Патент на изобретение №2293304

(54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств изделий и может быть использовано для неразрушающего контроля качества деталей, преимущественно литых несущих деталей железнодорожного подвижного состава. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности неразрушающего контроля и достоверности определения несущей способности деталей при изготовлении и ремонте. Несколько эталонных деталей, в наиболее напряженной зоне которых имеются дефекты с предельно допускаемыми размерами, нагружают ступенчато, сначала в упругой, а затем в упругопластической областях деформирования с проведением акустико-эмиссионного контроля и измерением плотностей энергии шумов в зоне расположения дефектов и вычислением их средних значений на каждой ступени нагружения. Определяют среднее значение нагрузки, достигнутой при наибольшем прогибе, затем испытывают на выносливость и определяют число циклов до разрушения с доверительной вероятностью при нагрузке, превышающей предел выносливости базовых деталей. Статическое нагружение контролируемых деталей осуществляют аналогично эталонным деталям с определением плотностей энергии шумов в упругой и упругопластической областях деформирования, а также статической прочности, и при заданных условиях вычисляют усталостный параметр годности деталей.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств изделий и может быть использовано для неразрушающего контроля качества деталей, преимущественно литых несущих деталей железнодорожного подвижного состава, путем оценки усталостного параметра годности, характеризующего ожидаемый ресурс контролируемых деталей.

Известен способ акустико-эмиссионного контроля изделий, заключающийся в том, что на поверхности контролируемого объекта устанавливают приемники сигналов акустической эмиссии, принимают эти сигналы, возникающие при образовании трещины, регистрируют разность времен прихода сигнала на приемники относительно приемника, принявшего его первым, а также спектр сигнала и частоту, соответствующую минимальной составляющей последнего, по которым определяют местоположение трещины и глубину залегания (Пат. РФ №2006855, МКИ 5 G 01 N 29/14, Бюл. №2, 1994).

Недостатком данного способа является то, что он имеет большую продолжительность обработки сигналов акустической эмиссии и низкую достоверность идентификации дефектов и оценки технического состояния диагностируемой конструкции, т.к. операции, связанные с определением разности прихода сигнала акустической эмиссии на приемники и спектральных характеристик акустических сигналов, выполняются не одновременно, а последовательно. Последнее обстоятельство не позволяет проводить экспресс-анализ результатов контроля в ходе испытаний в реальном времени. Кроме этого, данный способ не дает исчерпывающей характеристики несущей способности деталей, т.к. осуществляется в области упругих деформаций.

Однако этот способ имеет существенный недостаток, обусловленный определением усталостного параметра годности по параметру упругопластического деформирования без учета влияния вероятных дефектов в наиболее напряженных зонах.

Целью изобретения является повышение эффективности неразрушающего контроля и достоверности определения несущей способности деталей при изготовлении и ремонте.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что несколько эталонных деталей, в наиболее напряженных зонах которых имеются дефекты с предельно допускаемыми размерами, подвергают статическому нагружению за пределом упругости, измеряют параметр ее упругопластического деформирования, по величине которого, аналогично эталонным, нагружают контролируемые детали и вычисляют их усталостный параметр годности. Эталонные детали нагружают ступенчато сначала в упругой, а затем в упругопластической областях деформирования с проведением акустико-эмиссионного контроля, измеряют плотности энергии шумов в зонах расположения дефектов, вычисляют их средние значения на каждой ступени нагружения и определяют среднее значение нагрузки , достигнутой при наибольшем прогибе, затем испытывают на выносливость и определяют с доверительной вероятностью число циклов до разрушения (N_э,) при нагрузке, превышающей предел выносливости базовых деталей, а статическое нагружение контролируемых деталей осуществляют аналогично эталонным деталям с определением плотности энергии шумов в упругой и упругопластической областях деформирования, а также статической прочности Q_к, и при условии, что а отношение вычисляют усталостный параметр годности контролируемых деталей, за который принимается ожидаемый ресурс Т_к, по выражению:

где Т_б – ресурс базовых деталей без упругопластического деформирования по данным их эксплуатации; m – показатель степени кривой усталости базовых деталей; N_б, – вероятное значение долговечности базовых деталей при том же режиме испытаний, что и при испытаниях эталонных деталей; ₁ и ₂ – доли отказов базовых деталей в эксплуатации, соответственно, по зонам, подвергаемым воздействию упругопластических деформаций, и по остальным зонам.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

– статическое ступенчатое нагружение нескольких эталонных деталей в упругой и упругопластической областях деформирования с проведением на каждой ступени акустико-эмиссионного контроля, измерением плотности энергии шумов в зонах расположения дефектов и вычислением их средних значений соответственно,

– статическое ступенчатое нагружение контролируемых деталей с акустико-эмиссионным контролем аналогично эталонным деталям и определением плотности энергии шумов, соответственно,

– предельное значение параметра

– определение усталостного параметра годности контролируемой детали по выражению

Существенность отличительных признаков изобретения подтверждается следующим.

Ступенчатое статическое нагружение эталонных и контролируемых деталей в упругой и упругопластической областях деформирования позволяет при их акустико-эмиссионном контроле повысить достоверность определения степени опасности дефектов вследствие существенного изменения плотности энергии шумов при переходе в другую область деформирования.

Необходимость использования нескольких эталонных деталей диктуется величиной доверительной вероятности, с которой определяются значения параметров акустико-эмиссионного контроля, а также значений их статической прочности и усталостной долговечности, варьируемой в зависимости от влияния имеющихся в наиболее напряженных зонах дефектов с предельно допускаемыми размерами. При этом опасность дефектов зависит от концентрации напряжений в зоне их расположения и свойств металла в упругой и упругопластической областях деформирования, и чем опасней дефект, тем выше локализация пластической деформации у концентратора в упругопластической области деформирования, а следовательно, и значительнее изменение плотности энергии шумов.

Измерение плотности энергии шумов в зонах расположения предельно допускаемых дефектов у эталонных деталей позволяет судить при их сравнении с максимальными показателями, зарегистрированными при нагружении контролируемых деталей, о степени опасности дефектов, имеющихся в последних.

Количественной характеристикой опасности дефекта по результатам акустико-эмиссионного контроля детали принято отношение плотностей энергии шумов в упругопластической и упругой областях деформирования которое не должно превышать 3,5. Данный норматив принимается исходя из пропорциональной зависимости плотности энергии шумов при акустико-эмиссионном контроле от напряженного состояния у дефекта, характеризуемого теоретическим коэффициентом концентрации напряжений

Выражение

Перед нагружением эталонных и контролируемых деталей, например как показано на чертеже надрессорных балок тележек 1, на них устанавливаются пьезоэлектрические преобразователи 2, 3, 4 и 5, образующие пьезоантенну, которые подключают к акустико-эмиссионной системе 6, осуществляющей прием, усиление и оцифровку сигналов акустической эмиссии 7. Вначале проверяется правильность установки акустических преобразователей 2, 3, 4 и 5, после чего производится тестирование конструкции эталонной детали, заключающееся в измерении скорости звука. К одному из акустических преобразователей, например 2, подключают имитатор сигналов акустической эмиссии, который выдает короткий импульс. При этом акустический преобразователь, подключенный к имитатору 7, осуществляет преобразование электрического импульса в акустический сигнал, который распространяется по конструкции 1 и принимается остальными акустическими преобразователями 3, 4 и 5. Акустико-эмиссионная система 6 измеряет время распространения акустического сигнала в детали и вычисляет скорость акустического сигнала в детали, сигнала как

где а – расстояние от акустического преобразователя, работающего в режиме излучения, до акустического преобразователя, работающего в режиме приема, t – время распространения акустического сигнала между этими преобразователями.

Для определения спектральных характеристик сигналов акустической эмиссии необходимо иметь полный оцифрованный сигнал. Используя быстрое преобразование Фурье, сигнал акустической эмиссии представляется в виде

где f(х) – искомая функция, известная в дискретной системе точек;

x_к=KL/N; К=0,1…(N-1); 0xL – интервал представления функции L, равный 0,1…n; В=В_n=0.

Сигнал f(x) представляется формулой

где N – число точек преобразования; A_i, B_i – коэффициенты преобразования Фурье.

Суммарная энергия Е составляющих сигнала акустической эмиссии находится из соотношения

где а_i – максимальная амплитуда акустико-эмиссионного сигнала.

Несколько эталонных балок (не менее трех), в нижнем поясе каждой из которых выполнено не менее 3-х искусственно внесенных трещиновидных дефектов длиной 10 мм и глубиной 5 мм, с установленными на концевых частях верхнего пояса акустическими преобразователями по схеме, показанной на чертеже, нагружают ступенчато, сначала в упругой области деформирования усилием 700 кН, при котором измеряют плотность энергии шумов и вычисляют их среднее значение затем, также как в техническом решении, принятом за прототип (пат. РФ №1796985, МКИ 6 G 01 N 3/32, Бюл. №7, 1993 г.), нагружают до заданной величины наибольшего прогиба, соответствующего условию появления в зоне расположения дефекта относительных остаточных деформаций в пределах 0,1÷0,3%, повторно измеряют плотность энергии шумов и вычисляют среднее значение регистрируют величины наибольших нагрузок и вычисляют их среднее значение . Контролируемые детали нагружают аналогично эталонным деталям с определением величин . Если у контролируемой детали выполняется условие а отношение то по полученным при усталостных испытаниях значениям долговечностей эталонных N_э и базовых N_б деталей и известным из эксплуатации значениям ₁ и ₂ вычисляют ожидаемый ресурс контролируемой детали Т_к, принимаемый за усталостный параметр годности, по выражению:

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля качества деталей, при котором несколько эталонных деталей, в наиболее напряженных зонах которых имеются дефекты с предельно допускаемыми размерами, подвергают статическому нагружению за пределом упругости, измеряют параметр ее упругопластического деформирования, по величине которого аналогично эталонным нагружают контролируемые детали и вычисляют их усталостный параметр годности, отличающийся тем, что эталонные детали нагружают ступенчато, сначала в упругой, а затем в упругопластической областях деформирования с проведением акустико-эмиссионного контроля, измеряют плотности энергии шумов в зонах расположения дефектов, вычисляют их средние значения на каждой ступени нагружения и определяют среднее значение нагрузки достигнутой при наибольшем прогибе, затем испытывают на выносливость и определяют с доверительной вероятностью число циклов до разрушения (N_э,) нагрузке, превышающей предел выносливости базовых деталей, а статическое нагружение контролируемых деталей осуществляют аналогично эталонным деталям с определением плотности энергии шумов в упругой и упругопластической областях деформирования, а также статической прочности Q_к, и при условии, что , а отношение вычисляют усталостный параметр годности контролируемых деталей, за который принимается ожидаемый ресурс Т_к по выражению:

где Т_б – ресурс базовых деталей без упругопластического деформирования по данным их эксплуатации;

m – показатель степени кривой усталости базовых деталей;

N_б, – вероятное значение долговечности базовых деталей при том же режиме испытаний, что и при испытаниях эталонных деталей;

₁ и ₂ – доли отказов базовых деталей в эксплуатации соответственно по зонам, подвергаемым воздействию упругопластических деформаций, и по остальным зонам.

РИСУНКИ