Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Факторы влияющие на качество магнитопорошкового контроля 8
1.1 Назначения и область применения магнитопорошкового метода контроля при изготовлении, ремонте и эксплуатации объектов ответственного назначения 8
1.2. Выбор и обоснование направления и методов исследования 16
Глава 2. Разработка показателя выбора способа магнитопорошкового контроля 23
2.1. Исследование удельной магнитной энергии как показателя выбора способа контроля 23
2.2. Исследование выявляемости дефектов по значению удельной магнитной энергией 31
2.3. Разработка режима намагничивания деталей по удельной магнитной энергии при контроле на остаточной намагниченности 40
Глава 3. Исследование влияния распределения поля по продольно намагничиваемой детали на выявляемость дефектов 51
3.1.Общая постановка вопроса о связи выявляемости дефектов с распределением поля по проверяемой поверхности и удельной магнитной энергией 51
3.2. Теоретическое исследование распределения магнитных полей над дефектами 53
3.3. Экспериментальное исследование распределения поля при контроле способом остаточной намагниченности и связи его удельной магнитной энергией и с выявляемостью дефектов 64
3.4 Исследование влияния на распределение поля магнитной предистории образца или проверяемой детали 83
3.5.Исследование влияния распределения поля на критерий 0 и разработка выбора режима намагничивания по удельной магнитной энергии 86
Глава 4. Разработка алгоритма определения режимов намагничивания по удельной магнитной энергии и применение результатов исследований в организациях использующих магнитопорошковый контроль 95
4.1.Алгоритм определения режима намагничивания по значению удельной магнитной энергии при магнитопорошковом контроле способом приложенного поля 95
4.2 Устройство для определения режимов намагничивания, установленного по удельной магнитной энергии 98
4.3. Применение результатов исследований при работе на магнитопорошковых дефектоскопов 102
4.4. Применение результатов исследований при работе на дефектоскопе МД-КО 102
4.5. Применение результатов исследований при работе на дефектоскопе МД-М 104
4.6. Методика создания тренажера для определения режимов по удельной магнитной энергии 122
Заключение 127
Литература 128
- Исследование выявляемости дефектов по значению удельной магнитной энергией
- Теоретическое исследование распределения магнитных полей над дефектами
- Устройство для определения режимов намагничивания, установленного по удельной магнитной энергии
- Методика создания тренажера для определения режимов по удельной магнитной энергии
Введение к работе
0.1. Введение, постановка задачи, актуальность, результаты работы.
Проблемы техногенной, экологической и антитеррористической безопасности, являются значимыми в развития современного общества. Они требуют постоянного развития методов и средств неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД) и развились во многих странах в самостоятельную индустрию, объединяющую тысячи научно-технических работников и сотрудников производства. Методы НК и ТД основаны на воздействии на контролируемый объект различных физических полей и химических веществ и анализе их изменений в результате взаимодействия с объектом.
Кроме этого, широкое применение методов неразрушающего контроля обусловлено также необходимостью оценки технического состояния технических объектов и поддержания их надежности на заданном уровне. В этой связи особое значение имеет внедрение новых, развитие и совершенствование классических, традиционных методов НК, каждый из которых имеет свое назначение и свою область применения.
Наиболее эффективным видом НК для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов на ранних стадиях их развития в ферромагнитных деталях является магнитопорошковый контроль (МІЖ).
Высокая чувствительность магнитопорошкового метода, универсальность и простота технологии, относительная простота оборудования, наглядность результатов и сравнительно низкая трудоемкость контроля обеспечили МПК широкое распространение во многих отраслях промышленности.
Достоверность результатов магнитопорошкового контроля зависит от многих факторов, основными из которых являются режимы намагничивания. За многие годы и десятилетия применения магнитопорошкового контроля экспериментально, с использованием законов электротехники разработаны рекомендации по выбору силы тока, напряженности намагничивающего поля.
Однако, длительный опыт применения этих рекомендаций показал, что их использование для контроля ответственных объектов в настоящее время оказывается уже не достаточным.
В настоящее время количество деталей проверяемых магнитопорошковым методом на железнодорожном транспорте, в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности исчисляются многими миллионами. Детали отличаются по магнитным свойствам, размерам, форме и другим характеристикам. Существующие рекомендации по магнитопорошковому
контролю оказываются не достаточными для учета всего многообразия характеристик проверяемых деталей. В связи с этим возникла актуальная проблема разработки дополнительных методик и основ магнитопорошкового контроля деталей и узлов ответственных объектов.
Исследование выявляемости дефектов по значению удельной магнитной энергией
Для проведения экспериментальных работ было изготовлено специальное приспособление, образцы и разработана методика косвенного определения выявляемости дефектов по силе отрыва якоря-пластины от искусственных дефектов.
Схема устройства для определения силы отрыва якоря от места расположения дефекта показана на рис.2.5. Устройство представляет собой пружинные весы, содержащие пружину 4, шкалу 5, разградуированную в относительных единицах силы, якорь-пластину 2. Образцы 1 выполнены в виде цилиндров диаметром 45 мм, длиной 200 На образцах выполнены искусственные дефекты. Дефект представляет собой пропил (надрез) 3 шириной 1,5-1,8 мм, глубиной 10 мм. Намагничивающее поле Н создавалось и регулировалось между полюсами стационарного электромагнита. Методика измерения силы отрыва якоря от дефекта состояла в следующем. Образец помещали в межполюсное пространство электромагнита. Изменением тока в обмотках электромагнита устанавливали над дефектом заданную напряженность тангенциальной составляющей поля. 50, 75, 100 А/см. При конкретном значении тангенциальной составляющей напряженности поля непосредственно над дефектом измеряли напряженность поля в дефекте и индукцию В на торцевой поверхности. Согласно граничным условиям [8,9]: на границе раздела двух однородных изотропных сред, различных по магнитным свойствам, равны тангенциальные составляющие векторов напряженности магнитного поля и равны нормальные составляющие векторов магнитной индукции на границе раздела По измеренным значениям проводили вычисления удельной магнитной энергии в дефекте как W= ВН/2.
При каждом значении напряженности поля в искусственный дефект )в прорезь) вставляли якорь, который затем отрывали от дефекта и измеряли пружинными весами силу его отрыва. Результаты измерений и вычислений приведены в таблице 2.2
Из таблицы видно, что сила отрыва находится в соответствии с магнитной энергией в дефекте. Например, сравнивая данные по образцам 1 и 3 наглядно видна зависимость силы отрыва от значения удельной магнитной энергии. Из полученных экспериментальных результатов наблюдается прямая зависимость магнитной энергии и силы отрыва якоря от дефекта при равной тангенциальной составляющей напряженности поля над дефектом вследствие различного значения магнитной индукции. Чем больше магнитная индукция В, тем больше магнитная энергия W и тем больше сила отрыва якоря. Большая сила отрыва объясняется более развитым полем в области дефекта. На рис.2.6 - 2.9 показано
распределение нормальных и тангенциальных составляющих над искусственными дефектами в образцах. Значительную роль в формировании поля над дефектом оказывает суперпозиция поля рассеяния дефекта и поля, создаваемого материалом образца. Схема формирования такого поля показана на рис.2.10
Над дефектом в образце 1 с большой магнитной индукцией вследствие большой напряженности поля, создаваемого материалом образца, происходит перемагничивание края Л дефекта, в этой области нормальная составляющая может быть равна нулю или иметь противоположное направление. На крае П происходит сложение поля
Из анализа картины распределения составляющих напряженности поля можно сделать выводы:
Чем больше магнитная индукция материала, тем более развитое поле над дефектом, тем больше магнитная энергия в дефекте и, следовательно, будет выше чувствительность магнитопорошкового метода.
Поле над дефектом формируется в результате суперпозиции поля рассеяния дефекта и поля, создаваемого материалом проверяемой детали.
Для определения зависимости тангенциальной составляющей поля в дефекте и над дефектом для образцов 1, 2 и 3 была экспериментально снята такая зависимость (рис.2.11). Измерения проведены с применением магнитометра МФ-23И с датчиком Холла 1 площадью 1 кв. мм. Точка измерения 01 находилась выше поверхности образца на 2 мм, а точка 02 расположена в дефекте ниже на 2 мм от поверхности образца. Поле над дефектом устанавливалось напряженность 25, 50, 75 и 100 А/см. Зависимость в исследуемом диапазоне напряженностей полей близка к линейной. При полях близких к магнитному насыщению соответственно происходит отклонение от линейной закономерности.
Теоретическое исследование распределения магнитных полей над дефектами
Теоретическое исследование распределения магнитных полей над дефектами могло быть путем решения соответствующих дифференциальных уравнений. В общей постановке где V— скалярный электрический потенциал, — векторный магнитный потенциал, \х — абсолютная магнитная проницаемость материала, Цо — магнитная постоянная, л?— вектор намагниченности.
Однако решения этих уравнений представляет большие трудности, поэтому исследования распределения полей по образцам и в области дефектов проводилась с помощью пакета компьютерной программы Ansis multyfisics 11.0 SP1. В программе Ansis был смоделированы электромагнит и образцы исследований с заданными геометрическими размерами и магнитными свойствами (рис. 3.1). Изначально свойства материалов всех конечных элементов модели, из которых сформирован объект контроля, описываются первоначальной кривой намагничивания (красная кривая 0-1-2) (рис 3.2). При этом система находится в состоянии, соответствующем точке 0. Далее проводится расчет в приложенном поле.
В результате расчета материал каждого конечного элемента попадает в свою рабочую точку на кривой первоначального намагничивания. Для каждого элемента сохраняются значения трех компонент вектора напряженности магнитного поля. Далее, в зависимости от уровня напряженности в материал элемента вводится коэрцитивная сила. Если материал находился в состоянии насыщения (точка 2 и правее), значение коэрцитивной силы является максимально возможным и равно НС2. Если материал не насыщен (точка 1) значение коэрцитивной силы будет меньше. Это значение предлагается вычислять по формуле Нс1= HixHC2/H2. Здесь НС2 и Н2 являются свойствами материала образца, а Н] вычисляется. После этого из модели убирается источник внешнего магнитного поля и магнитная система и проводится расчет в остаточном поле. В результате выполненных теоретических расчетов получены функции распределения нормальной Н„ и тангенциальной Нт составляющих напряженности поля Н над образцами цилиндрической формы без дефектов (рис.3.3.). Из распределения нормальной и тангенциальной составляющей поля при токе 2,5 А заметно резкое их увеличение по мере приближения к краям объекта в следствии краевого эффекта. Нормальная составляющая на магнитной нейтрале меняет знак. С увеличением внешнего намагничивающего поля градиент нормальной составляющей увеличивается. Увеличение градиента нормальной составляющей приводит к уменьшению зоны контроля. На рис.3.4., 3.5 представлено распределение Нт и Нн в зависимости от силы тока и ширины дефекта. С увеличением тока увеличивается амплитуда Нт и Нн. Ширина дефектов существенного влияния, на амплитуду составляющих поля не оказывает. Кроме этого приведены распределения нормальной и тангенциальной составляющей напряженности поля над дефектами различной глубины и ширины. При остаточном намагничивании напряженность поля в дефекте меняет знак. На рис. 3.6. следует, что ширина дефекта не оказывает влияния на градиент нормальной составляющей. Чем больше напряженность намагничивающего поля тем больше градиент составляющих магнитного поля Н„ и Нт. При большой напряженности поля градиент после насыщения плавно уменьшается. На рис.3.7. показано, что при изменении глубины нормальной и тангенциальной составляющих увеличиваются по линейному закону. Глубина дефектов принимала значения 2.0, 5.0 и 10,0 мм, а их ширина - ОД; 0,5; 1,6 мм. На рис.3.8. показано зависимость градиента Нт и Н„ от силы тока при различной ширине дефекта. Эта зависимость практически является линейной.
Аналогичные расчеты проведены для образцов с другими магнитными характеристиками. Распределения нормальных и тангенциальных составляющих напряженности поля приведены в приложении. Образцы имели длину 200 мм, диаметр 45 мм и были выполнены из различных марок стали.
Расчеты проводились как в остаточном, так и в приложенном полях. На рис. 3.9, в качестве иллюстрации, приведено распределение в приложенном поле Нн над образцом с дефектами глубиной 0,1; 0,5; 1,6 мм, соответственно. Проведенные расчеты позволили получить распределение поля над дефектами различных размеров в цилиндрических образцах. 1.Изготовлен образец со следующими данными: сталь ЗОХГСА, HRC 45-50, коэрцитивная сила 42 А/см, длина 200 мм, диаметр 45 мм. 2.Снято распределение тангенциальной и нормальной составляющих напряженности поля по длине образца. Для этого были использованы магнитометр МФ-23И с датчиком Холла размером 1x1 мм. и стационарный электромагнит с возможностью плавной регулировки поля в межполюсном пространстве, до 400 А/см (при расстоянии между полюсами 220 мм).
Распределение поля получено при 3 значениях тока в электромагните 2,5 А (62,5 А/см), 5 А (125 А/см), 10 А (250 А/см). Таблицы результатов непосредственных измерений по распределению поля прилагаются. На графиках указаны номера этих таблиц. 3. После выполнения работ по п.2 на образце выполнено 3 искусственных дефекта (надреза) одинаковых размеров: глубина 10мм, ширина 1,6- 1,8 мм.
Первый дефект расположен на середине по длине образца, то есть на расстоянии 100 мм от торцевой поверхности.
Второй дефект расположен на расстоянии 50 мм от торцевой поверхности образца. Третий дефект расположен на расстоянии 35 мм от торцевой поверхности образца. Дефекты по окружности образца сдвинуты друг относительно друга под 120. 4. В области каждого дефекта снято распределение нормальной и тангенциальной составляющих напряженности поля. Напряженность поля снималась по точкам через 1 мм с помощью специального приспособления. Предварительно образец размагничивался и устанавливался между полюсами электромагнита с зазором между полюсами и торцевыми поверхностями образца по 10 мм. Съемка составляющих поля проводилась при 3 значениях тока в электромагните 2,5 А (62,5 А/см), 5 А (125 А/см), 10 А (250 А/см). Полученные зависимости дают возможность оценить выявляемость дефектов по удельной магнитной энергии. Приведенные исследования с помощью ЭВМ подтверждены экспериментальными исследованиями приведенными ниже.
Устройство для определения режимов намагничивания, установленного по удельной магнитной энергии
Устройство представляет собой индикатор для определения достаточности напряженности поля на контролируемом участке детали в требуемом направлении, то есть в направлении, перпендикулярном направлению вероятных дефектов, подлежащих выявлению. Достоинством индикатора являются малое время получения необходимой оперативной информации и отсутствие необходимости применения магнитной суспензии.
При выполнении работ по магнитопорошковому контролю строительных конструкций в процессе их создания, мостов, башенных кранов и других сооружений применение приборов с датчиками Холла, являющиеся средствами измерения, практически очень трудно и нецелесообразно из-за больших габаритных размеров и относительной их хрупкости.
В литературных источниках [31] руководящих документах, в зарубежных стандартах [72-75] указано, что наибольшая чувствительность магнитопорошкового метода достигается при угле, а между направлением вектора магнитного поля и направлением трещины, равном 90. При уменьшении этого угла чувствительность метода уменьшается по закону синуса, так как составляющая HI вектора поля, перпендикулярная направлению трещины изменяется такому же закону. На рис 4.2. показано разложение намагничивающего вектора поля на две составляющие. Принимается, что в формировании поля рассеяния над дефектом решающую роль играет составляющая HI, а составляющая Н2, направленная вдоль трещины практически никакой роли не играет. Кроме этого, не учитывается магнитное поле, создаваемое материалом проверяемого изделия, которое оказывает существенное влияние на выявляемость дефектов. При углах а = 45.30 составляющая поля в трещине или другом дефекте и над дефектом оказывается равной нулю. При этом выявление трещины в этом случае обычной технологией не предоставляется возможным. Это явление объясняется следующим (рис.4.3.). Рассмотрим случай расположения трещины на магнитной нейтрале при продольном намагничивании. Магнитной поле трещины направлено встречно магнитному полю, создаваемому материалом. В результате справа и слева трещины образуются области, в которых нормальная составляющая равна нулю. При угле а = 45..30 вследствие уменьшения поля рассеяния, которое становится меньше поля фона (материала), происходит перемагничивание области трещины полем материала. В результате направление тангенциальной составляющей поля в дефекте и над дефектом изменяется на противоположное. В процессе изменения знака поля в дефекте при равенстве тангенциальной составляющей нулю выявление трещины становится невозможным. Исследование распределения поля на физических моделях полностью подтверждает установленный факт изменения направления поля в дефекте при изменении поля по отношению направления трещин на проверяемых деталях.
Разработанный индикатор в отличие от существующих с учетом установленного эффекта позволяет не только определить максимальную чувствительности метода, но и исключить случаи невыявления опасных трещин.
Схема устройства и структурная схема индикатора на рис.4.4. Электрическая схема индикатора показана на рис.4.5 Индикатор содержит: 1-датчик Холла, вмонтированный в диск 3 диаметром 10-12 мм. На диске нанесена стрелка в направлении максимальной чувствительности датчика. Блок 13 соединен с задатчиком опорных сигналов и со светодиодами 6 и 7, расположенными в блоке 11 .Датчик Холла соединен со схемой 9. Светодиод 6 сигнализирует о достижении напряженности поля установленного минимального значения, а светодиод 7 -максимального значения.
Работа с индикатором состоит в следующем. На участок изделия, находящийся, например, между полюсами электромагнита, устанавливают диск индикатора так, чтобы стрелка была направлена от одного полюса электромагнита к другому. Нажимают кнопку питания. Если напряженность поле меньше заданного уровня, то горит светодиод 6, если достигнута максимальная напряженность поля, то загорается светодиод 7. Если диоды не горят, то тангенциальная составляющая равна нулю или поле между полюсами отсутствует или оно недопустимо мало.
Индикатор имеет малую стоимость, прост по конструкции и применению и может найти широкое применение в промышленности.
Результаты исследований, достигнутые при выполнении работы, относятся к области повышения надежности магнитопорошкового контроля деталей ответственного назначения. К ним относятся детали летательных аппаратов, оси колесных пар железнодорожных вагонов и другие детали.
Результаты исследований охватывают следующие направления: разработка критерия выбора способа магнитопорошкового контроля; разработка рекомендаций по выбору режимов намагничивания при контроле способом остаточной намагниченности; разработка алгоритма по определению режима намагничивания при контроле в приложенном магнитном поле; обобщение показателей и рекомендаций по влиянию эргономических факторов на качество магнитопорошкового контроля. Практическое применение работы непосредственно связано с использованием результатов по этим направлениям. Разработаны рекомендации по выбору способов и режимов магнитопорошкового контроля по значению удельной магнитной энергии. Такие рекомендации разрабатывались применительно к дефектоскопам МД-КО и МД-М. Режимы намагничивания осей колесных пар на дефектоскопе МД-КО экспериментально были разработаны с участием автора диссертации. И в настоящее время они используются на предприятии «Спецремонт». Ранее контроль осей проводили способом приложенного поля, а в настоящее время применяют способ остаточной намагниченности. При этом производительность контроля увеличилась в два раза. Это объясняется следующим. При контроле в приложенном поле по оси пропускают ток силой 2800 А. Перед пропусканием тока, во время пропускания тока наносят магнитную суспензию. После выключения тока и стекания остатков суспензии с оси проводят осмотр. Затем разжимают контактное зажимное устройство (КЗУ). При повороте оси через каждые 120 контроль повторяют.
Методика создания тренажера для определения режимов по удельной магнитной энергии
В процессе практического экзамена важнейшую роль играет разнообразие и достаточность образцов, дефектоскопических материалов, и режимов контроля. Независимые органы по аттестации персонала просто не в состоянии иметь в своей лабораторной базе такое количество образцов, которое было бы достаточно для сертификации на все объекты контроля. При сертификации персонала в системе РОНКТД был внедрен и хорошо себя зарекомендовал «Компьютеризированный тренажер для сертификации персонала неразрушающего контроля». Были опробованы семь первых образцов, которые наиболее часто выходят из строя на объектах авиастроения. Именно в этой области найти образцы для сертификации было проблематично. «Компьютеризированный тренажер для сертификации персонала неразрушающего контроля» (рис 4.18) включает полный перечень функций намагничивающего устройства и в режиме тестовых заданий обучает дефектоскописта правильному выбору магнитных индикаторов. В процессе работы на данном тренажере дефектоскопист выбирает объект контроля, наиболее подходящий под его повседневные задачи. Необходимо отметить, что при эксплуатации данный тренажер имеет возможность добавления любого другого объекта контроля пользователем самостоятельно, что позволяет развивать его под свои собственные задачи. В тренажер занесены ограничивающие контроль условия, по которым компьютер и определяет правильность решения, выбранного кандидатом.
В оболочке тренажера реализован алгоритм выбора видов намагничивания в зависимости от физических и геометрических свойств объекта. По данному алгоритму любой объект контроля можно проверить с помощью тренажера по известным свойствам, заключенным в алгоритме тренажера (один из алгоритмов тренажера показан на рис.4.19). Используя данный алгоритм можно выполнять обучение по образцам, используемым на предприятии сертифицируемого специалиста. В тренажере реализован режим тестовых вопросов. Они используются только в тех случаях, когда обойтись только намагничивающим устройством невозможно. Это вид ферримагнитной суспензии, условия полива суспензии, время стекания её с объекта контроля. 1. Предложен алгоритм контроля объектов магнитопорошкового контроля с учетом нового параметра удельной магнитной энергии. 1 .Проведенные исследования позволили обосновать и предложить использование способа остаточной намагниченности при магнитопорошковом контроле осей колесных пар железнодорожных вагонов и локомотивов на дефектоскопе МД-КО. Внедрение способа остаточной намагниченности повысило качество контроля осей за счет снижения случаев осаждения порошка по ложным дефектам, сократило трудоемкость. На этой основе уменьшилась утомляемость дефектоскопистов и это также повысило качество контроля.. 2.Разработанные рекомендации по контролю способом остаточной намагниченности проверены при использовании дефектоскопа МД-И, который в основном рассчитан на такой способ контроля. Использование предложенного критерия позволяет обоснованно определить способ контроля деталей как находящихся в конструкции, так и снятых с нее. 3.Разработан и изготовлен экспериментальный образец устройства для определения направления поля в области дефекта, который позволяет в условиях эксплуатации оперативно определять достаточность напряженности намагничивающего поля, в частности, определенного по предложенному критерию удельной магнитной энергии. 4. Разработанный тренажер используется при подготовке персонала по магнитопорошковому контролю. С применением тренажера были проведены занятия с более 50 специалистами. Разработан тренажер, облегчающий подготовку персонала по магнитопорошковому контролю.
Похожие диссертации на Совершенствование магнитопорошкового контроля на основе выбора режима намагничивания по удельной магнитной энергии
