Способ электромагнитного контроля кристаллической структуры нагруженных элементов машин и механизмов в процессе их эксплуатации
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля состояния кристаллической структуры металла несущих элементов машин и механизмов Повышение точности прогнозирования разрушения ферромагнитных объектов под действием микротрещин достигается путем регистрации начала аномального изменения сигналов вихретоковых преобразователей. В процессе контроля фиксируют момент скачкообразного изменения вторичных параметров электромагнитного поля к началу диапазона их изменения, и по нему определяют начало образования микротрещи н. 5 ид
(19) RU (11) 2003091 Cl (51) 5 G01N27 90
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН .;;. лм
К ПАТЕНТУ
1 (21) 4788831/28 (22) 05.02.90 (46) 15.11.93 Бюп. Na 41-42 (76) Колнин Юрий Иванович (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля состояния кристаллической структуры металла несущих элементов машин и механизмов.
Повышение точности прогнозирования разрушения ферромагнитных объектов под действием микротрещин достигается путем регистрации начала аномального изменения сигналов вихретоковых преобразователей. В процессе контроля фиксируют момент скачкообразного изменения вторичных параметров электромагнитного поля к началу диапазона их изменения, и по нему определяют начало образования микротрещин. 5 ил.
2003091
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля состояния кристаллической структуры металла несущих элементов машин и механизмов, доступ к которым в процессе эксплуатации затруднен или невозможен, регистрации скорости устапостного ипи коррозионного старения их кристаллической структуры и определения времени эксплуатации, оставшееся до их усталостного или коррозионного разрушения и выработки сигнала для предотвращения дальнейшей эксплуатации машин и механизмов, если хотя бы один из контролируемых элементов находится на грани разрушения, Известен способ контроля физико-Меха ес х параметров ферромагнитных изделий, заключающийся в сравнении параметров вихретокового преобразователя, в электромагнитном поле которого находится исследуемое ферромагнитное изделие, с параметрами вихретокового преобразователя, электромагнитное поле которого находится в свободном пространстве, Недостатком указанного способа является его неспособность дать полную информаци о а состоянии кристаллической структуры контролируемого изделия, так как измерение его физико-механических параметров производится только в одной тачке баланса частот электромагнитных полей преобразователя с изделием и преобразователя, находящегося в свободном пространстве, . Наиболее близким по своей сущности является способ, заключающийся в определении состояния металла силовой оболочки по изменению параметров магнитного поля, создаваемого перераспределяющимися, в зависимости от изменения состояния металла компонентами тока, протекающего по стенкам оболочки.
Недостатком этого способа является невозможность определения момента появления микротрещин в объеме контролируемого металла, образование которых является началом быстрого его разрушения.
Цель изобретения — повышение точности прогнозирования разрушения ферромагнитных обьектов под действием микротрещин, а также прогнозирование времени наработки до разрушения, Поставленная цель достигается тем, что в известном способе электромагнитного контроля эпектропроводящих объектов в процессе эксплуатации, заключающимся в том, что создают электромагнитное поле, взаимодействующее с контролируемым объектом, измеряют вторичные параметры электромагнитного поля, определяют их изменение во времени и по ним судят о состоянии контролируемого объекта, дополнительно предварительно определяют нижний и верхний пределы изменения вторичных параметров электромагнитного поля. соответствующие началу и концу, эксплуатации объекта, фиксируют момент скачкообразного изменения вторичных параметров электромагнитного поля к началу диапазона их изменения и по нему определяют начало образования микротрещин.
Наиболее перспективным представляется использование предлагаемого способа
15 для контроля состояния кристаллической структуры несущих элементов конструкции атомных реакторов, трубопроводов внутреннего кольца теплообменника его энергетической установки. работа которых
20 проходит в условиях высокой плотности радиационных излучений, температур и интенсивных окислительных процессов, доступ к которым во все время эксплуатации исключен, а аварии вызывают долговременные тяжелейшие катастрофические последствия. Получение достоверной информации об оставшемся лимите. времени безаварийной работы или же начале появления микротрещин тем более необходим, если это
55 касается атомных энергетических установок, расположенных на подвижных объектах, находящихся в условиях жесткой долговременной эксплуатации, например крейсерные походы атомных подводных падок, надводных кораблей, а также магистральных газо- и продуктопроводов, разрушение которых приводит к катастрофическим последствиям.
На фигЛ приведена блок-схема системы контроля состояния кристаллической структуры металла несущих элементов машин и механизмов, поясняющих предлагаемый способ. Система контроля содержит катушку контура автогенератора 2, омическое сопротивление 3, блок 4 определение знака и абсолютного приращения частоты задающего контура автогенератора 2, блок 5 определения знака абсолютного приращения переменной составляющей тока катушки 1 автогенератора 2, блок 6 измерения постоянной составляющей тока катушки 1 контура автогенератора 2, блок 7 управления частотой автогенератора 2, аналоговый мультиплекс 8, аналого-цифровой преобразователь, блок 10 авода-вывода, блок 11 памяти, ЭВМ 12, алфавитно-цифровое печатающее устройство 13, индикатор 14 аварийной ситуации, дисплей 15, таймер 16, блок 17 управления исполнительным меха2003091 низмом, исполнительный механизм 18, крыло 19 самолета, соединительную линию 20.
На фиг,2 приведены графики, показывающие смещение границ перехода из области положительных приращений переменного тока катушки контура автогенератора в область их отрицательных значений, а также смещение резонансных и антирезоHGHcHblx пиков и изменение их амплитуд по
10 оси частот автогенератора генерируемых им в диапазоне 0,5 f 8 кГц. Графики
21-23 построены для положительных и отрицательных приращений токов катушки при взаимодействии ее электромагнитного поля с образцом иэ ."нормального" железа (график 21), потерпевшего отжиг (график 22) и нагартовку (график 23), а графики 24-?6 для образца из "нормального" никеля (график 25), претерпевшего отжиг (график 24) и
20 график 26, построенный для никелевого образца имеющего микротрещину. Под "нормальными" понимаются образцы, выполненные их исходного металла и не претерпевшие после изготовления какихказывающие смещение границ перехода из области частот автогенератора, где кристаллическая структура никеля при взаимодействии с электромагнитным полем катушки
30 его контура проявляет парамагнитные свойства, s область частот, где она ведет себя как диамагнетик, а также смещение по оси
35 частот резонансных и антиреэонансных пиков и их амплитуд по оси частот, генерируемых актогенератором в диапазоне 0,5 f 45 кГц.
График 27 построен для положительных
40 и отрицательных приращений частоты контура автогенератора при взаимодействии электромагнитного поля его катушки с образцом из "нормального" никеля, а графики
28 и 29 соответственно для никелевого образца с микротрещиной и образца из отоженного никеля.
На фиг.4 приведены совмещенные графики (30 — 32) смещения границ перехода иэ
45 области положительных приращений переменной составляющей тока катушки конту- 50 ра в область их отрицательных приращений и смещение резонансных и антирезонанс- ных пиков и их амплитуд с графиками (33,34.35) смещения граний переходов из области отрицательных приращений по ча-. 55 стоте (парамагнитная область) в область их положительных приращений (диамагнитная область), и смещение их резонансных и антирезонансных пиков и амплитуд в диапазолибо механических или физических воздей- 25 ствий.
На фиг.3 приведены графики 27-29, поне изменения частот автогенератора 0,5 f <42 кГц для трех образцов: для "нормального" никеля (графики 30 и 33), никельного образца с микротрещиной (графики 31 и 34) и отоженного никеля (графики 32 и 35), На фиг.5 приведены совмещенные графики (36-38) смещения границ перехода из области положительных приращений пер"".менной составляющей тока катушки контура автогенератора в область их отрицательных приращений и смещение резонансных и антирезонансных пиков и их амплитуд, с графиками (39-41) смещения границ переходов из области отрицательных приращений по частоте (парамагнитная область) в область их положительных приращений (диамагнитная область), и смещение их резонансных и антирезонансных пиков и амплитуд в диапазоне измерения частот автогенератора 0,5 < f 42 кГц, для трех образцов; для "нормального" железа (графики
36 и 39), отожженного (графики 37 и 40) и начартованного железа (графики 38 и 41).
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Контроль за состоянием кристаллической структуры несущих элементов, напри-. мер крыла 19 самолета, начинается с введения в блок 11 параметров их кристаллической структуры, справедливой для начала эксплуатации. Последнее достигается взаимодействием ее с электромагнитным полем катушки 1 образуемого протекающим по ее виткам переменным током контура автогенератора 2, расположенного в непосредственной близости от нее. Запись параметров осуществляется в диапазоне частот автогенератора 2, перестройка которого осуществляется блоком 7 управления его частотой.
Экспериментально установлено, что диапазон частот, охватывающий все границы переходов, и наиболее активное развитие резонансных и антирезонансных явлений для ферромагнитных металлов составляет
05 Что же касается параметров кристаллической структуры металлов, соответствующих концу их эксплуатации, то они вводятся в блок 11 памяти после их определения, которое достигается путем взаимодействия электромагнитного поля катушки 1 контура автогенератора 2 с кристаллической структурой несущего элемента аналогичной конструкции, но прошедший процесс старения путем воздействия .на него соответствующих нагрузок в лабораторных условиях. Наиболее опасным для эксплуатации несущих элементов конструкции (в нашем 2003091 ° 7 Снятие информации с омического сопротивления 0,2-0,3 Ом, обеспечивает работу линии 20 и входных цепей блоков 4-6 практически в режиме короткого эамыка50 ния, что исключает воздействие внешних помех на работу длинной линии 20 и взаимного влияния входных цепей блоков 4-6 друг на друга. Этим обеспечивается вывод информации о состоянии контролируемых 29 и 35 по частоте. А для железа ход изменений этих приращений и смещение границ переходов по оси частот автогенеэлементов, расположенных в недоступных местах машин и механизмов, например несущих элементах крыла 19 в места. удобные ратора показаны соответственно графика- для подключения остальных приборов, вхоми 22 и 37. дящих в систему контроля. случае — несущие элементы крыла самолета) является возникновение в их кристаллической структуре микротрещин, появление которых неминуемо ведет к их быстрому разрушению и, как вследствие этого к аварии эксплуатируемого устройства.. Результаты экспериментов, приведенные на графиках показывают, что развитие процессов изменения вторичных параметров электромагнитного поля при взаимодействии с изменяющейся в процессе эксплуатации кристаллической структурой металла происходит не однозначно. При появлении микротрещин монотонное изменение параметров нарушается. Наблюдается скачкообразное изменение вторичных параметров электромагнитного поля к началу диапазона их изменения. Причем в зависимости от величины микротрещины или от их множеств ход параметров в скачке меняется на противоположный, т.е. их показания возвращаются к нижнему пределу и в зависимости от интенсивности образования микротрещин могут значите л ь но их п ре взойти. Так, например графиками 25,27,30 и 33 для никеля и 21,36 и 39 для железа показан ход изменения вторичных параметров электромагнитного поля по оси частот автогенератора 2 для "молодой" кристаллической структуры этих металлов, находящихся в начале эксплуатации. Графиками 25 и 30 показан ход приращений по амплитуде тока контура и граница перехода этих приращений из области положительных в область отрицательных их значений, а графиками 28 и 33 — приращений из парэмагнитной области в диамагнитную. Соответственно графиками 21 и 36 показан ход приращений амплитуды тока контура и граница перехода этих приращений для железа, а графикам 39 — ход приращений и граница перехода по частоте, Принимая такую структуру металлов за "молодую" дальнейший счет времени ее старения определяется по смещению границ перехода. Так процесс старения кристаллической структуры этих металлов при переходе их иэ состояния "молодой" структуры к "старой" показан изменением приращений вторичных параметров электромагнитного поля соответственно для никеля графиками 24 и 32 по амплитуде тока контура и графиками Этот процесс старения происходит во времени, отрезок которого — гарантия безаварийной работы машины или механизма, При совпадении частоты границ перехода контролируемых текущих параметров с частотой границ перехода "старой" кристаллической структуры, соответствующей верхнему пределу изменения вторичных параметров, дальнейшая эксплуатация машин или механизмов прекращается. Вначале разрушение кристаллической структуры, вызванное нагрузками, превышающими критические, и сопровождаемое появлением микротрещин значение текущих параметров мгновенно изменяется. Особенно резко это выражено в скачкообразном смещении границ переходов к соответствующим границам "молодого" металла справедливым для начала эксплуатации и в зависимости от величины микротрещины или их множеств далеко за эти границы Этот скачкообразный процесс смещения границы перехода приращения по амплитуде тока зафиксирован для никеля с микротрещиной графиками 26 и 31 и смещением границ перехода по частоте соответственно графиками 28 и 34. Для железа с микротрещинами в начальной стадии развития соответственно графиками 23 и 38 зафиксировано смещение границ перехода амплитуд тока к параметрам его "молодой" кристаллической структуры, соответствующие началу эксплуатации. График 41 показывает соответствующее смещение границы перехода приращений по частоте. Снятие контролируемых параметров осуществляется с омического сопротивления 3 величиной 0,2-0,3 Ом, включенного последовательно витками катушки 1. Для этой цели к омическому сопротивлению 3 подключаются концы длинной линии 20, по которой информация об измеряемых параметрах контролируемой кристаллической структуры передается к блокам 5 и 6. 2003091 40 С выхода блоков 4 — 6 информация о текущих параметрах контролируемой кристаллической структуры поступает на аналоговой мультиплекс 8, обеспечивающий последовательность подключения этих устройств к аналого-цифровому преобразователю 9 и преобразующий их аналоговые сигналы в цифровые необходимые для работы ЭВМ 12.. Управление аналоговым мультиплексом 8 аналого-цифровым и реобразователем 9 и блоком 7 управления частотой автогенератора 2 осуществляется каналом 10 ввода-вывода. Обработанная таким обрезом информация о текущих параметрах кристаллической структуры поступает в ЭВМ12,,которая производит их сравнение с вторичными параметрами, соответствующими началу и концу эксплуатации и записанными в блоке 11 памяти. Время, прошедшее с момента начала эксплуатации и момента поступления текущих параметров в ЭВМ 12, регистрируется с помощью таймера 16, а по скорости их приближения к вторичным параметрам, соответствующим концу и удалению от параметров начала эксплуатации, определяется время эксплуатации, оставшееся до конца безаварийной работы контролируемого элемента. Информация о состоянии каждого несущего элемента выводится на алфавитноцифровое печатающее устройство 13 и на дисплей 15. С устройства 13 получают документальную распечатку о состоянии каждога контролируемого элемента, а дисплей 15 дает отображение текущей информации на экране монитора. В экстремальных условиях эксплуатации, например при грубо произведенной Формула изобретения СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ, заключающийся в том, что создают электромагнитное поле, взаимодействующее с контролируемым обьектом, измеряют вторичные параметры электромагнитного поля, определяют их изменение во времени и по ним судят о состоянии контролируемого объекта, отличапосадке самолета, возможно появление микротрещин в несущих элементах крыла 19, В этом случае система фиксирует момент скачкообразного изменения вторичных параметров электромагнитного поля к началу диапазона их изменения, Тогда по команде с ЭВМ 12 срабатывает блок 17 управления исполнительным механизмом 18. Последний снимает напряжение питания цепей запуска двигателей самолета, не допуская его полета с несущими элементами, кристаллическая структура которых близка к разрушению, и предотвращая тем самым неминуемую его аварию или катастрофу, Длл указания экипажу причины незапуска двигателей на табло 14 выдается информация о поломке несущего элемента крыла 19 и месте его нахождения, Единственным элементом, претерпевающим изменение своей конструкции при использовании описанного способа контроля, например элементов атомных энергетических установок, газо, продуктопроводов и т.п., являетсл конфигурация катушки 1, способной обеспечить взаимодействие электромагнитного поля со всем объемом контролируемого металла и протяженность длинной линии, обеспечивающая подключение приборной части измерительной системы вне зоны радиоактивного излучения или иных опасных для жизни воздействий, а та кже обеспечение дистанционного контроля состояния кристаллической структуры контролируемых обьектов. (56) Авторское свидетельство СССР М 665259, кл. G 01 N 27/86, 1979, Авторское свидетельство СССР 1Ф 905764, кл. G 01 N 27/90, 1982. ющийся тем, что, с целью повышения 4r точности прогнозирования разрушения ферромагнитных объектов под действием микротрещин, предварительно определяют нижний и верхний пределы изменения вторичных параметров электромагнитного 50 полл, соответствующие началу и концу эксплуатации объекта, фиксируют момент скачкообразного изменения вторичных параметров к началу диапазона их изменения и по нему определяют начало 55 образования микротрещин . 200 2003091 2003091 6EO +66l5P _#_463E66 ° ИИЙЙРИ ИИИИ> ИИИМИИЙЗИИ: йИИИ06 ИИИИЕИЫИ6693ИИИИИ ° ИИИЫИй 3655RRR 999RNWNRka@ilhM95 ИИИИ1ИЫИИИЙИИИИИ и|ии ии ви ииипи ° ИИИИ ИЮ ааИИИИИ ЙП ° ° ВКВ6 k+665%3 ° .@@@йЙ @И@@@Кй ° Иа@НЙИИИЙЙ И ИИййййй @ ° ИИИ0ИЮэ ь .: Щ ° ИИИЮИфйййфИИИИ ° ИИИИНВЙИИЙЙИИИИ ИВУ ЙУИИ>ИИФИ1ИИИ° ьаиаииипк и и ° ИЭ Ч 6ИИИИй ° ° ИйййИИИФЪМИИ 5066936>663533516 g В Чфф,,ф
