Введение к работе
1.1. Актуальность. Надежность эксплуатации авиационной техники и связанная с ней безопасность полетов не могут быть ібеспеченн без применения самых современных методов и средств іеразружаюжего контроля.- Одно из ведуцих мест здесь занимает )ихретоковые и магнитные методы,основанный на регистрации искажений электромагнитного поля под действием дефектов спловности.
В настоянеє время объектами вихретокового и магнитного контроля івляштся свыже 400 типов деталей и узлов самолетов и вертолетов. 1ри этом потенциальные возможности вихретокового и магнитного (етодов, используются далеко не полностьв. В частности, для )бнаружения коррозионных поражений с внутренней стороны деталей, выявления дефектов спложности под защитным слоем диэлектрика, цефектоскопии корпусных элементов со значительной- площадью контроля поверхности необходимо обеспечить возможность выявления цефектов с внутренней стороны полых изделий толщиной 4...6 мм, увеличить- максимально возмоінуп величину рабочего зазора между преобразователем и поверхностью металлоизделия до 2...6 мм.
Современные вихретоковые и магнитные дефектоскопы не обладают такими возможностями. Кроме того габариты, вес, сложность настройки и интерпретации получаемых результатов в ряде дефектоскопов резко сужают их область применения. Дополнительные неудобства связаны с необходимостью применения различных приборов для контроля деталей из магнитных и немагнитных материалов.
Одно из перспективных направлений в ревении указанных задач -разработка первичных преобразователей с избирательной чувствительностью к искажениям электромагнитного поля под действием дефектов в' сочетаний с увеличением глубины контроля за счет формирования определенной конфигурации электромагнитного возбуждающего поля и при сохранении высокой производительности.
Исследования, направленные на селективное выделение сигналов от дефектов, активно проводились разработчиками средств вихретокового и магнитного контроля. Вместе с тем, создать электромагнитные преобразователи, сочетащие в полной мере требуемые свойства пока не удавалось.
І.2. Целью "анной работы является исследование процессов взаимодействия электромагнитных преобразователей с дефектами сплошности и разработка на их основе дефектоскопических средств,способных выявлять дефекты спложности под слоем диэлектрика
до 7 мм и подповерхностных дефектов типа коррозионных пораіений при толщинах до б мм с сохранением высокой селективной чувствительности к поверхностным трещинам.
1.3. Задачи. ременные для достиіениа поставленной в диссертации цели.
-
Разработка конструкции электромагнитного преобразователя в наибольшей степени соответствующего совокупности требований.
-
Разработка и обоснование физико-математических моделей взаимодействия разработанного преобразователя с дефектами сплошности типа трещин и коррозионных поражений.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование в обобщенном виде и анализ закономерностей изменения наиболее информативных параметров выходного сигнала.
-
Разработка на основе полученных закономерностей дефектоскопических средств контроля для выявления трещин и коррозионных поранений в изделиях авиационной техники.
-
Разработка имитаторов дефектов сплошности для метрологического обеспечения дефектоскопических средств.
1.4. Научная новизна. Разработаны математические модели для
исследования взаимодействия электромагнитного преобразователя с
поверхностными и подповерхностными дефектами в плоских объектах
из немагнитных материалов. Модели учитывают основные эффекты при
взаимодействии с дефектами электромагнитных преобразователей,
содеріащих П-образные сердечники.
Исследовано распределение электромагнитного поля в зоне дефектов при использовании систем возбуждения в виде П-образнцх электромагнитов и основные закономерности формирования под их влиянием выходных сигналов чувствительных элементов.
Предлошены алгоритмы обработкивыходных сигналов чувствительных элементов, позволяющие ослабить влияние мешающих факторов.
Разработана конструкция оригинального электромагнитного преобразователя, с улучіенннми метрологическими характеристиками.
1.5. Практическая ценность заключается в создании
электромагнитных дефектоскопов, обеспечивающих выявление
критических поверхностных дефектов в изделиях авиационной техники
при рабочем зазоре между первичным преобразователем и поверхностью
контролируемого объекта до 6 им, а такіе выявление подповерхностных
дефектов в объектах толщиной до 6 мм при рабочем зазоре до 2 мм; в
разработке имитаторов, позволяющих имитировать воздействие дефектов
с заданными параметрами при сканировании поверхностей натурных
.-5-объектов.
1.6. Реализация и внедрение результатов исследований.
Полученные результаты использованы при разработке;
-
Электромагнитного дефектоскопа "Дефектотест-L" для дефектоскопии немагнитных и ферромагнитных деталей авиационной техники.
-
Методик применения дефектоскопа "Дефектстест-L".
-
Метрологического обеспечения средств электромагнитной дефектоскопии.
Разработанные дефектоскоп, методики его применения и имитатора внедрены на одном из предприятий " Лвфтганза" и на предприятии "Интех" (г. Москва).
1.7. Апробация работы. Основные поломения диссертационной
работы докладывались и обсуїдались на:
семинаре "Неразрумащие методы, технологии и средства контроля и диагностики авиатехники" при Меідународном авиационно - космическом салоне, Москва, 1993 г., на 5-ом интернациональном конгрессе авиационных компаний, Гамбург, 1993 г., на научно - технических семинарах ВИЯМ. ИНТЕХ, МИП. МГТИГн.
-
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 печатных работ, в том числе один патент на изобретение.
-
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 104 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 49 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 95 наименования и прилоіения на 17 листах.
1.10. Основные поломения, представляемые к замите:
1. Метод расчета- сигнала электромагнитных преобразователей с
Пгобразными сердечниками при их взаимодействии с поверхностными
и подповерхностными дефектами в немагнитных объектах.
-
Закономерности распределения электромагнитного поля, создаваемого возбувдаащей системой с П-образным сердечником, над участками с дефектами сплоиности в объектах из магнитных и немагнитных материалов.
-
Принципы выявления поверхностных дефектов сплоиности при рабочих зазорах до 6 мм и подповерхностных дефектов при толдине контролируемого объела до 6 мм.
4. Оригинальный электромагнитный преобразователь с улучшенными метрологическими характеристиками, портативный электромагнитный дефектоскоп "Дефектотест-L" и имитаторы дефектов сплошности.
2. СОДЕРІнНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, проанализированы достижения в области электромагнитного керазрушающего контроля, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, приведены основные положения, представляемые к защите.
В первой главе показаны место вихретокового и магнитного контроля в системе мероприятий по обеспечению эксплуатационной надежности авиационной техники и безопасности полетов. Проведен анализ причин, не позволяющих решать существующими средствами такие актуальные задачи контроля, как выявление поверхностных трещин под слоем диэлектрика толщиной до 6 мм в лопастях воздушных винтов, обнаружение подповерхностных коррозионных поражений в корпусных элементах из алюминиевых сплавов, выявление трещин в ферромагнитных стойках с помощью портативных средств дефектоскопии. Сделан вывод, что расширение возможностей и повышения эффективности вихретокового и магнитного методов, в значительной степени может быть обеспечено за счет совершенствования первичного преобразователя. Поставлены задачи исследования.
Во второй главе обоснован выбор конструкции электромагнитных преобразователей и приведены теоретические и экспериментальные исследования их выходных характеристик.
Проведенный анализ показал, что для широкого класса дефектов целесообразно применение электромагнитных преобразователей с возбуждающими системами в виде П-образных электромагнитов v линейно-протяженных токопроводов, а также их комбинации.
Преимущество данных систем возбуждения заключается в более равномерном распределении плотности тока по толщине металла в плоскости симметрии, чем при использовании локальных систем, например, в виде круговых катушек индуктивности. Кроме того нормальная > поверхности контролируемого объекта составляющая нзпряженносп магнитного поля в зоне симметрии составляет несколько проиентоЕ от напряженности возбуждающего магнитного поля.
Таким образом создаются условия для увеличения . глубинь контроля и повышения его пороговой чувствительности. Последнее связано со слабым воздействием возбуждающего магнитного полі непосредственно на чувствительный элемент, ориентированный не считывание нормальной составляющей Ну магнитного поля.
При таком способе создания возбуждающего магнитного полі асимметрия функции распределения Ну возникает только при наруиениі
-7-.-симметрии в системе "контролируемый объект - система возбуждения". При этом вид получаемой асимметрии под влиянием дефектов сплошности существенно отличается от типов асимметрии, возникавших по другим причинам, т.е. за счет влияния меиаещих факторов.
Потенциальные возможности селективного выявления дефектов могут быть реализованы только при использовании чувствительного элемента , отвечающего следующим требованиям:
возможность балансировки чувствительного элемента по выходному сигналу в зоне "магнитной нейтрали" '; ,
сохранение балансировки чувствительного элемента при вариации рабочего зазора и электромагнитных параметров контролируемого объекта,
В качестве чувствительных элементов электромагнитных преобразователей, соответствующих поставленным требованиям, целесообразно использовать систему вложенных друг в друга дифференциально включенных катувек индуктивности, сбалансированных в однородном магнитном поле. Баланс такого чувствительного элемента сохраняется при воздействии, как однородного магнитного поля, гак и магнитного поля, изменяющегося по линейному закону. Кроме того разбалансировки чувствительного элемента не происходит и при его размещении на магнитной нейтрали П-образных сердечников или линейно-протяженных токопроводов (рис. І).
Степень подавления магнитных полей зависит от вида нелинейности функции распределения магнитного поля и одновременно от параметров чувствительного элемента. Таким образом, за счет выбора параметров чувствительного элемента, может быть достигнута селективная чувствительность к дефектам сплошности. Это связано с тем, что магнитные поля, обусловленные влиянием дефектов спловности, имевт болынув нелинейность, чем магнитные поля, связанные с влиянием мешающих факторов. Последние изменяются в объеме преобразователя по законам близким к линейным.
Для теоретических исследований были разработаны ч_. две математические модели. Первая модель описывает процессы взаимодействия электромагнитного преобразователя, содеркацего П-образный сердечник, с подповерхностными дефектами, вторая модель-его взаимодействие с поверхностными дефектами.
Модели были разработаны путем анализа основных закономерностей формирования электромагнитного поля при использовании выбранных систем возбуждения. Экспериментальные исследования позволили установить, что основной эффект, при воздействии поверхностных
-в-" дефектов - смещение "магнитной нейтрали" поля вихревых токов.
Напряженность электрического поля на поверхности злектропрово-' дяцего листа описываются выражением
-]ыФ
Ё(х,у) = — К-гЛг. + г.*. г, )х е.], (I)
2 31 г, тг
где г, иг, - радиус-векторы, проведенные в точку наблюдения из проекции центров левого и правого стержней ыагнитопровода на плоскость (х.у) металлического листа. ~ez - единичный вектор в направлении координаты г, перпендикулярной к плоскости П-образного сердечника, Ф_-переменный магнитный поток через стержень сердечника, н - круговая частота изменения магнитного потока.
При этом силовые линии поля Е имеет вид эксцентричных окружностей, охватывавших один из следов.торцов ыагнитопровода, а распределение электрического поля определяется выражением
Е(х.О) г '-І-''-'
Е(х.у): EXP(-2kT+ky) + EXP(-ky) , (2)
CEXP(-2kT)-N L J ' '
где E(x.O)- напряженность электрического поля на поверхности, Т-тол«ина электропроводящего листа. k= -Jhju06".
При наличии поверхностного дефекта происходит смежение центров окружностей силовых линий поля Е и соответствувиее смежение "магнитной нейтрали" вихревых токов. В результате распределение напряженности поля Е в ыехполюсном пространстве получается асимметричным и имеет скачок при переходе через трежину (рис. 2). Этот эффект и определяет воздействие дефекта типа трецины на чувствительный элемент.
Влияние подповерхностных линейно - протяженных дефектов типа
коррозионных поражений, может быть сведено к двум эффектам:
исключении тока из объема дефекта и увеличении плотности тока над
дефектом за счет уменьвения толжины металла. Если первый эффект
подробно анализировался в известных расчетных моделях, то второй из
отмеченных эффектов ранее не учитывался. Вместе с тем, как показали
проведенные расчеты, его влияние может достигать до 307 от
суммарного эффекта. -
С помоаьв разработанных моделей были определены основные
- 9 -закономерности изменения вторичных электромагнитных полей, обусловленных влиянием поверхностных и подповерхностных дефектов, проведена оптимизация параметров электромагнитных преобразователей.
На рис. З в качестве иллвстрации приведено распределение напряженности электрического поля Е в межполвсном пространстве П-образного сердечника при вариации межполосного расстояния. Для обобщения результатов геометрические размеры по координате х здесь нормированы по диаметру стержня сердечника Dm. Рассчитанные зависимости дают количественное соотношение между допустимым диаметром чувствительного элемента и межполосным расстоянием. Эта соотножение выбирается из требования размецения чувствительного элемента в зоне с равномерным распределением Е.
Оптимизация режимов контроля и параметров электромагнитных преобразователей осуществлялась в два этапа. Предварительно анализировалось распределение напряженности магнитного поля, а затем рассчитывались выходные характеристики преобразователей. На рис. 4 приведено распределение нормальной составлявшей Ну напряженности магнитного поля над пластиной с подповерхностной трещиной при возбуждении электромагнитного поля возбужденней системой с П-образным сердечником, а на рис. 5 - годограф изменения Ну жах в функции обобщенного параметра j5=T/-jwp,' и глубины дефекта.
Проведенный анализ позволил определить оптимальным параметры чувствительных элементов и .возбуждающих систем для выявления поверхностных и подповерхностных дефекты при вариации рабочего зазора в диапазонах 0... 2 мм и 2...7 мм. соответственно.
Выбранный в качестве базового электромагнитный преобразователь позволяет выявлять дефекты в изделиях как из цветных металлов, так и из черных (ферромагнитных). В последнем случае выходной сигнал чувствительного элемента формируется под действием магнитных потоков рассеяния. Для анализа выходных характеристик исследуемого преобразователя под действием дефектов в ферромагнитных.объектах применялась двумерная расчетная модель на основе метода конечных элементов. Выполненные расчеты позволили установить, что с помощью данного электромагнитного преобразователя можно выявлять дефекты и с наружной, и с внутренней стороны ферромагнитных пластин при их толщине до 2 мм. При этом оптимальная рабочая частота лежит в диапазоне І...6 кГц.
Достоверность выполненных расчетов и полученных рекомендаций подтверждена проведенными экспериментальными исследованиями.
Третья глава посвящена разработке средств дефектоскопии изделий
- 10 -авиационной техники на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований. При этом решались следующие задачи:
-разработка конструкции электромагнитного преобразователя, отвечаюцего требованиям по чувствительности к дефектам при рабочих зазорах- до 7 мм и надежности в эксплуатации;
- разработка блока обработки сигнала, позволяющего наиболее полно извлечь информацию о дефектах;
При использовании в качестве возбуждавших систем П-образных электромагнитов чувствительность к трещинам различной ориентации неодинакова. Тренины, ориентированные от одного полиса электромагнита к другому, выявляются гораздо хуже ортогональных к ним. В связи с этим была разработана конструкция электромагнитного преобразователя с равномерной чувствительностью к трещина* различной ориентации за счет применения' вращающегося поля. Электромагнитный преобразователь с вращающимся полем содержит две полезадавщие системы, создающие магнитные поля с ортогональными Друг другу в объеме, чувствительного элемента силовыми линиями. Первая система образована П-ойразным электромагнитом, а вторая -охватывавцим его по периметру токопроводом. Системы возбуждения подключаются к источникам одинаковой частоты f с модулированной амплитудой. По частоте модуляции С» подключаемые источники сдвинуты на 90 градусов. При совместном действии обеих систем создается круговое вращающееся поле в объеме чувствительного элемента.
В соответствии с проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями было установлено,что информативны как амплитуда, так и фаза выходного сигнала.- При этом их совместная обработка позволяет исключить зону нечувствительности длї преобразователей с ориентированным магнитным полем и снизить влияние перекосов для преобразователей с вращающимся магнитны» полем. В разработанном портативном электромагнитном дефектоскоп! "Дефектотест-L" была применена амплитудно-фазовая схема обработки > использовался электромагнитный преобразователь с ориентированны! магнитным полем. Структурная схема дефектоскопа представлена н< рис, 6. За счет выделения информации о дефектах непосредственно к, выходе электромагнитного преобразователя,' блок обработки сигнал, достаточно прост. Это позволило создать портативный и надежный простой в эксплуатации дефектоскоп со сравнительно низко себестоимостью изготовления.
В четвертой главе рассмотрены вопросы практического применеки и метрологического обеспечения разработанных средств дефектоскопии
изложены принципы имитации воздействия дефектов на чувствительный элемент с поможьв электрических имитаторов.
> Разработанный электромагнитный дефектоскоп применялся для дефектоскопии полых лопаток турбин из жаропрочных сплавов н лопастей воздушных винтов. Дефекты в воздушных винтах необходимо выявлять под краской толдиной до 0.3 мм и, одновременно, под слоем диэлектрика толщиной до б мм. Применение сужествужмих средств дефектоскопии здесь не дало положительных результатов. Задача была успешно режена разработанным дефектоскопом "Дефектотест-L". Также положительные результаты были достигнуты при выявлении дефектов с внутренней стороны полых лопаток турбин.
При дефектоскопии натурных объектов возможность выявления в них дефектов заданных размеров определяется многими факторами, я которым относятся электромагнитная неоднородность металла, состояние его поверхности, влияние кривизны поверхности, кромок, ребер жесткости и т.д. Для оперативного определения выявляемое дефектов на различных участках изделия разработаны " электрические имитаторы, позволявшие накладывать сигналы' от дефекта на фон, создаваемый бездефектным изделием.
Один из способов такой имитации заключается в записи магнитограммы при сканировании поверхности бездефектного объекта с ее последующим воспроизведением при взаимодействии преобразователя с контрольным образцом, содержажии дефект. Другой способ имитаций состоит в воздействии при сканировании поверхности натурного объекта на чувствительный элемент магнитным полем, вызываезиы такув же реакции, что и дефект заданных размеров.
Более перспективным был признан второй способ имитации, позволяаяий оперативно определять пороговуп чувствительность к-дефектаы непосредственно на изделиях. В разработанной дефектоскопе "Дефектотест-L" предусмотрена возможность подклпчения имитатора, скнтезнруввего сигнал от дефекта заданных размеров с учетом величины рабочего зазора преобразователя в данный момент.
В заклвченин сформулированы основные результаты и выводы.
В прилопени;; приведены программы расчета электромагнитных полей дефектов и выходных сигналов преобразователей.
