АКУСТИКО-ЭМИСИОННЫЙ СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2015 года по МПК G01N29/14 

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:

$$\xi =arcsin\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{max}}$$

где ε - текущая деформация; ε_max - максимальная деформация,

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

$$\alpha =\sqrt{{\alpha }_r{}^2}+{\alpha }_{\xi }{}^2$$ ; $${\alpha }_{\xi }=C_{\xi }\cdot \varphi \left(\lambda \right)$$

где φ(λ) - функция нормального распределения; λ - нормированное отклонение фазы нагрузки; $${\alpha }_r=\frac{C_r\cdot S_{r\text{}лло}}{S_{Ki}{\cap }_{r\text{}лок}}$$ - 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 $$k_{кр}=\left(3\dots 5\right)\cdot \frac{\Delta N_{Б}}{\Delta P_{Б}}$$ , 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:

$$k_{кр}=\left(3\dots 5\right)\cdot \frac{\Delta N_{Б}}{\Delta P_{Б}}$$

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 $$k_0=\frac{\Delta N}{\Delta P}$$ . 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):

$$N=k_0\left(P-P_0\right)$$ ,

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 $$\dot{N}$$ сигналов акустической эмиссии (фиг.3):

$$V_{l+1}=v_0\cdot \frac{{\dot{N}}_{кр}}{{\dot{N}}_j+\frac{{\dot{N}}_{кр}}{2}}$$ ,

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

$$\frac{1}{2\cdot \Delta t}=(\mathrm{30..40})c$$ .

В процессе циклического нагружения скорость изменения нагрузки V регулируют в зависимости от активности сигналов акустической эмиссии $$\dot{N}$$ и их затухания следующим образом (фиг.3). Устанавливают начальную скорость изменения нагрузки, равной $$V_0=\frac{P_{ст}}{\Delta t}$$ . На интервале времени t_j определяют активность сигналов акустической эмиссии $${\dot{N}}_j$$ . При этом скорость изменения нагрузки V_j+1 в следующий момент времени t_j+1 устанавливают равной:

$$V_{j+1}=v_0\cdot \frac{{\dot{N}}_{кр}}{{\dot{N}}_j+\frac{{\dot{N}}_{кр}}{2}}$$

где $${\dot{N}}_{кр}$$ - предельная активность сигналов акустической эмиссии, которая может быть зарегистрирована в данной конструкции и зависящая от коэффициента затухания δ:

$$N_{кр}=k_3\cdot \delta$$ ,

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 $$\dot{N}$$ 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 $$k_0=\frac{\Delta N}{\Delta P}$$ 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 $$P_{ось}=230кН$$ , и с учетом динамики движения принята равной $$P_{раб}=P_{ось}+0,6\cdot P_{ось}=368кН$$ .

Критическое значение нагрузки установили равным $$P_{кр}=P_{раб}=368кН$$ , а критический коэффициент, определенный экспериментально в предварительных испытаниях новых боковых рам без усталостных дефектов, равным:

$$k_{кр}=0,43\frac{1}{кH}.(1)$$

Затем провели статическое нагружение боковой рамы монотонно возрастающей нагрузкой до величины $$P_{ст}=387кН$$ 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 $${\dot{N}}_{кр}=1271/c$$ . В процессе нагружения скорость изменения нагрузки V регулировали в зависимости от активности сигналов акустической эмиссии $$\dot{N}$$ (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 $$k_0=0.18\frac{1}{кH}$$ .

Таблица 1 Время, активность и скорость изменения нагрузки при статических испытаниях $$\dot{N}$$ п/п 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 .. t_i, 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 .. $${\dot{N}}_i$$ ,
1/c 0 0 10 18 17 16 19 21 14 13 18 10 18 13 .. V_i,
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:

$$V_{l+1}=v_0\cdot \frac{{\dot{N}}_{кр}}{{\dot{N}}_j+\frac{{\dot{N}}_{кр}}{2}}$$ ,

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 .. $${\dot{N}}_i$$ ,
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 k_кр=0,43 Зав. № детали Число сигналов k₀ cm, 1/кН k_0ц, 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

Использование: для диагностики и неразрушающего контроля металлических конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения конструкции, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, при этом 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. Технический результат: повышение достоверности акустико-эмиссионного контроля металлических конструкций. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

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 $$k_{кр}=\left(3\mathrm{..}5\right)\cdot \frac{\Delta N_{Б}}{\Delta P_{Б}}$$ , 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%.