Патент на изобретение №2352931

(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ И ДЕТАЛЕЙ

(57) Реферат:

Использование: для диагностики повреждений конструкций и деталей. Сущность заключается в том, что создают и регистрируют сигналы акустической эмиссии (АЭ), измеряют временные задержки прихода сигналов к трем приемникам, размещенным в вершинах равностороннего треугольника и имеющим акустический контакт с конструкцией (деталью), после чего на основании измеренных задержек прихода сигналов акустической эмиссии (АЭ) определяют область вероятного местоположения повреждения конструкции (детали). Технический результат: повышение точности и оперативности определения местоположения повреждения конструкции и деталей при изготовлении и эксплуатации. 3 ил.

Способ предназначен для диагностики повреждений в конструкциях и деталях. Сущность способа: регистрация импульсов акустической эмиссии и измерение временных задержек прихода сигналов к трем приемникам, размещенным в вершинах равностороннего треугольника и контактирующим с конструкцией. В способе предусмотрена нагрузка конструкции (детали) до появления акустической эмиссии (АЭ) и определения координат очага повреждения конструкции в прямоугольной системе координат.

Предназначаемое изобретение относится к машиностроению, в частности предназначено для определения местоположения происходящих повреждений в конструкциях и деталях.

Решение проблемы диагностики повреждений в предлагаемом изобретении основано на теореме о проекциях сторон равностороннего треугольника на прямую, вращающуюся вокруг центра равностороннего треугольника (Фиг.1), которая читается так: «Если некоторая прямая UV, первоначально совпадающая с биссектрисой АД равностороннего треугольника АВС со стороной l, вращается против часовой стрелки в плоскости треугольника вокруг его центра О, то проекции S₁, S₂, S₃ сторон треугольника на эту прямую изменяются по закону синуса, т.е.

В соответствии с теоремой временные задержки t₁, t₂, t₃ прихода фронта сигнала акустической эмиссии в вершины треугольника будут изменяться аналогично проекциям сторон треугольника (Фиг.2)

,

где l – линейные размеры стороны треугольника,

– скорость распространения звука в среде,

– угол (направление) на источник излучения сигнала.

T=l/ – время прохождения звука в среде на расстоянии, равном l.

Таким образом, если измерены временные задержки, то определяется однозначно по формулам:

.

Известен способ диагностики повреждений конструкции и деталей /Р.Коллакот. Диагностика повреждений. – Изд. M.: МИР, 1989, с.103-112/, заключающийся в том, что используют 4-канальный прибор фирмы «Брюль и Къер», устанавливают 4 приемника, заключая контролируемую площадь внутрь прямоугольника, ограниченного АЭ-приемниками, измеряют временные задержки по принципу: сигнал АЭ, поступивший на любой приемник, отпирает счетчики трех остальных каналов, на входы которых подаются тактовые импульсы. Поступление сигнала АЭ в любой из остальных трех каналов запирает соответствующий счетчик. Полученный отсчет дает запаздывание АЭ-импульса в этом канале по отношению к первому из поступивших. Соотношение между тремя запаздываниями позволяет определить область образца, в которой вероятнее всего находится источник сигнал АЭ. Затем эта область образца обрабатывается другими контрольными приборами.

Основными недостатками способа являются:

– он не может определять координаты источника АЭ-сигналов, а только область, в которой повреждение может находиться;

– низкая точность определения области нахождения повреждения в толстых деталях (листах проката),

– низкая оперативность из-за сложности и длительности использования программы обработки.

Цель – повышение точности и оперативности определения местоположения повреждения конструкции и деталей при изготовлении и эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что способ диагностики повреждений заключается в использовании 3-канального прибора и установке на конструкции приемников акустической эмиссии (АЭ). При нагрузке фиксируют сигналы АЭ с помощью трех приемников, установленных в вершинах равностороннего треугольника, имеющих акустический контакт с конструкцией (деталью), сторона треугольника не более 100 мм, измеряют временные задержки прихода сигнала АЭ в вершины треугольника из окружающей среды конструкции, определяют по временным задержкам направление из центра треугольника на источник излучения АЭ-сигнала, учитывают наибольшую плотность одинаковых направлений сигналов АЭ, определяют угол между направлением на источник и плоскостью размещения равностороннего треугольника, переносят треугольник с АЭ-приемниками в другую точку конструкции и выполняют те же действия, что были выполнены для первой точки размещения треугольника, определяют точку пересечения направлений из обеих точек, анализируют информацию измерений и делают выводы.

Для конструкций и деталей, толщина которых меньше 10 мм, способ реализуется следующими действиями: определяют скорость распространения акустических сигналов в среде, устанавливают на конструкции равносторонний треугольник со стороной l (размер не более 100 мм), в вершинах которого размещены приемники сигналов АЭ, нагружают конструкцию (деталь) до появления сигналов АЭ, измеряют временные задержки t₁, t₂, t₃ прихода сигнала к приемникам, которые на основании теоремы отвечают формулам (2)

, , ,

определяют угол ₁ – направление на источник повреждения с первой точки установки треугольника с учетом наибольшей плотности сигналов с данного направления по формуле ₁=arcsin(t₂/Т), устанавливают треугольник во вторую точку на конструкции, измеряют расстояние L между центрами треугольников первой и второй точками, измеряют временные задержки прихода сигнала к приемникам второй точки, определяют угол ₂ – направление на источник повреждения со второй точки с учетом наибольшей плотности сигналов с данного направления ₁=arcsin(t₂/T), берут значения направлений на источник излучения из первой точки и второй точки, определяют точку пересечения направлений – местоположение повреждения конструкции (детали), определяют по данным первой точки для плоскости размещения треугольника поверхностную точку и расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле

где ₁ – угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,

₂ – угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек, принимают решение о пригодности конструкции по факту.

При диагностике объемных конструкций (деталей) и листов проката толщиной более 10 мм имеют место заглубленные очаги повреждений, которые не лежат в плоскости равностороннего треугольника. Для проверки, где находится очаг повреждения, необходимо вычислить по измеренным малой и малой (средней) задержкам углы, если значения углов равны, то повреждение находится в той же плоскости, что и треугольник. Направление на заглубленное повреждение из центра треугольника в описании обозначают углом . При увеличении угла между плоскостью размещения треугольника и направлением на точку повреждения детали измеренные временные задержки уменьшаются пропорционально своим величинам, соответствующим нахождению повреждения в плоскости треугольника, но уменьшение одной малой временной задержки влечет увеличение угла ₂, а уменьшение другой малой (средней) временной задержки влечет уменьшение угла ₃ на такую же величину, следовательно, истинная величина угла в плоскости треугольника определяется по формуле

С учетом этого операции определения местонахождения повреждения будут следующие:

используют второй вариант, в котором вычисленные значения _t2 и _t3 отличаются более чем на 2°, определяют точный угол направления на эпицентр разрушения по формуле

определяют – величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник, по формуле:

определяют – угол на очаг повреждения из первой точки по формуле:

устанавливают треугольник во второй точке на конструкции (детали),

измеряют L – расстояние между первой и второй точками регистрации сигналов АЭ,

измеряют во второй точке временные задержки прихода сигнала к приемникам t₂ и

t₃,

определяют – точный угол направления на эпицентр разрушения из второй точки по формуле (6),

определяют величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник (вторая точка) по формуле (7),

определяют угол на очаг разрушения из второй точки по формуле (8),

берут значения угла для первой точки и для второй точки и определяют точку пересечения направлений из двух точек,

определяют расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле

где ₁ – угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,

₂ – угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек.

Работа предлагаемого способа (Фиг.3). Появившийся АЭ-сигнал распространяется в конструкции, достигает ближнего к очагу приемника первого канала, его счетчик начинает считать тактовые импульсы, АЭ-сигнал продвигается и достигает приемника второго канала и счетчик второго канала начинает считать тактовые импульсы, АЭ-сигнал достигает приемника третьего (дальнего от очага) канала, при этом счет тактовых импульсов во всех каналах прерывается. В результате измерены временные задержки t₁ и t₂, а третья временная задержка может быть вычислена по формуле: t₃=t₁-t₂, так как приемники установлены в вершинах равностороннего треугольника, то временные задержки пропорциональны проекциям сторон треугольника на прямую, проходящую через источник и центр треугольника. Далее по формулам для временных задержек определяют угол на очаг повреждения. На Фиг.3 представлена схема устройства, реализующая способ. Схема содержит три канала приема. Каждый канал состоит из последовательно соединенных: приемника – 1, усилителя – 2, компаратора – 3, триггера – 4 и счетчика – 5, мультиплексор – 8, подключенный к выходам счетчиков 5 и к входу ЭВМ9.

Схема работает следующим образом. Предположим, с направления А сигнал достигает приемника 1 среднего канала, усиливается усилителем 2 и поступает на компаратор 3. Если сигнал по уровню больше порога срабатывания компаратора 3, то он проходит и опрокидывает триггер 4, при этом включается счетчик 5, одновременно с триггера 4 сигнал подается на схему 6 совпадения. Счетчик начинает считать импульсы, поступающие с генератора 7. Через некоторое время сигнал достигает второго приемника 1 (левый канал). При этом в левом канале, как и предыдущем случае, срабатывают аналогичные элементы и счетчик 5 левого канала тоже начинает считать импульсы, поступающие с генератора 7. С приходом сигнала к третьему приемнику 1 срабатывают все элементы этого канала. При срабатывании триггера 4 этого канала на выходе схемы 6 совпадения одновременно присутствуют три сигнала, схема 6 совпадения срабатывает. При этом от ее выходного сигнала триггеры возвращаются в исходное состояние, счетчики 5 прекращают считать сигналы, а ЭВМ 9 через мультиплексор 8 считывают показания (временные задержки) счетчиков 5, вычисляет направление на источник сейсмических колебаний и запоминает результат.

Формула изобретения

Способ диагностики повреждений конструкции и деталей, включающий информацию о скорости () распространения акустических сигналов (АЭ) в среде, установку приемников сигналов на конструкции (детали), нагружение конструкции до появления акустической эмиссии (АЭ), прием акустических сигналов, измерение отрезка каждой временной задержки прихода сигнала к приемникам, по которым определяют область вероятного местоположения повреждения конструкции (детали), отличающийся тем, что устанавливают на конструкции равносторонний треугольник со стороной l длиной не более 100 мм, в вершинах которого размещены приемники сигналов АЭ, при этом скорость распространения звука в треугольнике меньше скорости звука в конструкции, измеряют временные задержки t₁, t₂, t₃ прихода сигнала от источника АЭ к приемникам, при этом задержки пропорциональны проекциям сторон треугольника на нормаль к фронту сигнала АЭ, проходящей через центр треугольника, и отвечают формулам
, , ,
где – угол между началом отсчета (биссектриса угла А) и направлением на источник сигнала АЭ,
определяют (грубо) местоположение повреждения относительно плоскости, в которой установлен треугольник, если вычисленные значения углов для двух малых временных задержек равны или отличаются не более чем на 2°, то принимают, что повреждение и треугольник расположены в одной плоскости, определяют угол ₁ – направление на источник повреждения с первой точки установки треугольника по любой из формул временных задержек t₁, t₂, t₃, например, ₁=arcsin(t₂/T),
где T=l/ – время прохождения звука в конструкции (детали) на расстоянии равном 1,
устанавливают треугольник во второй точке на конструкции (детали), измеряют расстояние между центрами треугольников первой и второй точек, измеряют во второй точке временные задержки прихода сигнала к приемникам, определяют угол ₂ – направление на источник повреждения со второй точки, берут значения направлений на источник излучения из первой точки и второй точки, определяют точку пересечения направлений – местонахождение повреждения конструкции (детали), определяют угол на очаг разрушения из второй точки по формуле , берут значения угла для первой точки и для второй точки и определяют точку пересечения направлений из двух точек, определяют расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле
S=Lsin₂/[sin(180-₁–₂)],
где ₁ – угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,
₂ – угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек, принимают решение о пригодности конструкции (детали),
рассматривают, при необходимости, второй вариант, в котором вычисленные значения _t2 и _t3 отличаются более чем на 2°, определяют точный угол направления на эпицентр разрушения по формуле
=(_t2+_t3)/2,
определяют величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник, по формуле
,
определяют угол на очаг разрушения из первой точки по формуле
,
устанавливают треугольник во второй точке на конструкции (детали), измеряют L – расстояние между первой и второй точками регистрации АЭ, измеряют во второй точке временные задержки прихода сигнала к приемникам t₂ и t₃, определяют – точный угол направления на эпицентр разрушения из второй точки по формуле
=(_t2+_t3)/2,
определяют величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник (вторая точка) по формуле
,
определяют угол на очаг разрушения из второй точки по формуле
,
берут значения угла для первой точки и для второй точки и определяют точку пересечения направлений из двух точек, определяют расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле
S=Lsin₂/[sin(180-₁–₂)],
где ₁ – угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,
₂ – угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек.

РИСУНКИ