Автоматизована система неруйнівного контролю порушень суцільності металу при виготовленні деталей циліндричної форми

- залежність величини внесеної індуктивності вихорострумового перетворювача від зміни повітряного зазору між перетворювачем та контрольованою поверхнею () описується за гіперболічним законом:

Обґрунтовано вибір робочої частоти ВСП - 10 кГц. На цій частоті ми в змозі забезпечити потрібну глибину проникнення вихорових струмів в контрольовані зразки з феромагнітної сталі.

Розроблено та запропоновано спосіб зменшення основного перешкоджаючого фактора при проведенні контролю - спосіб відстроювання від впливу проміжку (зазору) у вихорострумовій дефектоскопії феромагнітних виробів. Це досягається підтримкою постійним значення частоти коливань у вимірювальному коливальному контурі, при якій амплітуда напруги не залежить від величини коливань зазору між ВСП та контрольованою поверхнею.

Запропонований спосіб здійснений наступним чином. У вимірювальну систему, яка містить вимірювальний коливальний контур, додатково вводять еталонний коливальний контур, виконаний ідентичним вимірювальному і розташований поза поверхнею феромагнітного виробу. Порівнюють сигнали від еталонного і вимірювального коливальних контурів, отриманий сигнал непогодження використовують для керування частотою автогенератора, що виробляє коливання з частотою, при якій амплітуда напруги у вимірювальному коливальному контурі не залежить від величини зазору. На основі запропонованого способу побудовано основний вимірювальний блок автоматизованої системи - вихорострумовий дефектоскоп для контролю феромагнітних виробів. Узагальнена структурна схема вихорострумового дефектоскопа для контролю феромагнітних виробів, в принцип дії якого покладено запропонований спосіб, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Узагальнена структурна схема вихорострумового дефектоскопа

3. Дослідження основних функціональних елементів автоматизованої системи неруйнівного контролю порушень суцільності металу

Загальна методика експериментальних досліджень включає:

- виготовлення макетів накладних ВСП стрижневого типу та з П-подібним магнітопроводом;

- імітування видовжених тріщин з шириною розкриття Т, нормованою до діаметру D магнітопроводу ВСП на зразках з феромагнітної сталі;

- імітування зазору , між накладним ВСП і контрольованою поверхнею, нормованим до діаметру D магнітопроводу ВСП на зразках з феромагнітної сталі;

- визначення залежностей результатів вимірів вносимих індуктивностей від ширини розкриття тріщин Т;

- визначення залежностей результатів вимірів вносимих індуктивностей від зміни зазору ;

- порівняння побудованих залежностей з прогнозованими математичними моделями накладних ВСП з П-подібним та зі стрижневим осердями;

- дослідження обраної конструкції ВСП для знаходження дефектів типу “непровар” у зварному шві плунжера.

Вибір на користь накладного ВСП з П-подібним осердям перед накладним ВСП зі стрижневим осердям для спостереження несуцільностей типу “непровар” у плунжері підтверджуються приведеними нижче результатами їх порівняльних досліджень на цифровому вимірювачі E7-8 (вимірювач L, C, R) при живленні ВСП синусоїдальним струмом частотою 1 кГц. Потім, для достовірності, повторно були виконані дослідження на цифровому вимірювачі E7-14 (вимірювач імітансу) при живленні ВСП синусоїдальним струмом частотами 1 кГц та 10 кГц на зразках з феромагнітної сталі. При цьому результати експериментальних досліджень представлені з усередненням по 10 вимірам в однакових умовах. Для проведення експериментальних досліджень були виготовлені накладні ВСП з П-подібним і зі стрижневим осердями. Обидва ВСП були виготовлені таким чином, щоб вони мали однакову індуктвність поза контрольованої поверхні (у повітрі) L0=1.19 мГн. Видовжені наскрізні тріщини мали прямокутну форму з розкриттям Т, нормованим до діаметру D магнітопровода ВСП, яке змінювалося у межах Т/D=0.0140.3. Крім того, зазор між накладним ВСП та контрольованою поверхнею також змінювали у межах /D=0.0140.3. Результати вимірів нормованих вносимих індуктивностей (=Lвн/L0) у функції Т/D та /D на зразках з феромагнітної сталі при живленні накладних ВСП з осердями П-подібної і стрижневої форми зображені на рис. 2 та рис. 3.

Рис. 2. Порівняльні залежності результатів вимірів вносимих індуктивностей від співвідношення ширини розкриття тріщини Т до діаметру магнітопровода D ВСП зі стрижневим осердям і з осердям П-подібної форми, коли один з полюсів знаходиться над тріщиною (крива 1), та коли обидва полюси розташовані над тріщиною (крива 2) при =const на частотах: а - f=1 кГц

Рис. 3. Залежності між відносною внесеною індуктивністю та відстанню між ВСП та контрольованою поверхнею , що нормована до діаметра осердя : 1) для П-подібного ВСП на частоті 1 кГц; 2) для стрижневого ВСП на частоті 1 кГц; 3) для П-подібного ВСП на частоті 10 кГц; 4) для стрижневого ВСП на частоті 10 кГц

Як видно з рис. 2 на зразках з феромагнітної сталі чутливість (нахил кривої) П-подібного ВСП, коли обидва його полюси розташовані над тріщиною, в два рази перевищує чутливість стрижневого ВСП. Навіть при попаданні тріщини лише під один з двох робочих полюсів П-подібного ВСП його чутливість не гірше ніж у стрижневого ВСП.

Аналізуючи функціональні залежності, що представлені на рис.3, можемо зробити висновок, що як для П-подібного так і для стрижневого ВСП на частоті 10 кГц чутливість до впливу зазору менше ніж на частоті 1 кГц, що підтверджує вибір робочої частоти f0=10 кГц.

При побудові автоматизованої системи неруйнівного контролю розподільника та сепаратора, де неможливо усунути коливання зазору при роботі сканувального пристрою, необхідно використати спосіб повного відстроювання від впливу зазору, що був описаний в главі 2.

За підсумками проведених досліджень для визначення порушень суцільності у плунжері в місці зварювання донця з корпусом нами обраний ВСП з П-подібним осердям, що вмонтований у вимірювальну головку. Вимірювальна головка спроектована таким чином, що при контролі деталі обидва полюси осердя ВСП П-подібної форми завжди знаходяться вздовж контрольованого місця зварювання. Таким чином здійснена висока чутливість контролю. Конструктивно в вимірювальній головці усунуто вплив зазора і перекоса контрольованих деталей. Вимірювальна головка під'єднується до основного вимірювального блоку автоматизованої системи - розробленого нами вихорострумового дефектоскопа для контролю плунжерів гідронасосів типу ГСТ-90 і ГСТ-112, який впроваджено до експлуатації у ВАТ “Гідросила”.

4. Розробка та дослідження макета автоматизованої системи неруйнівного контролю порушень суцільності металу відповідальних деталей гідронасоса

Для даної автоматизованої системи розроблено вихорострумовий дефектоскоп для знаходження в процесі виробництва у заготівках і деталях гідронасосів - розподільниках і сепараторах - поверхневих та підповерхневих дефектів типу порушення суцільності. Запропоновані та описані структурна і принципова схеми дефектоскопа. В основу роботи вихорострумового дефектоскопа покладено спосіб повного відстроювання від впливу зазора між ВСП та контрольованою поверхнею.

Для автоматизації процесу контролю відповідальних деталей гідронасоса-розподільника та сепаратора нами розроблений сканувальний пристрій з мікропроцесорним керуванням, структурна схема якого приведена на рис. 4. Деталь встановлюється на діелектричний диск 8, який обертається за допомогою першого крокового двигуна з редуктором 7. ВСП 9 переміщується поступально за радіусом від периферії до центру деталі під дією другого крокового двигуна з редуктором 1, з кроком, рівним діаметру осердя ВСП. Швидкість переміщення ВСП синхронізована з обертанням деталі. Лічильник обертів містить оптопару 6. Вимірювальний тракт дефектоскопа містить генератор 2, амплітудний детектор 3, підсилювач 4. Через аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 5 сигнал надходить до однокристального мікроконтролера 10 сімейства MCS51 AT89C51, де виконується його обробка та виявлення дефектів.

Рис. 4. Структурна схема сканувального пристрою

В результаті проведених досліджень функціонування макета автоматизованої системи неруйнівного контролю було виявлено, що:

- величина кроків радіального переміщення та переміщення по колу ВСП не перевищує 1 мм (діаметра осердя ВСП);

- коливання зазору при скануванні поверхні розподільника та сепаратора (0...0,9 мм) не впливають на якість показань завдяки способу повного відстроювання від впливу зазору.

Таким чином отримані технічні характеристики задовольняють вимогам.

5. Техніко-економічна оцінка ефективності використання автоматизованої системи неруйнівного контролю порушень суцільності металу при виготовленні відповідальних деталей гідронасоса

Економічний ефект розрахувався шляхом порівняння існуючих методів контролю відповідальних деталей гідронасоса на ВАТ “Гідросила” (м. Кіровоград) та контролю за допомогою запропонованої автоматизованої системи. Величина економічного ефекту при використанні автоматизованої системи неруйнівного контролю відповідальних деталей гідронасосів при річному плані випуску насосів 13911 штук, дорівнює Ерічн=31546,42 грн. Період окупності додаткових капітальних вкладень в автоматизовану систему неруйнівного контролю відповідальних деталей гідронасосів складає Ток=1,55 роки.

Висновки

гідронасос вихорострумовий дефектоскоп перетворювач

У дисертаційній роботі подане нове рішення актуальної науково-технічної проблеми підвищення якості відповідальних деталей реверсивного насоса змінної продуктивності об'ємного гідропривода ГСТ-90, у процесі їх виготовлення, завдяки використанню побудованої автоматизованої системи неруйнівного контролю порушень суцільності металу. В процесі виконання роботи отримані наступні найбільш важливі наукові та експериментальні результати.

1. Проведені дослідження можливостей різних методів неруйнівного контролю стосовно контролю відповідальних деталей циліндричної форми гідронасоса ГСТ-90 - плунжера, розподільника та сепаратора, показали, що в даному випадку найбільш придатним є електромагнітний (вихорострумовий) метод неруйнівного контролю.

2. Проведений аналіз існуючих конструкцій та властивостей вихорострумових перетворювачів, які є основним функціональним елементом автоматизованої системи неруйнівного контролю порушень суцільності металу, виявив, що:

- для контролю зварних швів у плунжерах, враховуючи анізотропію, в якості первинного перетворювача обрано вихорострумовий перетворювач з П-подібним осердям;

- при контролі розподільника та сепаратора для реєстрації дефектів типу тріщина обрано вихорострумовий перетворювач зі стрижневим осердям.

3. Розробка і аналіз математичних моделей накладних вихорострумових перетворювачів з П-подібним та стрижневим осердями показав, що:

- залежність величини внесеної індуктивності вихорострумового перетворювача від співвідношення зміни ширини тріщини (T) до діаметру магнітопровода перетворювача (D) при умові, що описується за лінійним законом;