Акустико-эмисионный способ диагностирования металлических конструкций

Акустико-эмисионный способ диагностирования металлических конструкций

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля металлических конструкций широкого профиля, включая сварные конструкции, сосуды давления, трубопроводы, авиационные и железнодорожные конструкции, мосты и т.д. с использованием метода акустической эмиссии.

Известен способ диагностирования металлических мостовых конструкций и устройство для его осуществления (патент РФ №2240551, МПК⁷ G01N 29/04. Способ диагностирования мостовых металлических конструкций и устройство для его осуществления / Степанова Л.Н., Муравьев В.В. и др. - приоритет от 20.06.2001 г., Бюл.№32, 2004, принятый за аналог), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения мостовой металлической конструкции, например, проходящим поездом, оцифровку акустических сигналов, вычисление по ней спектра акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат развивающихся дефектов. Кроме того, одновременно с регистрацией сигналов с акустических преобразователей осуществляют регистрацию динамической деформации, а регистрацию основных параметров акустических сигналов, координат развивающихся дефектов и их спектральных характеристик осуществляют в момент достижения максимума механических деформаций конструкции.

Недостатком данного способа является то, что запись информативных параметров сигналов акустической эмиссии в аналоге осуществляется только в момент достижения в конструкции максимума деформации. Однако поскольку заранее найти величину деформации нельзя, то нельзя определить и максимум деформаций, а, следовательно, выставить по ним порог и найти промежуток времени, в течение которого необходимо осуществить запись акустико-эмиссионных сигналов. Поэтому порог срабатывания по деформациям выставляется по величине динамической деформации, измеренной до момента приема акустического сигнала. В результате этого возможна потеря акустико-эмиссионной информации, вследствие чего локализация дефектов определяется с большой погрешностью. Кроме того, процесс поиска максимума деформаций и определение промежутка времени, в течение которого должна производиться запись акустико-эмиссионной информации, весьма сложен и занимает большой промежуток времени. Это приводит к уменьшению быстродействия устройства, к потере информации и снижению достоверности результатов измерений.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ диагностирования металлических конструкций и устройство для его осуществления (Пат. РФ №2339938, МПК⁷ G01N 29/04, приоритет от 14.02.2007, Бюл.№33, 2008 г., принятый за прототип), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения металлической конструкции циклической нагрузкой, регистрацию динамических деформаций, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат развивающихся дефектов. Кроме того, одновременно с регистрацией динамической деформации выполняется регистрация времени прихода сигнала акустической эмиссии при минимальном U_порmin пороге, равном минимальному уровню шумов, и максимальном пороге, равном U_порmax=(U_порmin+U_доб), где U_доб - добавочное значение порогового уровня, равного разности между минимальным и максимальным уровнями шумов, а по измеренной деформации осуществляется определение фазы ξ нагрузки по формуле:

ξ = a r c s i n ε ε m a x

где ε - текущая деформация; ε_max - максимальная деформация,

и по фазе нагрузки выполняется кластеризация для каждого акустического сигнала, находится целевая функция кластеризации из условия:

α = α r 2 + α ξ 2   ; α ξ = C ξ ⋅ ϕ ( λ )

где φ(λ) - функция нормального распределения; λ - нормированное отклонение фазы нагрузки; α r = C r ⋅ S r ​ л л о S K i ∩ r ​ л о к - геометрический признак, равный отношению площади области локализации сигнала акустической эмиссии, полученной при минимальном и максимальном значениях порогового уровня, и площади перекрытия области локализации сигнала и кластера; C_ξ - «весовой» коэффициент фазы нагрузки; C_r - «весовой» коэффициент геометрического признака; S_rлло - площадь области локализации сигнала; S_Ki∩rлло - площадь перекрытия области локализации сигнала в кластере, если число сигналов в таком кластере превышает заданный порог по количеству акустических сигналов, то это соответствует наличию дефекта с координатами, равными координатам центра кластера.

Недостатком способа, принятого за прототип, является невозможность контроля и изменения (при необходимости) скорости нагружения. Кроме того, такие испытания всегда проводятся при циклическом нагружении, период и амплитуда которых выбираются отдельно и не связаны с параметрами акустической эмиссии, то есть процесс разрушения и безопасность испытаний никак не контролируются регистрируемыми характеристиками сигналов акустической эмиссии, напрямую связанными с процессом разрушения объекта диагностирования.

При разработке заявляемого акустико-эмиссионного способа диагностирования металлических конструкций была поставлена задача повышения достоверности результатов контроля за счет того, что по параметрам регистрируемых сигналов акустической эмиссии устанавливают оптимальные для выявления дефектов параметры нагружения: тип нагружения, скорость изменения нагрузки, частоту циклического нагружения, амплитудное значение нагрузки. Кроме того, в заявляемом способе (в отличие от прототипа) повышается достоверность выявления развитых дефектов за счет использования накопленных сигналов акустической эмиссии при многократном нагружении с изменяющейся амплитудой и частотой нагрузки.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом акустико-эмиссионном способе диагностирования металлических конструкций, заключающемся в том, что осуществляют прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения конструкции, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех. Кроме того, сначала устанавливают критические значения нагрузки P_кр и коэффициента регрессии k_кр, характеризующего изменение числа сигналов акустической эмиссии к изменению нагрузки для бездефектной конструкции, затем конструкцию нагружают до значения нагрузки, превышающей рабочую на (5…10) %, регистрируют при этом число сигналов и нагрузку линейного участка стационарной акустической эмиссии, регистрируют при этом коэффициент регрессии k₀, после чего конструкцию нагружают циклической нагрузкой, амплитудное значение которой повышают постепенно на (2…5) %, и при достижении превышения на (15…20) % рабочей нагрузки нагружение прекращают, если в процессе контроля k₀<k_кр, то конструкцию считают бездефектной, а при значении k₀>k_кр конструкцию бракуют.

Кроме того, критический коэффициент регрессии определяют по формуле k к р = ( 3 … 5 ) ⋅ Δ N Б Δ P Б , где ΔP_Б, ΔN_Б - соответственно изменения нагрузки и числа сигналов акустической эмиссии бездефектной конструкции.

Кроме того, скорость и частоту нагружения регулируют в зависимости от регистрируемой активности и затухания сигналов акустической эмиссии таким образом, чтобы количество нерегистрируемых сигналов не превышало 1-5%.

На фиг.1 приведен график зависимости прикладываемой нагрузки от времени в процессе акустико-эмиссионного контроля.

На фиг.2 приведен график зависимости числа сигналов акустической эмиссии от нагрузки, прикладываемой к конструкции при статическом нагружении.

На фиг. 3 приведены зависимости нагрузки и активности сигналов акустической эмиссии от времени.

На фиг.4 приведена локализация сигналов акустической эмиссии при испытаниях боковой рамы тележки грузового вагона.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Сначала устанавливают критическое значение нагрузки P_кр, равное максимальной рабочей нагрузке конструкции P_раб, а критический коэффициент регрессии k_кр, равным:

k к р = ( 3 … 5 ) ⋅ Δ N Б Δ P Б

где ΔP_Б, ΔN_Б - соответственно изменения нагрузки и числа сигналов акустической эмиссии при испытаниях бездефектных конструкций, не бывших в эксплуатации.

Затем проводят статическое нагружение (фиг.1), прикладывая к конструкции монотонно возрастающую нагрузку до величины P_ст, которая на (5…10) % выше максимальной рабочей нагрузки. Одновременно проводят прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех. Регистрируют число сигналов акустической эмиссии и нагрузку линейного участка стационарной акустической эмиссии (фиг.2) и определяют коэффициент регрессии k 0 = Δ N Δ P . В процессе статического нагружения регистрируют число сигналов N и нагрузку P₀ начала линейного участка стационарной акустической эмиссии по графику изменения N(P) и k₀=tg(α) (фиг.2):

N = k 0 ( P − P 0 ) ,

Если нагрузка начала линейного участка P₀ больше критической P₀>P_кр или коэффициент k₀<k_кр, то проводят циклическое нагружение (фиг.1). Частоту циклического нагружения регулируют в зависимости от максимальной активности N ˙ сигналов акустической эмиссии (фиг.3):

V l + 1 = v 0 ⋅ N ˙ к р N ˙ j + N ˙ к р 2 ,

где l - порядковый номер цикла; V₀ - начальная частота, соответствующая

1 2 ⋅ Δ t = ( 30..40 ) c .

В процессе циклического нагружения скорость изменения нагрузки V регулируют в зависимости от активности сигналов акустической эмиссии N ˙ и их затухания следующим образом (фиг.3). Устанавливают начальную скорость изменения нагрузки, равной V 0 = P с т Δ t . На интервале времени t_j определяют активность сигналов акустической эмиссии N ˙ j . При этом скорость изменения нагрузки V_j+1 в следующий момент времени t_j+1 устанавливают равной:

V j + 1 = v 0 ⋅ N ˙ к р N ˙ j + N ˙ к р 2

где N ˙ к р - предельная активность сигналов акустической эмиссии, которая может быть зарегистрирована в данной конструкции и зависящая от коэффициента затухания δ:

N к р = k 3 ⋅ δ ,

где k₃ - коэффициент затухания, равный отношению максимальной амплитуды сигналов акустической эмиссии к порогу регистрации. Такая скорость нагружения позволяет регистрировать максимальное число сигналов акустической эмиссии в объекте контроля и получать более достоверную информацию о его состоянии.

На фиг.3 в интервале времени t_j-1 наблюдается высокая активность N ˙ сигналов акустической эмиссии, поэтому для интервала времени t_j устанавливают низкую скорость изменения нагрузки V, а в интервал времени t_j наблюдается низкая активность сигналов акустической эмиссии, поэтому устанавливают высокую скорость изменения нагрузки для интервала времени t_j+1.

Если нагрузка начала линейного участка P₀ меньше критической P_0<P_кр и коэффициент k₀>k_кр, то нагружение останавливают и конструкцию бракуют.

Максимальную нагрузку цикла постепенно повышают на (2…5) % через каждые Δn циклов в зависимости от коэффициента k 0 = Δ N Δ P до нагрузки, превышающей максимальную рабочую нагрузку на (15…20) %.

В процессе циклического нагружения регистрируют и накапливают в промежутке времени, соответствующем Δn циклов, число сигналов N и нагрузку P, по которым определяют нагрузку P₀ начала линейного участка стационарной акустической эмиссии и коэффициент k₀ отношения изменения числа сигналов ΔN акустической эмиссии к изменению нагрузки ΔP. Если после Δn циклов коэффициент k₀<k_кр, то амплитуду циклической нагрузки повышают на (2…5) %. Если при достижении максимальной нагрузки на (15…20) % выше максимальной рабочей нагрузки и выполняется неравенство k₀<k_кр, то конструкцию считают бездефектной.

Предложенный способ был реализован при контроле боковых рам коробчатого сечения тележки грузового вагона. Максимальная рабочая нагрузка конструкции с разрешенной статической нагрузкой на ось, равной P о с ь = 230 к Н , и с учетом динамики движения принята равной P р а б = P о с ь + 0 , 6 ⋅ P о с ь = 368   к Н .

Критическое значение нагрузки установили равным P к р = P р а б = 368   к Н , а критический коэффициент, определенный экспериментально в предварительных испытаниях новых боковых рам без усталостных дефектов, равным:

k к р = 0 , 43 1 к H .               ( 1 )

Затем провели статическое нагружение боковой рамы монотонно возрастающей нагрузкой до величины P с т = 387   к Н и одновременно проводили прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат развивающихся дефектов (Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии /Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н. и др. - / Под ред. Л.Н. Степановой, В.В. Муравьева - М.: Машиностроение, 2004, с. 74-81). Локализация сигналов акустической эмиссии в исследуемой боковой раме коробчатого сечения тележки грузового вагона приведена на фиг.4.

В процессе предварительных испытаний установлено значение коэффициента затухания δ=5851 1/с и коэффициент, равный отношению максимальной амплитуды сигналов акустической эмиссии к порогу регистрации k₃=46. При этом предельная активность сигналов акустической эмиссии составила N ˙ к р = 127   1 / c . В процессе нагружения скорость изменения нагрузки V регулировали в зависимости от активности сигналов акустической эмиссии N ˙ (таблица 1).

В процессе статического нагружения определяют нагрузку начала линейного участка стационарной акустической эмиссии, равную P₀=362 кН. При этом коэффициент, соответствующий отношению изменения числа сигналов акустической эмиссии, вызванных приращением нагрузки, равен k 0 = 0.18 1 к H .

Таблица 1
Время, активность и скорость изменения нагрузки при статических испытаниях
N ˙ п/п	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	..
ti, c	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	6,5	..
N ˙ i ,1/c	0	0	10	18	17	16	19	21	14	13	18	10	18	13	..
Vi,кH/c	12,9	12,9	12,9	11,0	9,8	9,9	10,0	9,7	9,4	10,4	10,5	9,8	11,0	9,8	..

Из формулы (1) следует, что выполняется неравенство и коэффициент k₀<k_кр. Затем провели циклическое нагружение боковой рамы. Частоту циклического нагружения регулировали в зависимости от максимальной активности сигналов акустической эмиссии:

V l + 1 = v 0 ⋅ N ˙ к р N ˙ j + N ˙ к р 2 ,

где l - порядковый номер цикла.

В таблице 2 приведены данные по частоте, активности и количеству циклов нагружения боковой рамы.

Таблица 2
Зависимость частоты и активности от количества циклов нагружения
Номер цикла	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	..
N ˙ i ,1/c	5	8	12	15	4	124	25	21	29	5	42	..
v1, 1/c	0,20	0,37	0,36	0,34	0,32	0,38	0,14	0,29	0,30	0,27	0,37	..

Максимальную нагрузку цикла повышали через каждые Δn=10 циклов на 18 кН до максимальной нагрузки 441 кН. Одновременно регистрировали и накапливали на базе Δn=10 циклов число сигналов N и нагрузку P, по которым определили нагрузку P₀ начала линейного участка стационарной акустической эмиссии и коэффициент k₀ отношения изменения числа сигналов акустической эмиссии к изменению нагрузки (таблица 3).

Поскольку после 30 циклов коэффициент k₀=0,48 1/кН превышает критическое значение, равное k_кр=0,43 ¹/_кН, а нагрузка P₀=321 кН ниже критического значения P_кр=368 кН, то боковую раму бракуют.

Таблица 3
Зависимость нагрузки P0 начала линейного участка стационарной акустической эмиссии и коэффициента K0 изменения числа сигналов к изменению нагрузки от номера цикла нагружения
Номер цикла	10	20	30
P0, кН	351	346	321
k0, 1/кН	0,32	0,39	0,48

Способ был опробован экспериментально на 12 дефектных и бездефектных боковых рамах коробчатого сечения тележек грузовых вагонов. Результаты измерения параметров диагностирования двенадцати боковых рам представлены в таблице 4.

По параметрам регистрируемых сигналов акустической эмиссии устанавливают оптимальные для выявления дефектов параметры нагружения. Скорость изменения нагрузки и частоту циклического нагружения регулируют в зависимости от активности сигналов акустической эмиссии. При увеличении активности скорость изменения нагрузки уменьшают, а при снижении активности - повышают. Таким образом, в отличие от прототипа, уменьшается вероятность пропуска сигналов акустической эмиссии от развивающихся дефектов из-за наложения сигналов акустической эмиссии, как при статическом, так и при циклическом нагружении. Кроме того, заявляемый способ позволяет обнаруживать дефекты, которые при нагружении монотонно возрастающей нагрузкой не выявлялись. Повышение вероятности выявления дефекта, по сравнению с прототипом, достигается за счет накопления сигналов акустической эмиссии при циклическом нагружении и постепенного увеличения амплитудного значения нагрузки. При этом обеспечивается оптимальная затрата времени, что особенно важно при организации поточного контроля конструкций в депо.

Таблица 4
Результаты диагностирования боковых рам грузовых вагонов при величине базовой статической нагрузки, равной 387 кН, и kкр=0,43
Зав. № детали	Число сигналов	k0 cm, 1/кН	k0ц, 1/кН	кН	Количество циклов	Результат контроля
T103	6	0,015	0,07	441	40	Годная
8752	10	0,026	0,16	441	40	Годная
19644	4	0,08	0,11	441	40	Годная
25036	8	0,17	0,27	441	40	Годная
53104	9	0,18	0	441	40	Годная
25969	16	0,4	0,66	405	20	Брак
T91013	7	0,18	0,48	441	40	Брак
8172	17	0,68	-	-	-	Брак
79151	16	0,32	0,55	387	10	Брак
6492	19	0,44	-	-	-	Брак
6667	17	0,36	1,62	405	20	Брак
66991	20	0,44	-	-	-	Брак

1. Акустико-эмиссионный способ диагностирования металлических конструкций, включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения конструкции, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, отличающийся тем, что сначала устанавливают критические значения нагрузки P_кр и коэффициента регрессии k_кр, характеризующего изменение числа сигналов акустической эмиссии к изменению нагрузки для бездефектной конструкции, затем конструкцию нагружают до значения нагрузки, превышающей рабочую на (5…10) %, регистрируют при этом число сигналов и нагрузку линейного участка стационарной акустической эмиссии, регистрируют при этом коэффициент регрессии k₀, после чего конструкцию нагружают циклической нагрузкой, амплитудное значение которой повышают постепенно на (2…5) %, и при достижении превышения на (15…20) % рабочей нагрузки нагружение прекращают, если в процессе контроля k₀<k_кр, то конструкцию считают бездефектной, а при значении k₀>k_кр конструкцию бракуют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что критический коэффициент регрессии определяют по формуле k к р = ( 3 .. 5 ) ⋅ Δ N Б Δ P Б , где ΔP_Б, ΔN_Б - соответственно изменения нагрузки и числа сигналов акустической эмиссии бездефектной конструкции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость и частоту нагружения регулируют в зависимости от регистрируемой активности и затухания сигналов акустической эмиссии таким образом, чтобы количество нерегистрируемых сигналов не превышало 1-5%.