СПОСОБ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОМ КОНТРОЛЕ ПРОЦЕССА ТРЕНИЯ ТВЁРДЫХ, ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ТЕЛ Российский патент 2020 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к неразрушающему контролю трущихся элементов машин, механизмов и элементов конструкций, омываемых жидкостями и газами с использованием метода акустической эмиссии.

Известно достаточно много способов акустического контроля повреждаемости материалов при разрушении конструкций разного назначения. Трение является одним из видов процесса повреждения материалов, в следствие чего представленные ниже способы могут рассматриваться как аналоги. При этом все рассматриваемые аналоги можно разделить на две группы по степени распространения компьютерной техники и соответствующего программного обеспечения в народном хозяйстве.

В известных патентах первой группы (до эпохи компьютеризации) для определения состояний, предшествующих разрушению, используются либо статистические методы, либо искусственные приемы, позволяющие оценить изменения в характере акустической эмиссии.

Известен патент SU 873109 на способ контроля качества изделий в процессе их нагружения, где с целью повышения точности контроля сигналы регистрируются в дискретные моменты времени и фиксируется приращение количества импульсов акустической эмиссии, а также величина изменения параметра нагружения. О заключительной стадии разрушения судят по достижению следующего равенства: ΔN₂/ΔN₁=1+3 ΔP/P_t, где: ΔN₁ и ΔN₂ - приращение количества импульсов в два последовательных промежутка времени; ΔР - изменение параметра нагружения за дискретный промежуток времени; P_t - текущее значение параметра нагружения.

В патенте SU 896566 в способе контроля качества изделий при циклических нагружениях сигналы акустической эмиссии принимают в интервалы времени нарастания и спадания при циклической нагрузке, измеряют параметры этих сигналов, а о качестве изделия судят по разности измеренных параметров с учетом отношения времени нарастания и падения нагрузок.

В патенте RU 2063028 на способ определения момента времени возникновения предразрывного состояния нагружения металла регистрируют время t_j возникновения акустоэмиссионных сигналов от образующихся трещин, а по результатам измерения п последовательных сигналов определяют некую функцию d, связанную со временем поступления и величиной сигналов, а момент времени возникновения предразывного состояния нагруженного материала определяют по моменту равенства нулю указанной функции при превышении ею перед этим положительного и отрицательного заданных порогов.

Недостатком этих способов является то, что получаемые решения не являются оптимальным, поскольку при определении предразрушающего состояния в процессе деформирования не учитываются изменения распределений параметров сигналов акустической эмиссии. Сигналы с параметрами t_j могут возникать при наличии механических шумов, не связанных с акустической эмиссией (работа механизмов и др.).

Более совершенными являются способы контроля, в которых учитываются уже параметры физических процессов разрушения материалов.

В патенте RU 2077046 на способ определения повреждаемости нагруженного материала, включающий определение характерных параметров повреждаемости и оценку меры повреждения материала расчетным путем, измеряют количество трещин n(t_j), образующихся в нагруженном материале за время t_j(j1), строят зависимость n f(t_j), экстраполируют ее до момента времени t, в который оценивают меру повреждения, измеряют среднюю длину трещин r и объем V области трещинообразования, рассчитывают предельное число трещин а меру повреждения материала в момент времени t определяют как вероятность Q_i(t) образования кластера из i начальных трещин по некоторому математическому соотношению.

В патенте 2141654 на способ акустоэмиссионного контроля изделий, включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии, экстраполяцию полученных данных, дополнительно сначала определяют координаты каждой дефектной структуры изделия, для каждой дефектной структуры производят измерение параметров сигналов отдельных источников акустической эмиссии, представляют источники сигналов в пространстве измеренных параметров сигналов, далее определяют тенденцию развития макротрещины, являющейся источником наиболее мощного из выявленных сигналов акустической эмиссии дефектной структуры, путем экстраполяции кривой, построенной по измеренным значениям параметров всех источников сигналов дефектной структуры, по полученным для каждой дефектной структуры кривым оценивают величину наработки изделия до начала образования макротрещины и определяют остаточный ресурс изделия во времени по величине наработки изделия наиболее развитой структуры.

В качестве параметров сигналов отдельных источников акустической эмиссии используют амплитуду сигналов и число пересечений сигнала нулевого уровня.

Однако и эти решения обладают уже отмеченными недостатками:

- не удается отсекать посторонние шумы;

- не удается обеспечить требуемую точность измерения и наступления предельного состояния.

В технических решениях второй группы, несмотря на наличие новых аппаратных и программных средств, наблюдается использование статистических методов, уточнение которых производится с помощью усовершенствования математических моделей обработки акустических сигналов.

В патенте 2233444 способ оценки процессов разрушения конструкций при акустико-эмиссионном контроле основывыется на оценке изменения характеристик сигналов акустической эмиссии при деформировании конструкций, при этом оценку процессов разрушения при деформировании конструкций производят путем анализа изменения параметров распределений акустической эмиссии, характеризуемых отношением математического ожидания квадрата временных интервалов сигналов акустической эмиссии к квадрату математического ожидания временных интервалов сигналов акустической эмиссии, при этом величина отклонения этого соотношения от числа 2 характеризует степень разрушения конструкций.

В патенте 2367941 способ оценки процессов разрушения конструкций при акустико-эмиссионном контроле, основанный на оценке изменения характеристик сигналов акустической эмиссии при деформировании конструкций, отличается тем, что оценку процессов разрушения при деформировании конструкций производят путем разбиения времени анализа на фиксированные интервалы, измеряют количество актов эмиссии на каждом из этих интервалов, оценивают средние значения числа актов и их квадратов по времени анализа и делят математическое ожидание квадрата случайной величины, являющейся средним числом актов эмиссии на сумму квадрата математического ожидания данной случайной величины и собственно математического ожидания данной случайной величины, и по отклонению частного от единицы судят о наличии развивающихся процессов разрушения.

В патенте 2367942 способ оценки процессов разрушения конструкций при акустико-эмиссионном контроле, основанный на оценке изменения характеристик сигналов акустической эмиссии при деформировании конструкций. При этом оценку процессов разрушения в процессе деформирования конструкций производят путем разбиения времени анализа на фиксированные интервалы, измеряют количество актов эмиссии на каждом из этих интервалов, оценивают средние значения числа актов и их квадратов по времени анализа, затем вычитают из математического ожидания квадрата случайной величины, являющейся средним числом актов акустической эмиссии, математическое ожидание данной случайной величины и квадрат математического ожидания данной случайной величины, и по отклонению разницы от нуля судят о наличии развивающихся процессов разрушения.

К недостаткам предлагаемого способа относятся:

- невозможность отсечения посторонних шумов, возникающих при работе механизма или конструкции;

- низкая точность определения основных акустических параметров, определяющих процессы повреждения материалов;

- использование элементов статистического подхода к оценке акустических шумов, что годится в случае типовых конструкций и материалов и приводит к большим погрешностям и, даже, невозможности использования метода, при оценке повреждения редко используемых материалов и конструкций.

Данный патент выбран в качестве прототипа. Он имеет следующие недостатки:

- используются статистические методы для сбора и обработки акустических импульсов, не отсекающие посторонние шумы;

- наступление критического состояния определяется при помощи математической модели, которая является грубым приближением к реальному процессу повреждения материалов и конструкции.

В настоящем изобретении поставлена задача создания способа оценки процессов трения твердых, жидких и газообразных тел по характерным для контактирующих материалов акустическим импульсам.

Поставленная задача в предлагаемом способе оценки процессов разрушения конструкций при акустико-эмиссионном контроле решается путем выделения из общего спектра акустических сигналов, акустических импульсов, которые соответствуют импульсам, возникающим при разрыве адгезионных связей в парах трения, включающих трение как поверхностей из твердых материалов, так и трение при относительном движении жидких и газообразных веществ о твердые поверхности. Фундаментальные обоснования связи параметров акустических импульсов с физико-механическими параметрами данного вещества (материала) приведены в [1-4].

Технический результат - способ оценки степени разрушения материалов при акустико-эмиссионном контроле процесса трения твердых, жидких и газообразных тел достигается путем фиксации аппаратными и программными средствами характерного акустического импульса конкретного разрушаемого материала, оценки величины его амплитуды и сравнения параметров импульса с контрольными параметрами для данных материалов.

Технический результат способа оценки степени разрушения материалов при акустико-эмиссионном контроле процесса трения твердых, жидких и газообразных тел заключается в том, что:

- для фиксации и преобразования акустических импульсов используется пъезодатчик с частотной характеристикой, перекрывающей собственные частоты акустических импульсов, возникающих при разрушении применяемых в конструкции материалов, подсоединенный к управляющему компьютеру, снабженному программой для непрерывной записи поступающих сигналов;

- предварительно параметры контрольных импульсов, характерных для применяемых материалов, определяются для трения твердых тел на специальной установке с вращательным или возвратно-поступательным движением, при приложении разной нагрузки на трущуюся пару, а для жидких и газообразных тел - на установке, позволяющей прокачивать данные тела вдоль твердой поверхности с разными скоростями и давлениями;

- при контроле состояния конструкции по параметрам акустических импульсов программными средствами выводятся на экран параметры текущих характерных для данных материалов и тел импульсов и производится их сравнение с контрольными;

- на основании этого сравнения делается вывод о состоянии конструкции или характере процесса.

Указанный способ значительно упрощает и конкретизирует получаемые данные и позволяет получать данные о повреждениях или величине шумов в текущем режиме.

Примеры конкретной реализации.

Пример 1 Запись акустических импульсов при протекании холодной (20°С) и горячей (55°С) воды по прямой трубе. Датчик располагается на трубе.

Треки акустических импульсов представлены на фигуре 1, где 1 - трек холодной воды; 2 - трек горячей воды.

Результаты частотного анализа треков акустических импульсов при протекании холодной воды представлены на фигуре 2, а при протекании горячей воды - на фигуре 3.

Пример 2 Запись акустических импульсов при трении алюминиевого сплава по карбиду кремния.

Треки акустических импульсов представлены на фигуре 4

Результаты частотного анализа представлены на фигуре 5, где слева массив посторонних шумов, а на частоте 50000 гЦ характерный акустический импульс при повреждении алюминиевого сплава.

Приведенные примеры показывают реализуемость заявляемого метода.

Источники информации

1 Зуев В.В. и др. Закономерности изменения физических параметров кристаллических веществ с трехмерным (координационным) типом структуры в зависимости от их энергоплотности. Открытие №73.

2 Зуев В.В. и др. Закономерности изменения физических параметров кристаллического вещества от удельной энергии его кристаллической решетки. Открытие №117.

3 Зуев В.В. и др. Закономерная связь величин, характеризующих физические свойства кристаллических твердых тел, с величинами удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов. Открытие №204.

4 Зуев В.В., Денисов Г.А., Мочалов Н.А., Николайчук В.Ф., Щербатов А.И., Зуев Н.В. Энергоплотность, как критерий оценки свойств минеральных и других кристаллических веществ. М. ПолиМЕдиа. 2000, 350 с.

Использование: для оценки степени разрушения материалов при акустико-эмиссионном контроле процесса трения твердых, жидких и газообразных тел. Сущность изобретения заключается в том, что для фиксации и преобразования акустических импульсов используется пьезодатчик с частотной характеристикой, перекрывающей собственные частоты акустических импульсов, возникающих при разрушении применяемых в конструкции материалов, подсоединенный к управляющему компьютеру, снабженному программой для непрерывной записи поступающих сигналов; предварительно параметры контрольных импульсов, характерных для применяемых материалов, определяются для трения твердых тел на специальной установке с вращательным или возвратно-поступательным движением при приложении разной нагрузки на трущуюся пару, а для жидких и газообразных тел - на установке, позволяющей прокачивать данные тела вдоль твердой поверхности с разными скоростями и давлениями; при контроле состояния конструкции по параметрам акустических импульсов программными средствами выводятся на экран параметры текущих характерных для данных материалов и тел импульсов и производится их сравнение с контрольными; на основании этого сравнения делается вывод о состоянии конструкции или характере процесса. Технический результат: обеспечение возможности значительного упрощения и конкретизации получаемых данных, а также обеспечение возможности получения данных о повреждениях или величине шумов в текущем режиме. 5 ил.

Способ оценки степени разрушения материалов при акустико-эмиссионном контроле процесса трения твердых, жидких и газообразных тел, отличающийся тем, что:

- для фиксации и преобразования акустических импульсов используется пьезодатчик с частотной характеристикой, перекрывающей собственные частоты акустических импульсов, возникающих при разрушении применяемых в конструкции материалов, подсоединенный к управляющему компьютеру, снабженному программой для непрерывной записи поступающих сигналов;

- предварительно параметры контрольных импульсов, характерных для применяемых материалов, определяются для трения твердых тел на специальной установке с вращательным или возвратно-поступательным движением при приложении разной нагрузки на трущуюся пару, а для жидких и газообразных тел - на установке, позволяющей прокачивать данные тела вдоль твердой поверхности с разными скоростями и давлениями;

- при контроле состояния конструкции по параметрам акустических импульсов программными средствами выводятся на экран параметры текущих характерных для данных материалов и тел импульсов и производится их сравнение с контрольными;

- на основании этого сравнения делается вывод о состоянии конструкции или характере процесса.