Способ вибрационного контроля зазоров в конструкциях изделий Российский патент 2024 года по МПК G01M7/02 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и диагностики технического состояния конструкций.

В конструкциях изделий могут иметься зазоры, которые условно делятся на два вида. Одни из них - зазоры в соединениях (в основном подвижных) составных частей конструкций - вводятся для обеспечения нормального функционирования этих соединений. Величины таких зазоров обычно нормируются. Другой вид - люфты, возникающие в результате нарушения технологии изготовления и в процессе эксплуатации изделий. Поскольку нормированные зазоры увеличиваются, как правило, в процессе эксплуатации, то оба этих вида могут привести к повышенной нагруженности и износу деталей, изменению динамических характеристик и ухудшению технического состояния изделий. Поэтому зазоры необходимо контролировать.

Широкое распространение в машиностроении нашли методы оценки технического состояния объектов по параметрам вибраций. Вибрационные методы можно условно разделить на пассивные и активные. В первом случае исследуются сигналы, получаемые при функционировании контролируемого объекта, а во втором - соответствующая информация получается при приложении к объекту специально заданных воздействий. Пассивные методы применяются для диагностирования, в основном, машин и механизмов, имеющих вращающиеся части (подшипники, соединительные муфты, механические передачи и т.д.).

В вибрационной диагностике конструкций применяются активные методы, предназначенные для выявления люфтов, трещин и разрушений в конструкциях в процессе их эксплуатации. Методы основаны на том, что такие повреждения оказывают влияние на жесткость и демпфирование механических систем, что обусловливает изменение характеристик их отклика на вибрационное воздействие. Это изменение используется как информативный признак наличия повреждения.

Для такого контроля могут использоваться, например, методы обнаружения трещин. Это объясняется тем, что динамические эффекты, возникающие вследствие схлопывания «берегов» трещины под действием тестовой гармонической силы, схожи с таковыми при соударении элементов конструкций, между которыми имеется зазор.

Известен метод вибродиагностики, в котором собственные частоты определялись по свободным колебаниям конструкции на основном резонансе, а также на суб- и супергармонических резонансах системы. Такие резонансы возникают в линейной системе в результате появления дефектов. Собственные частоты оценивались с точек зрения их чувствительности к наличию трещины и эффективности применения для диагностики повреждения (Bovsunovsky А.P., Matveyev V.V. Vibrational diagnostics parameters of fatigue damage in elastic bodies. Mechanical Fatigue of Metals: Proceeding of the 13-th International Colloquium (MFM) (Tern., 25-28 September 2006), pp. 212-218; свидетельство SU 1415178 G01N 29/04).

Недостатком этого метода является то, что он применим для однородных конструкций, например, лопаток авиационных двигателей.

Известен метод обнаружения дефектов в материале упругой конструкции, при котором возбуждают колебания эталонной и исследуемой конструкций, выбирают несколько форм колебаний, определяют для этих форм резонансные частоты колебаний конструкций, а о возникновении дефекта судят по разности значений резонансных частот эталонной и исследуемой конструкций (А.В. Косицын «Метод вибродиагностики дефектов упругих конструкций на основе анализа собственных форм колебаний». Приборы и методы измерений, №2 (3), 2011 г.; патент RU 2111485 G01N 29/04).

Недостатком данного метода является то, что поскольку резонансная частота колебаний является интегральной характеристикой упругой конструкции, то по изменению резонансной частоты можно судить о появлении дефекта, но невозможно определить его положение. Кроме того, этот метод пригоден для простых и малогабаритных образцов типа балка, пластинка и т.д., так как экспериментальное определение собственных частот пространственных форм с нужной точностью для реальных конструкций проблематично.

Известен метод обнаружения местных повреждений композитных конструкций по изменению собственных частот и параметров затухания, соответствующих различным формам колебаний (Balis Crema L., Casteilani A., Peroni I. Modal tests on composite material structures application in damage detection. Proceedings of the 3rd International Modal Analysis Conference, Orlando, Florida, January 28-31, 1985, Schenectady, New York, Union College, 1985, vol. 2, pp. 708-713).

Недостатки метода: параметры затухания колебаний и собственные частоты является интегральными характеристиками конструкции. Поэтому локальный дефект может не оказывать влияния на исследуемые формы колебаний. Метод пригоден для простых и малогабаритных объектов, не имеющих условно неподвижных соединений (заклепочных, болтовых и т.д.), поскольку изменение собственных частот может произойти не из-за появления дефекта, а вследствие изменения состояния соединений.

Известен вибрационный способ контроля процесса разрушения в элементах конструкции, который заключается в том, что определяют место возможного разрушения элемента конструкции объекта на основе знаний особенностей и опыта разрушений аналогичных конструкций. Устанавливают датчик вибраций на месте возможного разрушения элемента диагностируемого изделия, создают вибрационные колебания в контролируемом элементе конструкции путем использования любого независимого источника вибрационных колебаний. Затем периодически, через равные интервалы времени, осуществляют измерение частот вибраций и их взаимный анализ. Момент появления неравенства квалифицируют как начало процесса разрушения контролируемого элемента (Патенты RU 2284518, RU 2324929 G01N 29/04).

Недостатками реализации данного способа является следующее:

- необходимо заранее знать место, где появится дефект конструкции;

- в качестве идентификационного признака дефекта предлагается использовать появление неравенства частот, зафиксированных разными датчиками. Такими частотами могут быть парциальные частоты элементов конструкции или резонансные частоты «местных» форм колебаний. Но эти частоты могут изменяться не только из-за появления дефекта, но и, в большей степени, из-за изменения состояния условно неподвижных соединений в процессе эксплуатации конструкции;

- для того, чтобы зафиксировать появление дефекта по разности сигналов вибрационных датчиков, необходимо, чтобы эти датчики располагались на идентичных элементах конструкции, но в существенно разных условиях эксплуатационной нагруженности. А такое возможно в том случае, когда конструкция не оптимальна с точки зрения весовой отдачи.

Если изделие было спроектировано как механическая система либо с линейными динамическими характеристиками, либо с заданными нелинейностями, то появление дополнительных нелинейных отклонений от проектных характеристик может свидетельствовать о появлении дефектов. Известны методы обнаружения дефектов, основанные на возникновении суб- и супергармонических резонансов, искажений фазовых портретов, фигур Лиссажу и других видов портретов колебаний (Цыфанский С.Л., Бересневич В.И., Лушников Б.В. Нелинейная вибродиагностика машин и механизмов. - Рига: Зинатне, 2008; патент RU 2659193 С1).

Недостатки методов:

- дефекты выявляются по результатам, а не в процессе испытаний, что препятствует оперативному принятию решения об их устранении;

- далеко не все методы позволяют определять местоположения дефектов.

Известен способ выявления люфтов в жесткой проводке управления летательного аппарата. Проводку упруго закрепляют с одного конца и возбуждают в ней гармонические, близкие к собственным, колебания. На тяги и качалки устанавливают акселерометры, которые измеряют виброперегрузки на тягах - вдоль оси тяг, а на качалках - вдоль касательной к траектории движения. Проводят опрос сигналов с акселерометров и строят фигуры Лиссажу для каждой точки измерения. По виду этих фигур делают заключение о наличии люфта в соединении тяги с качалкой (патент RU 2343440).

Данный способ вибрационной диагностики конструкций выбран за прототип.

Недостатками реализации данного способа является следующее:

- в качестве идентификационного признака дефекта предлагается использовать искажения фигур Лиссажу, построение которых возможно не во всех видах вибрационных испытаний;

- способ позволяет выявить дефектный узел в проводке управления, но не оценить величину люфта;

- контролируется только проводка управления, а не все зазоры в конструкциях изделий.

Технической задачей изобретения является повышение оперативности, достоверности и информативности в оценке наличия зазоров в сложных конструкциях, имеющих как условно неподвижные (болтовые, заклепочные и т.д.), так и подвижные соединения, определение местоположения и отслеживание процесса развития дефектов.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе вибрационного контроля зазоров в конструкциях изделий, включающий возбуждение собственных колебаний в контролируемом изделии и измерении параметров вибрационного отклика изделия с помощью установленных на нем акселерометров, результаты измерений вибраций изделия представляются в виде портретов колебаний, вертикальные развертки которых производятся пропорционально сигналам датчиков ускорений, а горизонтальные - пропорционально первым гармоникам этих сигналов, сдвинутым по фазе на π/2, осуществляется преобразование Фурье применительно к каждому портрету колебаний, из ряда Фурье вычитается первая гармоника, в остатке ряда определяется абсолютный максимум за период колебаний, величина этого максимума относится к амплитуде первой гармоники, это отношение считается коэффициентом искажений портрета колебаний и используется в качестве идентификационного признака для обнаружения зазоров в конструкции изделия.

На фиг. 1 представлен портрет колебаний конструкции без зазора (а) и с зазором (b).

На фиг. 2 представлена зависимость собственной частоты от амплитуды колебаний.

На фиг. 3 представлены зазоры в механизации крыла самолета.

На фиг. 4 представлены зазоры в руле высоты и триммере.

На фиг. 5 представлен люфт в соединении ручки управления с проводкой.

На фиг. 6 представлены зазоры в узлах установки переднего горизонтального оперения (а) и цельноповоротного стабилизатора (b).

На фиг. 7 представлено искажения портретов колебаний вертикального оперения самолета с зазорами в передних узлах навески: глобальное нормирование искажений (а), локальное нормирование искажений (b).

На фиг. 8 представлены результаты испытания КА открытого исполнения: конструктивно - компоновочная схема КА (а), распределения искажений портретов колебаний по поверхности испытываемого КА (b), где: 1 - адаптер; 2 - панель; 3 - астроплата; 4 - рефлекторы антенн; 5 - панели солнечной батареи; 6 - узел крепления солнечной батареи.

На фиг. 9. представлены результаты испытания антенны КА: схема установки для вибрационных испытаний антенны КА (а), распределение искажений портретов колебаний рефлектора антенны (b), где 7 - каркас; 8 - рефлектор; 9 - вибростенд

Способ вибрационного контроля зазоров в конструкциях изделий заключается в следующем. На диагностируемое изделие устанавливают датчики ускорений. Количество датчиков зависит от габаритов и степени сложности конструкции. Местами установки датчиков являются поверхности отклоняемых частей изделий, стыки агрегатов и элементы систем передачи усилий и перемещений (например, проводки управления отклоняемыми поверхностями летательных аппаратов).

В контролируемой конструкции с помощью одного или нескольких независимых источников вибраций, функционирующих в одинаковой и/или в противоположной фазе, создают вибрационные колебания. Частоты вибрационных колебаний произвольны и не связаны с собственными частотами конструкции. Места присоединения источников вибраций к конструкции также произвольны.

Вибрационный отклик конструкции фиксируется датчиками ускорений (акселерометрами). Сигналы акселерометров представляют в виде портретов колебаний: вертикальные развертки производятся пропорционально сигналам датчиков ускорений, а горизонтальные - пропорционально первым гармоникам этих сигналов, сдвинутым по фазе на π/2. Такой портрет колебаний для линейной динамической системы представляет собой окружность. Наличие зазоров приводит к тому, что динамические характеристики конструкции (жесткость, демпфирование) становятся физически нелинейными, а портреты колебаний искажаются и становятся отличными от окружности (фиг. 1; n - перегрузка, зафиксированная датчиком ускорений; n₁ - первая гармоника этой перегрузки). Искажения портретов тем сильнее, чем больше зазор и ближе к нему расположены акселерометры. Поэтому предлагаемый способ контроля позволяет как локализовать зазоры в конструкциях, так и зафиксировать их развитие.

Для численной оценки искажений к развертке портрета колебаний применяется преобразование Фурье. Из ряда Фурье вычитается первая гармоника, в остатке ряда определяется абсолютный максимум за период колебаний, величина которого Ψ принимается за параметр искажений. Величина параметра Ψ нормируется и обозначается как ξ. Строится распределение ξ по объекту контроля. По расположениям локальных максимумов искажений определяются местоположения зазоров.

Если контролируемая конструкция изначально имеет нелинейные динамические характеристики или ее диагностирование начинается по прошествии некоторого времени эксплуатации, то повышенные значения ξ укажут на расположение нелинейных элементов в конструкции. Целью дальнейшего диагностирования будет контроль скорости развития зазоров.

В расчетах параметра ξ используется два вида нормирования искажений Ψ, условно названные глобальным и локальным. При глобальном нормировании величина Ψ относилась к амплитуде первой гармоники в контрольной точке конструкции. В качестве контрольной принимается точка, в которой амплитуда колебаний первой гармоники наибольшая. В случае локального нормирования имеем:

где (A₁)_i - амплитуда колебаний первой гармоники; i - номер канала измерений.

Глобальное нормирование необходимо для анализа распределения искажений портретов колебаний по всему изделию. Поскольку частоты вибрационного нагружения объектов испытаний могут находиться в окрестности их собственных частот, то нужно исключить появление ложных локальных максимумов искажений. Это происходит из-за того, что некоторые акселерометры могут быть установлены вблизи узлов форм собственных колебаний конструкции.

Локальное нормирование искажений портретов колебаний используется для определения местоположений зазоров в отдельных агрегатах и узлах сопряжения конструкции. Такое нормирование позволяет сопоставить между собой проявления разных по величине зазоров и отследить динамику изменения каждого из них в процессе испытаний или эксплуатации.

Для того, чтобы с помощью описанного способа можно было контролировать зазоры непосредственно в процессе вибрационных испытаний изделий, в программное обеспечение управлением экспериментом была введена подпрограмма анализа портретов колебаний. Она осуществляет расчет параметров искажений портретов колебаний ξ параллельно по всем каналам измерений, строит распределения искажений по конструкции и запоминает такие распределения. Это позволяет контролировать проявление зазоров в течение прочностных испытаний, а также эксплуатации конструкции путем сравнения полей параметра искажений, записанных для разных состояний изделий. Кроме того, в подпрограмме заложена возможность построения искажений портретов колебаний для отдельных агрегатов и узлов сопряжения конструкции, что необходимо, например, для поэтапного контроля дефектов.

Примером реализации способа является контроль зазоров в соединениях (узлах) механических проводок управления отклоняемыми поверхностями летательных аппаратов в процессе модальных испытаний.

Если свободный ход отклоняемой поверхности превышает допускаемую величину из-за повышенного зазора в одном из соединений, то дефектный узел выявляется по значению параметра ξ, а величину зазора можно вычислить по формуле:

Здесь τ - отношение перемещения дефектного узла к перемещению контрольной точки поверхности; δ - величина зазора.

По формуле (2) величина зазора может быть вычислена с погрешностью, не превышающей 10%, если падение резонансной частоты из-за зазора составляет не более 12%. При этом амплитуда свободного хода отклоняемой поверхности может достигать 50% от величины A₀. определение величины зазора имеет особенности. Например, для определения частоты отклоняемой поверхности после раскрытия зазора частоту вынуждающей силы следует изменять от большей к меньшей (обратный ход). Так определяется частота ω_е. Амплитуда колебаний А₀ определяется по моменту появления искажений портрета колебаний, что происходит, как правило, скачкообразно. Измерение А₀ связано с известными трудностями из-за малости ее величины. Величину А₀ можно искусственно поднять, увеличив статическое усилие в проводке управления либо изменением балансировки отклоняемой поверхности, либо введением статической составляющей в силу возбуждения колебаний.

При наличии в системе управления нескольких зазоров по формуле (2) вычисляется их суммарная величина. Идентификация зазоров в дефектных узлах производится по величинам параметра

Особенностью отклоняемой поверхности самолета с механической проводкой управления является то, что основная масса такой динамической системы сосредоточена в отклоняемой поверхности. Поэтому, несмотря на нелинейность колебаний элементов проводки управления, отклик поверхности на гармоническое возбуждение колебаний также гармонический. На этом свойстве основан вывод формулы (2). Что касается зазоров в стыках и креплениях агрегатов, то предлагаемая методика позволяет установить их наличие и указать местоположения без оценки величин.

Предлагаемый способ контроля зазоров по искажениям портретов колебаний был использован для диагностирования макетного органа управления и самолетов в процессе модальных испытаний, космических аппаратов открытого исполнения в технологических вибрационных испытаниях, а также элементов планера самолетов в вибропрочностных испытаниях.

Макетный орган управления, собранный из имитатора отклоняющейся поверхности, тяг и качалок серийно выпускающегося самолета, имел 8 подвижных соединений. Допуск на зазоры в этих соединениях составлял 18 мкм. Для имитации люфтов в узлах проводки управления были изготовлены технологические болты для создания зазоров в 20, 30, 35, 43 и 50 мкм.

Результаты контроля зазоров, представленные в таблице 1, иллюстрируют обнаружение люфта в узле №6 по максимальному значению параметра искажений портретов колебаний. В таблице 2 приведены оценки величин люфтов по формуле (2).

Из представленных результатов следует, что оценка величины люфта по предлагаемой методике является, как правило, завышенной, но ее погрешность не превышает 10%.

В системе измерения колебаний обычно имеются фильтры для удаления шумов. Необходимо отметить, что использование фильтров приводит не только к сглаживанию колебаний, но и к изменению амплитуды возмущений. При фильтрации с низкой частой среза могут совсем исчезать нелинейные эффекты, связанные с наличием зазоров.

На фиг. 3-7 показаны примеры распределений параметров искажений портретов колебаний ξ по планеру объекта испытаний и его агрегатам. Здесь красным цветом выделяются области изделий с наибольшими, а синим цветом - с наименьшими искажениями.

На фиг. 4 планер самолета не показан. Необходимо отметить, что зазоры в руле высоты и триммере достаточно большие. Поскольку в конструкции планера возможны зазоры в других соединениях, то для их обнаружения построили распределения параметров искажений портретов колебаний ξ после исключения из анализа датчики на руле высоты и триммере. В результате был обнаружен люфт в соединении ручки управления с проводкой управления (фиг. 5).

Примеры визуализации зазоров в стыках агрегатов показаны на фиг. 6 (глобальное нормирование искажений на резонансных частотах вращений).

На фиг. 7 показаны распределения искажений портретов колебаний вертикального оперения самолета. Вертикальное оперение состоит из киля и руля направления, поэтому искажения колебаний оперения происходят как колебаниями киля, так и колебаниями руля (фиг. 1а, глобальное нормирование искажений). С помощью программного обеспечения был выделен киль: в передних болтовых соединениях киля с фюзеляжем обнаружены повышенные зазоры в поперечном направлении (фиг. 7b, локальное нормирование искажений).

В процессе создания космические аппараты (КА) подвергаются технологическим вибрационным испытаниям. Результаты испытаний используются для обеспечения вибрационной прочности КА, включая выявления производственно-технологических дефектов в их конструкциях. Особенностью вибрационной диагностики КА является то, что она производится в несколько этапов. На первом этапе осуществляют вибрационное нагружение с низкой интенсивностью. Основной задачей этого этапа являются проверка соответствия динамических характеристик КА проектным значениям. На втором этапе КА нагружают нормированным вибрационным воздействием, при котором могут появляться и развиваться такие дефекты, например, как нарушение межблочных связей за счет появления зазоров. Третий этап является повторением первого. По изменениям таких параметров вибраций, как резонансная частота и амплитуда колебаний, смещению частотного спектра, появлению высокочастотных составляющих в отклике КА определяют местоположения и характеры дефектов.

Ниже представлены результаты обнаружения дефектов по искажениям портретов колебаний применительно к конструкциям двух КА. На фиг. 8а показан пример конструктивно - компоновочной схемы КА открытого исполнения, который состоит из углепластикового цилиндра с закрепленными на нем плоскими сотовыми панелями. На панелях размещены агрегаты и оборудование КА (антенны, солнечные батареи и т.д.), а также астроплата с датчиками системы ориентации и стабилизации. На время испытаний КА устанавливается на адаптер, предназначенный для стыковки КА с ракетой-носителем.

На фиг. 8b показаны распределения искажений портретов колебаний по поверхности испытываемого КА: наибольшие искажения возникали вблизи узлов установки солнечных батарей, в которых имеются конструктивные зазоры.

На фиг. 9а представлена схема установки для вибрационных испытаний антенны другого КА, а на фиг. 9b - распределение искажений портретов колебаний рефлектора антенны. Точками на фиг. 9b отмечены места установки датчиков ускорений на поверхности рефлектора. Стрелкой обозначено местоположение дефекта: разрушение клеевого соединения одной из опор рефлектора с его каркасом, в результате чего возник зазор. Этому месту соответствуют и наибольшие искажения портретов колебаний.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и диагностики технического состояния изделий. При реализации способа на диагностируемое изделие устанавливают датчики ускорений. Путем использования одного или нескольких независимых источников вибраций создают вибрационные колебания в контролируемой конструкции. Вибрационный отклик конструкции, фиксируемый датчиками ускорений, представляют в виде портретов колебаний: вертикальные развертки производятся пропорционально сигналам датчиков ускорений, а горизонтальные - пропорционально первым гармоникам этих сигналов, сдвинутым по фазе на π/2. К развертке каждого портрета колебаний применяется преобразование Фурье. Из ряда Фурье вычитается первая гармоника, в остатке ряда определяется абсолютный максимум за период колебаний, величина этого максимума относится к амплитуде первой гармоники. Это отношение принимается за коэффициент искажений портрета колебаний и используется в качестве идентификационного признака зазоров в конструкции изделия. Технический результат заключается в повышении оперативности, достоверности и информативности в оценке наличия зазоров в сложных конструкциях, имеющих как условно неподвижные, так и подвижные соединения, определение местоположения и отслеживание процесса развития дефектов. 9 ил., 2 табл.

Способ вибрационного контроля зазоров в конструкциях изделий, включающий возбуждение собственных колебаний в контролируемом изделии, измерение параметров вибрационного отклика изделия с помощью установленных на нем акселерометров, отличающийся тем, что результаты измерений вибраций изделия представляются в виде портретов колебаний, вертикальные развертки которых производятся пропорционально сигналам датчиков ускорений, а горизонтальные - пропорционально первым гармоникам этих сигналов, сдвинутым по фазе на π/2, осуществляется преобразование Фурье применительно к каждому портрету колебаний, из ряда Фурье вычитается первая гармоника, в остатке ряда определяется абсолютный максимум за период колебаний, величина этого максимума относится к амплитуде первой гармоники, это отношение считается коэффициентом искажений портрета колебаний и используется в качестве идентификационного признака для обнаружения зазоров в конструкции изделия.