Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
• 2. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
• 3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ И МАТЕРИАЛОВ
• 4. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ
• 4.1 Выбор рабочей частоты дефектоскопа
• 4.2 Расчет габаритных размеров магнитострикционного искателя
• 4.3 Расчет элементов электрической цепи магнитострикционного искателя
• 4.4 Расчет призмы наклонного преобразователя
• 4.5 Расчет акустического тракта эхо-импульсного дефектоскопа
• 4.6 Требования к генератору зондирующих импульсов
• 5. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ УСТРОЙСТВА
• 6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ СИСТЕМЫ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ1
• ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Обширную часть ультразвуковой техники составляют приборы контроля и измерений. В этой области можно выделить ряд самостоятельных направлений: ультразвуковая дефектоскопия, измерение толщины, гидролокация, медицинская диагностика, исследование свойств материалов по их упругим характеристикам, измерение скорости потока и высоты уровня жидкости, ультразвуковая сигнализация и т. д.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на методе измерения путем использования излучения и приема ультразвуковых волн.

В состав аппаратуры для акустического неразрушающего контроля входят: акустический дефектоскоп с преобразователями; стандартные образцы; вспомогательные приспособления и устройства для соблюдения параметров сканирования и измерения акустических характеристик выявленных дефектов.

В данном курсовом проекте требуется разработать систему ультразвуковой дефектоскопии для контроля качества проката малой и средней толщины.

В зависимости от области применения ультразвуковые дефектоскопы (УД) подразделяют на две группы (ГОСТ 23049-84): общего назначения - УД и специализированные - УДС, а в зависимости от функционального назначения - на четыре группы [1]:

1. обнаружение дефектов (пороговые УЗД) - УД1-…; УДС1-…;

2. обнаружение дефектов, измерение глубины (координат) их залегания и отношения амплитуд сигналов от дефектов - УД2-…; УДС2-…;

3. обнаружение дефектов, измерение глубины (координат) их залегания и эквивалентной площади дефектов или условных размеров дефектов - УД3-…; УДС3-…;

4. обнаружение дефектов, распознавание их форм или ориентации, измерение глубины (координат) их залегания и размеров дефектов или условных размеров дефектов - УД4-…; УДС4-…

Дефектоскопы разрабатывают из расчета на перемещение преобразователя вручную (ручные), на механизированное сканирование (механизированные) или на механизированное сканирование и автоматическую обработку и регистрацию информации (автоматизированные).

В практике неразрушающего контроля наиболее широко используют ручные импульсные ультразвуковые дефектоскопы 2-ой и 3-ей групп общего или специального назначения. Общим для этих дефектоскопов является наличие электронно-лучевого звукового индикаторов, электронного глубиномера для определения координат залегания отражающей поверхности, аттенюатора для измерения отношения амплитуд сигналов в децибелах [1].

Современный дефектоскоп состоит из искателя, генератора частоты, схемы обработки полученной информации, блока питания устройства, индикатора отображения полученной информации. Конструктивно искатель представляет собой излучатель и приемник ультразвуковых волн. В основе работы магнитострикционных излучателей ультразвука лежат два магнитомеханических эффекта - явление магнитострикции и Эффект Виллари.

Дефекты структуры проката по отражательной способности можно разделить на две группы. К первой группе относятся дефекты, характеризующиеся высокой отражательной способностью: усадка, флокены, завороты; ко второй - дефекты со значительно меньшей отражательной способностью: подусадочная осевая ликвидация, центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, пятнистая ликвация, краевые загрязнения.

Ультразвуковым методом выявляются нарушения сплошности металла, после травления его не видны и являются допустимыми, например, неметаллические включения, скопление пор, микротрещины. Отражательная способность таких дефектов сравнительно большая, и они могут быть приняты за недопустимые дефекты макроструктуры горячекатаной стали [2].

Дефекты ликвационного характера (подусадочная осевая ликвация, пятнистая ликвация и др.) могут ультразвуковым методом не выявиться. Результаты исследования микроструктуры в этом случае свидетельствуют об отсутствии нарушений сплошности металла и скоплений неметаллических включений в зоне дефекта; различие в микроструктуре в зоне дефекта и основного металла выражается в различном количестве феррита и перлита. Поэтому ультразвуковым методом целесообразно контролировать макроструктуру горячекатаной стали в промежуточном сечении проката; в случае наличия дефектов необходимо повторно контролировать соответствующие штанги сортового проката.

Дефектоскопы перед работой настраивают по эталонам с эквивалентными отражателями, диаметры которых равны 1,3; 1,7; 3,5; 4,5 мм. В процессе контроля определяется наличие и вид дефектов по эффективным рассеивающим площадям(площадь плоского дна цилиндрического отверстия, перпендикулярная направлению распространения ультразвуковых волн), установленным экспериментально [2].

Разработка методики контроля любого изделия обычно состоит из следующих этапов [3]:

1. подготовительный (обобщение статистических данных о количестве случаев браковки изделий в производстве или отказов в эксплуатации, определение опасных участков, в которых наиболее часто появляются дефекты, анализ причин возникновения дефектов, ознакомление с существующим контролем изделия, его положительными и отрицательными сторонами и т. д.);

2. выбор и обоснование основных параметров контроля (вид УЗК, частота, зоны ввода и направление распространения ультразвука в изделии, направление и шаг сканирования);

3. выбор или разработка средств контроля (тип дефектоскопа, преобразователей и устройств, позволяющих обеспечить простоту, удобство и надежность контроля;

4. определение чувствительности контроля и разработка стандартных образцов для настройки дефектоскопа;

5. выбор или разработка способа индикации и расшифровка результатов контроля;

6. написание инструкции по ультразвуковому контролю (методические указания и рекомендации по подготовке изделия к контролю, применению ультразвуковой аппаратуры, настройке дефектоскопов, способам сканирования, расшифровке осциллограмм прозвучивания и отбраковке дефектных деталей).

Рассмотренная схема разработки методики контроля является до некоторой степени условной и не претендует на полноту охвата всех вопросов [3]. В данном курсовом проекте будут рассмотрены этапы со второго по пятый включительно. Первый этап будет рассмотрен условно, а шестой будет заключаться в оформлении комплекта конструкторской документации в виде пояснительной записки с графическим материалом.

1. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Исходные данные:

- объект контроля - прокат малой и средней толщины;

- тип излучателей - кольцевые пакетные;

- вид материала излучателя - магнитострикционный;

- средний диаметр кольца излучателя, мм - 60;

- частота излучателя, кГц - 18;

- к.п.д. излучателя, % -60;

- напряжение генератора, В - 400.

Разработку системы ультразвуковой дефектоскопии произведем для стального листового проката толщиной до 6 миллиметров ГОСТ 2591-88. Методы УЗК, типы волн, способы ввода колебаний и способы сканирования, применяемые для листового проката, зависят от его толщины. Для контроля листа толщиной до шести миллиметров применяют эхо-метод.

При выборе типа и длины волны следует руководствоваться практическим опытом контроля с использованием волн различного типа.

С точки зрения выявляемости дефектов для контроля изделий небольшой толщины с мелкозернистой структурой предпочтительней поперечные волны, длина которых в два раза меньше длины продольных. Возможность ввода поперечных волн наклонно в широком диапазоне углов позволяет решить большой класс задач контроля, связанных с неопределенностью ориентации дефектов. Варьируя угол ввода можно прозвучивать каждый элемент объема [1].

Ввод осуществляется через призму из износостойкого материала с небольшой скоростью ультразвука (оргстекло, полистирол, поликарбонат, деклон, капролон и др.). Сканирование осуществляют ручным способом универсальными переносными эхо-импульсными дефектоскопами путем движения преобразователя в направлении, перпендикулярном направлению излучения, вдоль размеченных заранее линий. Расстояние между линиями равно ширине полосы, контролируемой за один проход. Траектория, шаг и скорость сканирования определяются геометрией изделия, формой контролируемого объема, фактической плотностью распределения дефектов и фактической объемной формой поля излучения преобразователя.. Ширину полосы и мертвую зону определяют экспериментально по испытательным образцам со сквозными отверстиями, перпендикулярными поверхности листа, которые служат также и для настройки чувствительности [1].

Ультразвуковой контроль контактным способом возможен при шероховатости поверхности контролируемого изделия соответствующей не ниже 5-го класса [3]

Ультразвуковые преобразователи -- это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическую (при излучении ультразвука) и, наоборот, механическую энергию в электрическую (при приеме ультразвука). Устройства, служащие для излучения УЗК, называются ультразвуковыми излучателями. Приборы, предназначенные для регистрации УЗК - ультразвуковыми приемниками. В зависимости от вида потребляемой энергии (механической или электрической) различают механические и электромеханические преобразователи. Механические излучатели в свою очередь подразделяются на аэродинамические и гидродинамические, а электромеханические -- на электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Магнитострикционные излучатели обычно состоят из двух основных частей: активного элемента (собственно магнитостриктора) и пассивного элемента (акустического трансформатора упругих колебаний) и других согласующих устройств.

Кольцевые пакетные излучатели работают обычно на частотах 2--80 кГц (по условию - 18 кГц) и изготавливаются в основном из листового магнитострикционного материала, вырубленного по заданным размерам. Направление упругих колебаний от пакетного кольцевого излучателя радиальное как внутри кольца, так и вне.

Генератор синхронизирующих импульсов обеспечивает синхронизацию работы узлов дефектоскопа, реализуя импульсный режим излучения - прием УЗ-колебаний. При ручном контроле этот генератор работает в режиме самовозбуждения; при использовании дефектоскопа в многоканальной аппаратуре механизированного и автоматизированного контроля его переключают в режим внешнего запуска. Независимо от режима генератор вырабатывает импульсы, используемые для пуска генератора радиоимпульсов, генератора напряжения развертки, блока цифровой обработки, схемы временной селекции автоматического сигнализатора дефектов. Напряжение генератора радиоимпульсов составляет 400В. Он предназначен для формирования высокочастотных электрических импульсов, используемых для возбуждения УЗ-колебаний в преобразователе [1].

Разрабатываемая система ультразвуковой дефектоскопии является аналогом ультразвукового передвижного дефектоскопа УДЦ-30 с автономным питанием от аккумуляторов, разработанным в ЦНИИТМАШ и предназначенного для контроля плоских деталей большой площади (листы, плиты, заготовки и т.д.). Дефектоскоп УДЦ-30 проходил испытания при контроле листового проката толщиной 30 - 130 мм. Прибор удобен в работе и обеспечивает выявление всех недопустимых дефектов, как в кромках листов, так и по всей площади металла. За один проход он контролирует полосу шириной 60 мм [2].

2. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1. Наименование изделия: ультразвуковой дефектоскоп.

2. Назначение: ультразвуковой дефектоскоп предназначен для контроля качества стального проката малой и средней толщины.

3. Комплектность: легкая тележка со складывающейся ручкой, на которой смонтирован электронный блок, акустический блок, аккумулятор для питания электронного блока и бачок с контактной жидкостью.

4. Технические параметры.

4.1. Рабочая частота, кГц - 20,5.

4.2. Чувствительность на глубине до 6мм , м2 - 0,03.

4.3. Диапазон прозвучивания, мм - до 6 мм.

4.4. Скорость контроля, м/сек -0,5м/сек .

4.5. Потребляемая мощность, Вт -50.

4.6. Тип аккумулятора - ЭМТ-6.

5. Уровень унификации и стандартизации не менее 0,8.

6. Требования к конструкции.

6.1. Габаритные размеры должны удовлетворять условию: относительный удельный вес аппарата - не менее 30% при заданной массе.

6.2. Масса не более 14 кг.

6.3. Прибор должен быть снабжен ручкой для переноски.

7. Характеристики внешних воздействий для РЭА 7-ой группы.

7.1. Окружающая температура,0С - минус 40 плюс 55.

7.2. Относительная влажность при температуре плюс 25 0С, % - 80.

7.3. Удары длительностью, мс - 5-10.

7.4. Ускорение до 10g.

7.5. Вибрации в диапазоне частот, Гц - от 10 до 30

7.6. Ускорение до, м/с2 - 10,7.

7.7. Атмосферное давление, кПа - 61.

8. Все элементы управления и индикации должна быть легкодоступны и вынесены на переднюю панель электронного блока.

9. Требования к надежности: среднее время наработки до отказа - не менее 10000ч.

10. Ультразвуковой дефектоскоп должен соответствовать требованиям техники безопасности по ГОСТ 27762-88 для контрольной аппаратуры.

11. Требования к производству:

11.1 тип производства - мелкосерийное

11.2 Программа выпуска, шт/г - 10000.

3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ И МАТЕРИАЛОВ

Как уже отмечалось ранее, разрабатываемый прибор по конструкции аналогичен ультразвуковому передвижному дефектоскопу УДЦ-30. Он состоит из стандартных конструкций и блоков: тележки со складывающейся ручкой, электронного блока, аккумулятора для питания электронного блока и бачка с контактной жидкостью. Отличие двух приборов ультразвуковой дефектоскопии заключается в применении различных преобразователей, которые вместе с генераторами являются основными элементами в получении ультразвуковых колебаний. Тип преобразователей определяют сочетанием следующих признаков:

- способ ввода УЗ-колебаний (контактные, щелевые, иммерсионные и бесконтактные);

- направление ввода упругих колебаний в исследуемый объект (прямые, наклонные, комбинированные);

- конструктивное исполнение и способ подключения к электронной части дефектоскопа (совмещенные, раздельно-совмещенные, раздельные);

- форма рабочей поверхности или пьезоэлемента (плоские, неплоские).

Контактные преобразователи нашли наибольшее применение в промышленности. Их основным недостатком является нестабильность акустического контакта в процессе сканирования преобразователя. Выбираем контактный магнитострикционный наклонный совмещенный тип преобразователя для разрабатываемого ультразвукового дефектоскопа. Выбор именно такого сочетания признаков объясняется тем, что наклонные преобразователи рассчитаны на возбуждение в контролируемом изделии УЗК с преобладанием нормальных, поверхностных или сдвиговых волн, распространяющихся под различными углами к нормали и предназначены для обнаружения глубинных, подповерхностных и поверхностных дефектов в изделиях простой геометрической формы, имеющих плоские участки для установки преобразователя [3]. В совмещенном преобразователе функции излучения и приема УЗК выполняет в данном случае дисковый магнитострикционный пакетный излучатель. Преобразователь состоит из следующих основных элементов: излучатель, приемник, демпфер, две призмы и корпус.

Выбираем конструкцию кольцевых пакетных излучателей с торроидальной обмоткой возбуждения, для которой в кольцах выполняют отверстия.

Среди различных магнитострикционных материалов для излучателей наибольшее применение в промышленности нашли никель, сплавы никеля с алюминием, железа с алюминием, железа с никелем, железо-кобальтовые и в последнее время - ферриты. Магнитострикционные материалы (кроме феррита) выпускаются в виде холоднокатаных лент и полос, а также в виде трубки. Анализируя основные характеристики различных промышленных магнитострикционных материалов, выбираем никель для изготовления кольцевых пакетных излучателей.

Никель является одним из наиболее распространенных материалов для магнитострикционных излучателей. Низкая точка Кюри у никеля затрудняет использование его при работе в условиях повышенных температур. К положительным свойствам этого материала относится то, что он нехрупок, легко обрабатывается и широко выпускается промышленностью. Для изготовления пакетных излучателей используется обычно лента толщиной 0.05--0.2 мм [4].

Электроакустический к.п.д. излучателей пакетного типа, изготовленных из никеля, имеет величину от 60 до 80 процентов, что удовлетворяет начальным условиям [4].

Демпфер служит для гашения свободных колебаний излучателя. Материал демпфера и его форма должны обеспечивать достаточно сильное затухание УЗК без многократных отражений. В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (эпоксидных и акрильных) и компаундов с наполнителем высокой плотности (карбида титана, вольфрама и свинца). Широкое применение при изготовлении демпферов нашли силикон, полиуретан, каучук, сырая резина. Для уменьшения многократных отражений на демпфере делают скосы, наносят канавки, добавляют пузырьки воздуха. С увеличением акустического сопротивления демпфера уменьшается чувствительность ПЭП, но повышается разрешающая способность и сокращается мертвая зона. Демпфирующую массу выполним на основе эпоксидной смолы с вольфрамовым наполнителем и добавкой пластификатора (частицы вольфрама распределены по высоте демпфера по экспоненте и большая их часть прилегает к излучателю).

Призма изготавливается из износостойкого материала с небольшой скоростью ультразвука (оргстекло, полистирол, поликарбонат, деклон, капролон), что позволяет при небольших углах падения получать углы преломления до 900. Размер призмы зависит от размера и формы активного элемента. При разработке и изготовлении преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают так, чтобы обеспечить выполнение следующих требований: обеспечение достаточного гашения УЗК, возникающих при отражении волн на границе раздела призма - изделие, незначительное ослабление УЗК в самой призме. Материал должен обладать износостойкостью и смачиваемостью, а в ряде случаев и термостабильностью. [5]. В связи с этим призму делают ребристой или придают ей сложную форму. В качестве материала призмы выбираем копролон, который обладает высокой износостойкостью и может эксплуатироваться в широком диапазоне температур [5].

Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции, а также экранирование магнитостриктора и выводов от помех (корпус из пластмассы метализируют).

Преобразователь с дефектоскопом соединяют максимально гибким кабелем. Применяют коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом ГОСТ 11326.0-78.

В качестве контактной жидкости используют ингибиторную легко смывающуюся контактную жидкость, в состав которой входит технический нитрит натрия, крахмал, глицерин, кальцинированная сода. Она обеспечивает хороший контакт, после высыхания образует тонкую пленку, не мешающую последующим технологическим операциям [6].

Таким образом, в качестве преобразователя ультразвукового дефектоскопа выбрали магнитострикционный контактный, наклонный, совмещенный преобразователь УЗК (М121-0,18-10-001) с номинальной частотой 18 кГц, углом ввода до 100, в котором активный элемент изготовлен из никеля ГОСТ 2665-86, призма - из капролона, демпфер - из эпоксидной смолы с вольфрамовым наполнителем и добавкой пластификатора, корпус - из фторопласт-4 ГОСТ 10007-80.

4. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

Исходные данные для расчета:

- частота, кГц - 18;

- средний диаметр кольца излучателя, м - 0,06;

- материал излучателя - никель;

- скорость распространения упругих колебаний в магнитострикционном материале (никель), м/с - 4760;

- плотность магнитострикционного материала, г/см3 - 8,90;

- модуль упругости, кг/см2 - 2,1·106;

- начальная магнитная проницаемость никеля м0=400;

- магнитная постоянная материала никеля м=2500;

- напряжение генератора, В - 400.

4.1 Выбор рабочей частоты дефектоскопа

С учетом заданной частоты находят весь частотный диапазон:

1. Определение верхней границы частотного диапазона.

Затухание акустических колебаний определяется формулой

=a1f+a2f 4, (4.1.1)

где a1, a2 - коэффициенты.

Первым слагаемым пренебрегают, так как a1f <<a2f 4

, (4.1.2)

где V - объем зерна (для стали V=13,5·10-6м [1]),

ct,- скорость поперечных волн в контролируемом материале(для

стали ct=3000 м/с),

Дм- ср. отклонение модуля сдвига (1% ).

Для реализации методики контроля необходимо, чтобы уменьшение амплитуды волны из-за рассеяния происходило в е раз на длине (100-1000) длин волн. Это условие соблюдается, при выполнении следующего равенства:

. (4.1.3)

Выражение для верхней граничной частоты получаем, подставив выражение (4.1.3) в (4.1.1) и пренебрегая первым слагаемым в (4.1.1):

. (4.1.4)

Определив a2 из (4.1.2) находим значение верхней границы частоты:

Гц.

2. Нижняя граница частоты рассчитывается с точки зрения выявляемости минимальных дефектов

, (4.1.5)

где 2b - минимальный размер дефекта.

Гц

3. Проверяется правильность выполнения неравенства:

fн < fр < fв

17800 < 20500 < 24800

Таким образом, в результате расчета определили частотный диапазон преобразователя (от 17,8кГц до 24,8 кГц)и выбрали оптимальную рабочую частоту- 20,5кГц.

4.2 Расчет габаритных размеров магнитострикционного искателя