Методология и методы исследования. При экспериментальных исследованиях использован ЭМА метод многократных отражений. Подтверждение обнаруженных дефектов и изменений в структуре металла проводилось с помощью металлографических исследований. Численное моделирование магнитных полей ЭМА преобразователей реализовано методом конечных элементов. Оценка достоверности результатов контроля выполнена с применением методов теории вероятности и статистического анализа.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории магнитостатики, акустики твердого тела, метода конечных элементов; методов статистической обработки; использованием при экспериментальных исследованиях поверенных средств измерений, оценками погрешностей исследований, подтверждения результатов дефектоскопии и структуроскопии металлографическим анализом.
Научная новизна
-
Разработаны и оптимизированы параметры систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей продольных и поперечных волн с радиальной и осевой поляризацией для реализации зеркально-теневого метода контроля пруткового проката на многократных отражениях, позволяющие достичь максимальных коэффициентов ЭМА преобразования, минимизации массогабаритных размеров, требуемой акустической помехозащищенности.
-
Впервые исследовано влияние неравновесности структурного состояния прутков из рессорно-пружинной стали и его неравномерности по длине и сечению на основные параметры продольных и поперечных волн, заключающееся в уменьшении скорости, росте затухания, возможности взаимной трансформации волн для прутков со структурой, характеризующейся наличием продуктов немартен-ситного распада и обезуглероженного слоя с крупнозернистым ферритом в мар-тенситной структуре основного сечения.
3. Впервые исследована чувствительность к дефектам прутков из рессорно-
пружинной стали электромагнитно-акустическим зеркально-теневым методом на
многократных отражениях, показавшая возможность выявления и надежной лока
лизации внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм.
-
Разработаны методики структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях, основанные на анализе скоростей и угловых индикатрис объемных волн, ослабления серии многократных отражений и эффективности ЭМА преобразования, обеспечивающие погрешность измерений не более 0,1%.
-
Впервые проведены сравнительные испытания электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных - вол-новодного акустического и вихретокового методов - при контроле прутков из рес-сорно-пружинных сталей и рассчитана сравнительная достоверность каждого из методов, составляющая для разработанного метода 0,98 против 0,86 для волно-водного акустического контроля и 0,79 для вихретокового контроля.
Теоретическая и практическая значимость
Теоретической значимостью обладают результаты моделирования полей подмагничивания, основанные на расчете распределения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля, исходя из требований максимальной составляющей полезной компоненты в условиях равномерности распределения по апертуре преобразователя при минимальной составляющей мешающей компоненты, для проходных ЭМА преобразователей продольной и поперечной волн с радиальной и осевой поляризацией в цилиндрических объектах.
Результаты исследований влияния структурных изменений в пружинно-рессорной стали на измеряемые характеристики акустических волн показали возможность использования ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях при исследованиях структурных состояний термоупрочняемых сталей, а также при выборе технологий и режимов термической обработки.
Практическая значимость: результаты испытаний ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях на ООО «НПЦ «Пружина» для контроля прутков-заготовок из рессорно-пружинной стали показали возможность выявления недопустимых по ГОСТ 14959-79 при производстве пружин дефектов прутков-заготовок в широком диапазоне диаметров и длин при различном качестве обработки поверхности, из различных марок сталей с надежной локализацией внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм. Указанный метод был апробирован на ООО «НПЦ «Пружина» как самостоятельный, так и дополнительно к волноводному акустическому методу для повышения достоверности наличия дефектов, находящихся в мертвой зоне и имеющих место на всей длине прутка. Результаты испытаний позволили установить типы и размеры выявляемых дефектов, выработать практические рекомендации по дефектоскопии проката в зависимости от качества обработки и геометрических размеров прутка (акт об испытаниях ООО «НПЦ «Пружина»)
Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров и магистров по направлению 200100 «Приборостроение» (акт о внедрении ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»).
Положения, выносимые на защиту 1. Разработанные модели систем подмагничивания проходных электромагнитно-акустических преобразователей объемных волн с радиальной и осевой поляриза-
цией в цилиндрических объектах и результаты их оптимизации с позиций достижения максимальных коэффициентов ЭМА преобразования, минимизации массо-габаритных размеров, требуемой апертуры и акустической помехозащищенности.
-
Закономерности изменения основных параметров продольных и поперечных волн с радиальной и осевой поляризацией в прутках из рессорно-пружинной стали от их структурного состояния.
-
Результаты исследования чувствительности к реальным дефектам прутков из рессорно-пружинной стали ЭМА зеркально-теневым методом на многократных отражениях, показавшие возможность выявления и надежной локализации внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм.
-
Методики определения основных информативных параметров при структуро-скопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода.
-
Результаты сравнительных испытаний и оценка достоверности ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных - волноводного акустического и вихретокового методов при контроле прутков в производственных условиях.
Личный вклад автора
Результаты численных и экспериментальных исследований, модели, и методики, представленные в диссертации, получены автором лично. Экспериментальная установка, используемая при исследованиях, разработана коллективом кафедры «Приборы и методы контроля качества». Выбор приоритетов, направлений и методов исследования и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнено при активном участии научного руководителя.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых изданиях, из них 3 -в рекомендуемых ВАК РФ, 10 публикаций в сборниках трудов конференций, 2 итоговых отчета по НИР.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 15-18 марта 2011 г.); VII, VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2011 г., 2012 г.); II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика - 2012», посвященной 60-летию ИжГТУ имени М.Т. Калашникова (Ижевск 4-16 мая 2012 г.); XXI Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций» (г. Санкт-Петербург 28-31 мая 2013 г.)
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 148 наименований, 3 приложения. Основная часть диссертации изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 14 таблиц.
