Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы и перспективы применения метода неразрушающего контроля на основе эффекта магнитных шумов для контроля напряженного состояния в металлоизделиях 8
1.1. Скачки Баркгаузена и их применение для решения проблем управления напряженным состоянием изделий из ферромагнитных сталей 8
1.2. Анализ физических основ метода неразрушающего контроля с использованием магнитных шумов перемагничивания 12
1.3. Анализ информативных параметров метода магнитных шумов и проблемы их практической реализации 17
Выводы по главе 1 28
2. Анализ зависимости магнитных шумов от уровня напряжений в изделиях из высокопрочной конструкционной стали 29
2.1. Методика расчета спектральных характеристик ЭДС СБ, наводимых в измерительной катушке первичных преобразователей 29
2.2. Определение ЭДС, наводимой в измерительной катушке скачком Баркгаузена 32
2.3. Анализ спектра и формы импульса эдс скачка баркгаузена, а также характера взаимосвязи его параметров с напряжениями в металлах 41
Выводы по главе 2 49
3. Исследование взаимосвязи параметров магнитных шумов с механическими напряжениями в ферромагнитных сталях 50
(К 3.1. Методика проведения эксперимента, применяемое оборудование и материалы 50
3.2. Исследование зависимости параметров магнитных шумов от уровня напряжений 58
3.3. Разработка методики градуировки приборов для оценки уровня механических напряжений 66
Выводы по главе 3 72
4. Совершеннствование программно-аппаратных средств для контроля механических напряжений в изделиях из ферромагнитных металлов 73
4.1. Разработка прибора и исследование сигнала МШ и электромагнитных помех 73
4.2. Оптимизация конструкции первичных преобразователей для регистрации сигналов магнитных шумов 79
4.3. Основные элементы программно-аппаратного комплекса для регистрации параметров магнитных шумов в ферромагнитных металлах 81
4.4. Алгоритм работы программно-аппаратного комплекса механических напряжений 87
4.5. Разработка программно-аппаратного комплекса для контроляплосконапряженного состояния изделий из ферромагнитных сталей 101
Выводы по главе 4 106
Общие выводы по работе 107
Литература
- Анализ физических основ метода неразрушающего контроля с использованием магнитных шумов перемагничивания
- Определение ЭДС, наводимой в измерительной катушке скачком Баркгаузена
- Разработка методики градуировки приборов для оценки уровня механических напряжений
- Алгоритм работы программно-аппаратного комплекса механических напряжений
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. В условиях постоянно стареющего парка машин н механизмов остро встает вопрос о возможности продления сроков эксплуатации отдельных узлов и деталей, а также контроль их остаточного ресурса. Одним из способов контроля остаточного ресурса является контроль напряженного состояния ферромагнитного металла, применяемого для изготовления ответственных деталей и узлов. Применение научных методов для решения этой проблемы позволяет влиять и регулировать напряженное состояние металлоизделий и существенно увеличить надежность и долговечность техники, ее технологичность н ресурсоемкость при производстве и эксплуатации, что подтверждает актуальность проблемы.
Ввиду масштабности и сложности технологического процесса производства н сложных условий эксплуатации изделий из ферромагнитных металлов наиболее эффективным способом анализа и регулирования механических напряжений является подход, при котором производится контроль напряженного состояния изделий из ферромагнитных металлов на всех этапах технологического процесса. Таким образом выявляются детали в недопустимым уровнем механических напряжений и производить их выбраковку или технологическую доработку.
Решение данной задачи возможно с применением как традиционных методов неразрушающего контроля, так н с помощью развития сравнительно новых методов, таких как метод эффекта Баркгаузена (ЭБ) или, как его еще называют, метод магнитных шумов (МШ).
Отличительными особенностями данного метода неразрушающего контроля от других электромагнитных методов: источником электромагнитного излучения является сам контролируемый объект по причине перестройки его доменной текстуры: большая локальность контроля, обеспеченная малой величиной объема скачкообразно перемапшчнвающейся области — от 10 * до 10'10 см3; возможность снимать информацию в аналоговом или цифровом виде даже с очень тонких слоев образцов.
Эти особенности позволяют найти новые пути решения задачи контроля механических напряжений в деталях и разработки новых средств и методик контроля.
Широкое развитие в неразрушаюшем контроля (НК) получил метод магнитных шумов. Большой вклад в становление этого метода внесли работы Н.Н Колачевского, ВМ. Рудяка, В.В. Клюева, Э.С. Горкунова, В.Е. Шатерникова, Г.В. Ломаева, В.Е. Щербинина, В.В. Поповой, ВЛ. Венгрнновича, В.В. Фнлинова, Н.С. Кузнецова, а также зарубежных исследователей - Ц. Гарднера (США), И. Шродера (США), И. Бартона (США), Л. Карьялайнена, К. Тнтто (Финляндия), Дмитровича Д.В. (Беларусь) и т.д. Вместе с тем, распространенность и применение метода МШ в промышленности не соответствует возможностям этого метода НК и требует комплексного решения исследовательских, конструкторских и методических задач. К их числу относятся вопросы более глубокого исследования взаимосвязи параметров сигналов МШ с механическими напряжениями н структурными изменениями в конструкционных высокопрочных
сталях, методическое обеспечения, исследования различных принципов построения приборов н первичных преобразователей.
В связи с этим, работы направленные на создание средств и методик контроля механических напряжений в высокопрочной конструкционной стали на основе метода МШ, являются актуальными.
Целью диссертационной работы является создание средств и методов контроля механических напряжений в изделиях нз ферромагнитных сталей методом MILL Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
провести анализ закономерностей изменения параметров сигналов магнитных шумов в зависимости от уровня механических напряжений в металлах;
экспериментально исследовать взаимосвязи параметров сигналов МШ на плоских образцах нз ферромагнитных сталей;
определить новые алгоритмы обработки и информативных параметров сигналов МШ;
исследовать влияние электромагнитных помех, вызванных работой промышленного н бытового электрооборудования, а также повышение точность измерений н помехозащищенность регистрации сигналов МШ.
разработать принципы построения аппаратуры н методов контроля механических напряжении на основе использования МШ;
исследовать плосконапряженное состояние длинномерных н плоских металлоизделий.
Методы исследования. Научные исследования были проведены с привлечением методов математического моделирования н уравнений матфнзикн. Результаты теоретических положений были проверены экспериментально с использованием механических методов испытаний, статистических методов обработки экспериментальных данных.
Новые научные результаты.
-
Разработана методика расчета текущих энергетических характеристик МШ. Показано, что параметр Ицш, равный максимальному значению сигналов МШ отражает энергетические свойства МШ. Это позволяет повысить достоверность и повторяемость результатов контроля напряжений, в частности, при использовании в связке с такими параметрами, как текущее значение перемагничнвающего тока /„.
-
Исследованы зависимости параметров сигналов МШ от уровня напряжений в высокопрочных сталях. Доказана возможность использования единой, в пределах марки стали, зависимости параметров МШ (f/ддц, 1„) от механических напряжений в случае контроля деталей нз углеродистых и легированных сталей.
-
Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ, основанные на применении различных методов цифровой обработки и фильтрации сигналов принципы построения средств н алгоритмов контроля напряженного состояния деталей нз высокопрочных сталей, основанные на применении новых параметров, таких как общее количество выбросов СБ н их суммарная длительность,
связанных с их совместным использованием, которые повышают точность н повторяемость результатов контроля напряжений.
4. Разработан сканер, представляющая собой трехкоордннатный манипулятор с закрепленным преобразователем, управляемый с ПК, предназначенный для исследования плоских образцов из ферромагнитных металлов. Его применение в задаче контроля плосконапряженного состояния позволяет получить целостную картину распределения напряжений.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
-
Теоретические и экспериментальные исследования МШ при нагруженин высокопрочных сталей позволили разработать методику контроля и микропроцессорный прибор «МШ-1» для оценки уровня механических напряжений в изделиях из высокопрочной конструкционной стали.
-
Предложены новые информативные параметры — RuP, повышающие достоверность и качество контроля механических напряжений в высокопрочных сталях.
-
Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ. основанные на применении быстрого преобразования Фурье для возможности фильтрации подученного сигнала, различные цифровые фильтры для обеспечения стабильности измерений регистрируемых параметров, программные средства для персонального компьютера и микропроцессорный вариант помехозапшшенного прибора для контроля механических напряжений методом МШ — «МШ-1».
-
Результаты работы реализованы в виде микропроцессорного варианта прибора контроля методом МШ и использованы на предприятиях маппгаостроительной отрасли, например, в ООО «ГлавДиагностнка».
Личный вклад автора. Основные научные результаты, представленные в диссертационной работе получены автором самостоятельно. Ведущая роль выполненных в соавторстве работах принадлежит соискателю.
Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 106 наименований, приложения и изложена на 117 страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками н 13 таблицами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 14-ти печатных работах, из них в списке ВАК 3 работы н обсуждены на 3-х международных конференциях — 5-й, 6-й н 10-й Международной выставке и конференции «Неразрушающнй контроль и техническая диагностика в промышленности» в г.Москва в 2006,2008 н 2010 годах.
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Методика расчета текущих энергетических характеристик МШ. Показано, что параметр і/цщ, равный максимальному значению сигналов МШ, отражает энергетические свойства МШ.
-
Разработанная методика градуировки приборов для оценки уровня напряжений в высокопрочных сталях, в частности, в высокопрочных конструкционных сталях.
3. Принципы построения н схемотехнические решения, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие разработку прибора (индикатора механических напряжений) на базе цифрового сигнального процессора, для контроля МН.
Анализ физических основ метода неразрушающего контроля с использованием магнитных шумов перемагничивания
Улучшение качества управления механическими напряжениями (МН) в изделиях из ферромагнитных сталей позволит повысить надежность и долговечность работы как отдельных деталей механизмов, так и всему механизму в целом на всем периоде эксплуатации.
Влияние МН начинается еще как в процессе изготовления детали на разных технологических этапах производства, так при эксплуатации и изменяется в зависимости от текущей стадии. Таким образом круг вопросов, связанных с МН состоит из: причины возникновения и изменения напряжений в заготовках; разработка методов и средств контроля напряжений, их применение; разработка способов воздействия на напряжения с целью снижения их влияния на характеристики готового изделия из ферромагнитной стали.
Наличие различного вида неоднородностей и неравномерностей при технологической обработке и производстве изделия является причиной неравномерного распределения МН, которые продолжают существовать после полного прекращения внешнего воздействия на изделия из ферромагнитных сталей.
Различные виды механической обработки деталей обеспечивают разные причины появления МН, их величину и распределенность по поверхности изделия [5, 15, 16]. Например, термическая обработка деталей машин и механизмов МН в поверхностных слоях металла могут быть в виде обезуглероживания, науглероживания, окисления, что предопределяет наличие по большей части растягивающих МН [13, 14]. Силовой фактор является превалирующим при механическом воздействии на изделие и зависит применяемого метода и выбранного режима металлообработки на производстве, а также качества выполнения выбранной технологической операции, физических свойств и параметров применяемого инструмента, наличия охлаждения и ряда других причин, которые предопределяют сжимающий тип МН [5]. Но при воздействии теплового фактора из-за трения инструмента по обрабатываемому материалу, вызванного как увеличением скорости резания, так и ухудшением условий охлаждения возможны фазовые изменения в поверхностном слое материала (прижог), что обеспечивает появление растягивающих МН. И наоборот, фазовые изменения, связанные с увеличением размеров кристаллической решетки в обрабатываемом металле, вызывают сжимающие МН. Фрезерование металлической детали обеспечивает как сжимающие, так и растягивающие МН [10, 11, 12].
При шлифовании преобладает тепловое воздействие над силовым, что приводит к появлению растягивающих МН на обрабатываемой поверхности изделия, а, следовательно, - к структурному превращению поверхности металла в мартенсит, но в силу меньшего усилия инструмента растягивающие МН проникают на меньшую глубину, чем при токарной обработке [4,16].
Таким образом, при механической обработке металлоизделия однозначность МН не гарантируется.
Для улучшения качественных показателей готового изделия из ферромагнитной стали применяются различные виды финишных упрочняющих операций, такие как поверхностно-пластическое деформирование, которые могут повысить выносливость сталей в 3...8 раз, износостойкость в 1,5...2 раза, а сопротивление коррозийной усталости - в 1,5...2 раза [4, 5]. Так для обработки деталей сложного формы и профиля применяется упрочнение дробью, которое обеспечивает однозначное распределение МН в обрабатываемой детали из ферромагнитной стали [6, 7, 8, 9]. Наиболее сильное влияние механические напряжения оказывают на механические характеристики сталей, которые склонны к хрупкому разрушению: снижается статическую прочность изделия[17, 18], их предел выносливости при нагрузках циклического характера [4, 16], уменьшают износостойкость [12, 15], изменяют форму и размеры металлоизделий [15].
Таким образом проблема управления МН имеет решение при качественном контроле МН, что предопределяет применение или корректирование параметров технологических операции для уменьшения влияния МН в изделии или отбраковку заготовок и деталей как на стадии производства, так и в процессе их эксплуатации.
Существующая классификация методов контроля МН подразделяется на: разрушающие механические методы контроля: их исключительным достоинством является высокий уровень надежности и эффективности контроля, но их недостатком является трудоемкость и использование, как правило, для исследований характеристик или проведения выборочного контроля образцов продукции; неразрушающие: если методы разрушающего механического контроля применяются только к контрольным образцам изделий для выяснения их общих механических свойств, то неразрушающий контроль используется для массового контроля качества выпускаемой продукции за счет его высокой скорости и отсутствия механического воздействия на металлоизделие, т.к. в их основе лежат зависимости физических характеристик металла от уровня напряжений (напряжений І, II и III рода по классификации Давиденкова Н.Н.).
Одними из самых эффективных методов контроля является электромагнитные методы контроля состояния металлоизделия.
Значительный прогресс в развитии электромагнитного метода контроля в теории, разработке и применении связаны с усилиями Российских ученых и специалистов: В.В., Клюева, А.Б. Сапожникова, Р.И. Януса, А.А Штина, М.Н. Михеева, В.Е. Щербинина, Г.С. Шелихова, Г.В.Ломаева, А.Д. Покровского, В.Е. Шатерникова, В.К. Барсукова, В.Ф. Мужицкого, Э.С. Горкунова, Н.С. Кузнецова, В.В. Филинова, B.C. Малышева и др. [19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29].
Магнитные свойства металлов прямо зависят от структурных изменений в процессе их пластического деформирования при обработке. Например, для высокопрочных конструкционных марок сталей было зафиксировано, что коэрцитивная сила Нд взаимосвязана с плотностью дислокаций N и механическими напряжениями сг02, как сг02 нс vN [32]. Возможность и применяемые способы контроля напряженного состояния в изделиях из конструкционных сталей по Не показана в работах [30, 32]. Применение для этой цели метода гармонических методов и вихревых токов на выбранных марках сталей тоже дало положительные результаты [31, 32]. Но возможности указанных методов имеет ограничение, связанное со следующими причинами. Коэрцитивная сила позволяет получить среднюю по объему области контроля информацию о различных структурных изменениях в стальном изделии, однако характер распределения механических напряжений в деталях из ферромагнитных сталей при неоднородной пластической деформации является знакопеременным [84]. Информационные параметры вихретокового метода НК взаимосвязаны только с изменением электродинамических параметров стали, таких как удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость контролируемого металла и при этом учитывается влияние магнитной текстуры, которая создаваеется пластической деформацией при нагружении или обработке, на протекающие необратимые процессы сдвига в ферромагнитных материалах [33, 34,35].
Определение ЭДС, наводимой в измерительной катушке скачком Баркгаузена
Для проверки полученных в главе 2 результатов были проведены экспериментальные исследования параметров сигналов МШ при периодическом перемагничивании линейно или синусоидально изменяюшимся магнитным полем образцов из ферромагнитных сталей сплавов. Были поставлены и решены следующие задачи: исследование метода регистрации средневыпрямленных и текущих параметров сигналов МШ во взаимосвязи с уровнем напряжений в испытательном образце; исследование метода регистрации параметров максимумов огибающих магнитных шумов (ОМШ) во взаимосвязи с уровнем напряжений. Для исследований зависимости параметров МШ с механическими напряжениями (МН) была выбрана высоколегированная мартенситностареющая сталь 03Н17К1ОВ1ОМТ.
При исследовании и определении механических свойств материала были использованы разрывные образцы, произведенные по ГОСТ 1497-73 , ударные по ГОСТ 9454-78 и известные методики разрушающих испытаний. В таблице 3.1. собрана информация по режимам термообработки образцов, их усредненные по результатам испытаний трех образцов-свидетелей механические характеристики, которые приведены в таблице 3.1. Исследование параметров сигналов МШ проводилось на разрывных образцах, представляющих собой пластину с отверстиями под крепежные шпильки и площадью сечения основной рабочей части, имеющей размеры 2x16 мм. Для чистоты эксперимента образцы были шлифованы до шероховатости поверхности Rz = 2,5 мкм с охлаждением, чтоб исключить их разогрев.
Испытания образцов, приведенных в таблице 3.1. осуществлялось с помощью разрывной машины УТС-110-100 (рисунок 3.1.)» которая позволяет создавать нагрузку до 10 Н, а также регистрировать и сохранять на ПК диаграмму нагружения. Исследование механичеких напряжений проводилось на приборе, разработанном в МГУПИ - Анализатор Ферромагнитной Структуры (АФС) Структурная схема используемого прибора представлена на рисунке 3.2, а технические характеристики - в таблице 3.2.
Масса 10 кг Прибор имеет функции измерения энергетических и эмиссионных характеристик МШ, которые приведены в таблице 3.3.
Функции прибора АФС- Энергетические характеристики: Значение текущего средневыпрямленного напряжения МШ вtj+- 2 Значение средневыпрямленного напряжения МШ 1 " 1 Те П 1=1 1П 0 Эмиссионные характеристики: Текущее число выбросов МШ за уровень селекции С в K{C,t}) = -Y}- \\c,t)dt J 2 Среднее число выбросов МШ за уровень селекции С Ncp(C) = -fj jJ(C,t)dtП =1 1п 0 Прибор АФС-3 функционально состоит из следующих блоков (рисунок 3.2): блок генератора (БГ); блок измерения (БИ) и первичного преобразователя (ПП). Блок генератора создает мощный линейно изменяющийся сигнал, передаваемый на перемагничивающую катушку ПП и формирует строб-импульс длительностью В. Генератор запускает интегратор 1, триггер Шмитта 2 и усилитель мощности 3 с отрицательной обратной связью по току (сигнал обратной связи снимается с резистора R). Строб-импульс включает в себя пороговый элемент 4 и ждущий мультивибратор 5. Частота тока перемагничивания изменяется с помощью постоянной времени йррецзашршии напряжения Uo на втором входе этого порогового элемента, Рисунок. 3.2. Структурная схема прибора АФС-3: изменяется временное положение строб-импульса (момент времени tj) относительно создаваемого генератором тока перемагничивания. Основной принцип действия БИ заключается в следующем: на интервале, задаваемым длительностью строб-импульса, происходит усреднение текущих характеристик сигнала МШ, который поступает с широкополосного усилителя 6. Переключатель П задает измеряемый параметр. Канал измерения числа выбросов МШ состоит из аналогового ключа 8 и порогового элемента 7. В случае, когда уровень сигнала МШ превышает некоторый уровень селекции С, задаваемый напряжением Uc, пороговый элемент преобразует этот сигнал в последовательность импульсов равной амплитуды, которые подсчитываются и выводятся на индикатор 15. Канал измерения интенсивности сигналов магнитных шумов включает в себя: интегратор 11, аналоговый ключ 10, детектор 9, схему управления интегратором 12, АЦП 14 и аналоговое запоминающее устройство 13. Оценка интенсивности МШ осуществялется методом средневыпрямленного значения. Сброс интергратора производится с помощью схемы управления, и им же проводится перепись результата измерения в запоминающее устройство, откуда информация отображается на индикаторе. Для измерения энергетических и эмиссионных характеристик МШ аналоговые ключи 8 и 10 следует держать в открытом состоянии.
Разработка методики градуировки приборов для оценки уровня механических напряжений
Для примера, на рисунке 3.6. представлены огибающие МШ (ОМШ), которые имеют максимум иМшмах- При увеличении приложенных растягивающих напряжений максимальное значение ОМШ возрастает и его положение относительно старта полупериода перемагничивания сдвигается в область меньших полей старта СБ. Стоит отметить, что среднеквадратическое значение сигналов МШ возрастает от сжимающих до растягивающих приложенных напряжений (рисунок 3.7).
Деформирование образца вдоль оси циклического перемагничивания оказывает наибольшее влияние на параметры сигналов МШ. Это было зафиксировано неоднократно при нагружении испытательных образцов одноосной нагрузкой на разрывной машине, когда МН действуют только вдоль оси приложения нагрузки, а деформации материала наблюдаются как вдоль, так и поперек оси действия нагрузки. -200 0 200 400 600 800 оь,МПа
Эксперименты показывают, что значение UMIII вдоль оси действия нагрузки начинает возрастать при увеличении нагрузки и, соответственно, убывает в перпендикулярном направлении. При этом при регистрации уровня имш поперек оси нагружения его относительное изменение составляет приблизительно 0,3 от такого же изменения при регистрации этого же параметра магнитных шумов вдоль оси нагружения. С учетом того, что деформация вдоль и поперек оси нагружения и приложенная нагрузка связаны друг с другом коэффициентом Пуассона, который приблизительно равен 0,3, то напрашивается вывод о том, что деформация кристалла ответственна за влияние на доменнуб структуру ферромагнитного металла, что оказывает влияние на параметры МШ. Следует отметить, что упругие деформации при растяжении металла в вдоль оси перемагничивания приводят к росту ЭДС МШ, а деформации сжатия - к падению ЭДС МШ. Стоит отметить, полученные для всех других исследованных марок простой углеродистой и легированной сталей кривые зависимости уровня МШ от уровня МН, подобны по своему характеру изменения и отличаются друг от друга только абсолютными величинами измеряемых параметров МШ.
С учетом того, что большинство деталей и изделий из высокопрочной стали эксплуатируются в различных механизмах в условиях действия нагрузок, как правило, не более чем 0,5... 0,7 ай1 (с коэффициентом запаса прочности составляющим 2...3 раза), проведем исследование именно этого диапазона нагружения. Проведенные исследования параметров положения максимума ОМІ II в их зависимости от уровня напряжений в образцах стали 03Н17К10В10МТ (таблица 3.1), графики которых приведены на рисунке 3.8. показали, что эти зависимости подобны полученным при нагружении разрывных образцов стали Ст.60 (рисунок 3.7).
Как видно из рисунков 3.8 и 3.9, на стартовом этапе нагружения (до 0,7 cr0 2) величина UMIU растет по закону, который очень близок к линейному.
Аналогично уменьшается величина 1р. При росте растягивающих напряжений в диапазоне от 0,7 а02 до 0,9 а02 скорость изменения как UMUI, так и 1р падает, а при напряжениях близких к а02 кривая приобретает экстремальный характер. Изменение расположения максимума ОМШ может объясняться одновременным изменением параметра 6Х в результате протекания процессов сначала микропластической (приблизительно до т0 2), а затем и пластической деформации, а также эффективной кристаллографической анизотропии (К + ка0) при увеличении од . Заметим, что стадии пластического деформирования образца увеличение значения градиента микронапряжений становится преобладающим, что ведет к сильному снижению уровня UMIU И росту значения 1р.
Отметим две особенности, дающие возможность практической реализации МШ метода при контроле напряжений в изделиях из высокопрочной стали 03Н17К10В10МТ: - высокая прочность и широкий диапазон линейных изменений уровня сигналов UMUI И 1р - до 160 кг/ мм2; - малые изменения уровня сигналов UMUI И ІР В интервале термообработки- до 500С. Таким образом при разработке средств контроля МН становится возможным основываться на распространенных схемотехнических решениях и информативных параметрах МШ, таких как UMUI, С учетом методических особенностей контроля конкретных типов изделий из ферромагнитной стали, а также опробовать новые разработки, схемотехнические решения и информативные параметры МШ. Ір,мА
Зависимости параметров l/мш и Ірт растягивающих напряжений, построенные для разрывных образцов из стали 03Н17К10В10МТ, твердость которых: 1) НВ = 209; 2) НВ = 348; 3) НВ = 476. Разработанная аппаратура, способная реализовать предложенный вид контроля и алгоритмы, должна уметь: Измерять текущие параметры ОМШ для вычисления параметра Р, равного произведению значений 1р и UMUI , при использовании параметра R повышать чувствительность контроля; контролировать напряжения по единой шкале в пределах заданной марки стали. Использование методики плоского нагружения контрольных образцов, применяемой для градуировки приборов, таких как АФС, связано с трудностями, то была разработана методика на основе колец из стали 03Н17К1ОВ1ОМТ (рисунок 3.10).
С противоположной стороны от предполагаемого места разреза кольца, сего наружной части в точке В (рисунок 3.11) проводилось измерение параметра МШ. После разрезки кольца измерение параметра МШ повторялось в том же месте.
Алгоритм работы программно-аппаратного комплекса механических напряжений
Так как сбор информации с датчика должен осуществляться непрерывно, то используется технология прямого доступа к памяти с двумя буферами в режиме «пинг-понг» для ЦАП и двух АЦП. Это позволяет устранить конфликт доступа к памяти со стороны периферийных устройств и центрального ядра, осуществляющего обработку собранных АЦП данных. По умолчанию, в микроконтроллере АЦП для сбора данных о МШ настроено на частоту дискретизации в 2 МГц. В случае необходимости, возможно подключение второго АЦП к тем же каналам и увеличить частоту до 4,8 МГц, но на частотах перемагничивания до 10 Гц это будет избыточным. Размер буферов установлен в размере 10 000 отчетов каждый. При этом приоритет прерываний установлен таким образом, чтобы прерывание от ЦАП имело более высокий приоритет. Таким образом будут соблюдены отсчеты времени и вовремя обнулены переменные при начале нового полупериода перемагничивания.
Обработка данных начинается после каждого сработавшего прерывания модуля ПДП, подключенного к АЦП (рисунок 4.13). Перед началом основного цикла обработки обнуляются локальные счетчики и в регистры загружаются данные, полученные в результате предыдущей обработки (глобальные переменные). Это делается для ускорения работы микроконтроллера, т.к. загрузка данных из ОЗУ занимает длительное (2 такта) время. Далее производится сравнение каждого из полученных значений в буфере с контрольным. В случае, если значение больше контрольной переменной Um, то это значение присваивается Umm. Затем из буфера АЦП, настроенного на прием параметров перемагничивающего тока, выбирается значение, соответствующее индексу найденного числа из буфера АЦП для измерения параметров МШ.
Параллельно производится подсчет количества скачков. Для этого вводится уровень селекции, который выше уровня «белого шума» (первичный преобразователь располагается вдали от металлических изделий, при этом режим перемагничивания и сбора информации включен). Как только появляется сигнал, то он будет выше уровня «белого шума». В момент, когда программа определяет возрастание уровня сигнала выше заданного уровня селекции регистрируется начало сигнала МШ. Далее начинается подсчет скачков до тех пор, пока уровень регистрируемого сигнала не упадет ниже уровня селекции. После чего регистрируется время окончания сигнала МШ. Длительность сигнала МШ подсчитывается в прерывании по окончанию полупериода перемагничивания по формуле: где Т — относительная длительность в условных единицах; t- длительность зарегистрированного сигнала МШ; Тр - длительность полупериода перемагничивания.
Для работы с ПК была написана программа, обеспечивающая захват и отображение регистрируемой измерительным блоком информации, в том числе необработанных данных с АЦП для последующего сохранения и обработки в таких программах, как MatLab 2009 (рисунок 4.14 и 4.15). Сохранение полученных данных возможно в различных форматах: в текстовом, табличном или бинарном виде. Программа соединяется с прибором как с помощью интерфейса RS-232, так и с USB. После подключения к ПК и запуска программы производится настройка канала связи и его тестирование. В случае успешного тестирования пользователю выдается соответствующее уведомление. .- Иістюйи» Они Помоіи COW Н«тПс »;
Испытания были проведены на разрывной машине на базе лаборатории разрушающего контроля в МГУПИ. Были изготовлены образцы для проведения разрушающих испытаний на разрыв по ГОСТ 1497-84 из стали ЗОХГС. Результат моделирования распределения напряжений на поверхности образца представлен на рисунке 4.16. Моделирование осуществлялось с помощью инструмента моделирования физических процессов SimulationXpress, входящий в палитру инструментов инженерной программы Solid Works 2012, и предназначенный для линейного расчета напряженного состояния и деформации в изделиях различных форм и физических процессов, происходящих в различных материалах под действием приложенных сил. На рисунке модели видно, что наиболее высокая концентрация напряжений возникает в области, где радиус скруглення переходит в узкий участок образца. Контроль остаточных напряжений с помощью разработанного прибора осуществлялся на нескольких образцах, при этом датчик держался неподвижно на различных точках. —; f H.., . і
ГОСТ 1497-84 Был сняты кривые зависимости UMMimax от уровня растягивающих напряжений (рисунок 4.17.). Полученная кривая была аппроксимирована в квадратичное уравнение методом наименьших квадратов, после чего полученные константы были записаны в память прибора. На последующем образце были получены значения растягивающих напряжений и затем их сравнивали с экспериментально полученной зависимостью (рисунок 4.18.). Исходя из этого рисунка видно, что расхождение по реальному образцу и по полученным с помощью прибора характеристикам составляет не более 15%. По полученным коэффициентам были проведены испытания других образцов, при этом результаты повторились с указанной погрешностью
