Анализ дискриминантных признаков трещины при акустической диагностике неоднородных деталей Текст научной статьи по специальности «Физика»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип.№ 17

УДК 620.178.15

Вовк Л.П.1, Писанец A.A.2

АНАЛИЗ ДНСКРИМИНАНТНЫХ ПРИЗНАКОВ ТРЕЩИНЫ ПРИ АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ НЕОДНОРОДНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Рассматриваются результаты решения задачи определения кинематических характеристик структурно-неоднородного материала поршневого пальца при тарированном ударном воздействии. Экспериментально и численно изучена эволюция нестационарного сигнала, который распространяется при ударе. Сравнительный анализ полученных амплитудно-временных характеристик позволяет сделать вывод о качестве боковой поверхности детали.

Оценка качества структурно-неоднородных деталей машин тесно связана с решением задач нелинейной акустики структурно-неоднородных сред, которая в настоящее время является быстро развивающимся разделом физической акустики, связанного с изучением сред неоднородной микроструктуры и разработкой высокочувствительных методов неразрушающего контроля. В частности, неоднородный по толщине материал поршневого пальца (1111) двигателя внутреннего сгорания из-за присутствия в нем таких структурных особенностей, как микротрещины и трещиноподобные дефекты, межзеренные границы и контакты [1], приобретает ярко выраженные нелинейные акустические свойства. Несмотря на актуальность, проблема правильного снятия акустических характеристик таких деталей при возбуждении в них волновых полей, их цифровой обработки и сравнения полученных данных с эталонными, исследована сравнительно мало [2, 3].

В работах [4, 5] предложены методы анализа нестационарных сигналов во временной, частотной, частотно-временной и масштабно-временной областях, адаптированные к применению для решения задач диагностики наличия трещин в деталях машин. Среди рассмотренных диагностических признаков особое внимание целесообразно уделить безразмерным параметрам виброакустических сигналов - так называемым, «безразмерным амплитудным дискриминантам» [6]. Дело в том, что диагностические признаки, связанные с абсолютными значениями характеристик измеряемых сигналов зачастую не являются инвариантными и зависят от значительного числа факторов, изменяющих их величины при неизменном состоянии объекта диагностики. Дискриминантные же признаки лишены этого недостатка. В работах [6, 7] проведено исследование эффективности использования в качестве признаков малой трещины в деталях машин безразмерных амплитудных дискриминант, определяемых, как

S = 1,2,3,4. (1)

В выражении (1) хп, хт - средние значения амплитуды виброакустического сигнала х(/) с одномерной плотностью вероятности его мгновенных значений /;(/), которые определяются как корень степени п (или да) из момента того же порядка:

-il/а

J*|x|а p(x)dx

а =п, т. (2)

Для четырех различных сочетаний значений и и да в формуле (2) определяются [7] следующие безразмерные амплитудные дискриминанты: коэффициент формы (п = 2; да = 1),

1 ДонНТУ, д-р техн. наук, профессор

2 ДонИАТ, ст. преп.

коэффициент вероятности (и —» оо; да = 2), коэффициент импульсности (п —> оо; да = 1) и коэффициент фона У4 (п —» со; да = 0,5).

Цель данной работы - численное и экспериментальное определение поля перемещений, скоростей и ускорений 1111 с учетом его неоднородности по толщине с последующей обработкой акустических сигналов для диагностики качества боковой поверхности детали. В качестве источника волнового поля с известными амплитудно-временной и амплитудно-частотной характеристиками принято тарированное ударное воздействие. Измерение реакции детали производится в контрольных точках на различных расстояниях от области контакта на поверхности 1111 в направлении, параллельном его оси. По данным амплитудно-временных характеристик (АВХ) вертикальной составляющей ускорений производится вычисление АВХ скоростей, перемещений, количественных характеристик волнового поля. На основании анализа безразмерных амплитудных дискриминант в различных контрольных точках, исходя из характера изменения экстремумов спектральных характеристик, продолжительностей сигналов откликов, а также коэффициентов затухания по значениям амплитуд ускорений и перемещений оценивается состояние детали с точки зрения наличия на ней дефектов.

В рамках метода конечных элементов построена геометрическая модель 1111 с разбиениями на конечные элементы и граничными условиями. В декартовой системе координат ось X направлена вдоль оси поршневого пальца (вдоль образующей), У - по радиусу вверх. Один из торцов закреплен в направлении оси X. На палец сверху вертикально вниз посередине действует импульс силы длительностью 0,6 мс вызывающий максимальное смещение в соответствующем узле величиной 10 мкм. Материал 1111 - сталь 45, подвергнутая цементации с последующей закалкой током высокой частоты, /■,',„,=2.05е+11 Па, упп=0.3.

Интегрирование нелинейных уравнений движения системы конечных элементов проводилось по схеме Ньюмарка, основанной на предположении о линейном изменении ускорения в пределах £ / А/. Первоначальный шаг интегрирования выбирался равным А(=0,25 мс. Дальнейшее приращение по времени в программе выбиралось автоматически в зависимости от критериев сходимости, величины полного приращения пластической деформации на данном шаге, количества итераций, необходимых для достижения заданной точности. Результаты численного решения динамической задачи получены в виде полей напряжений, деформаций и перемещений элементов модели, а также графиков кинематических характеристик 1111.

Представленная модель была максимально близко построена в натуре. Для реализации консольного закрепления поршневого пальца использовали постоянный магнит, прикрепленный к массивному предмету. В точке снятия характеристик был приклеен пьезокерамический датчик, позволяющий регистрировать в ней ускорение. Показания с датчика снимали и передавали в ЭВМ при помощи аналогово-цифрового преобразователя и подвергали дальнейшей обработке (интегрированию для получения зависимостей скорости и перемещения от времени). Импульсное воздействие согласно построенной модели производили при помощи шарика массой 11 г, сброшенного по направляющей трубке подходящего диаметра вертикально вниз. В результате эксперимента были получены амплитудно-временные зависимости для смещения, скорости и ускорения в исследуемой точке.

Полученные графики использовались в качестве эталонных для диагностики наличия дефектов на поверхности 1111 при их поточном экспресс-анализе. С этой целью исследовались бездефектный 1111, а также 1111 с концентратором дефекта (трещиной на свободном боковом торце). Трещина в цилиндре имеет пространственную форму (эллиптическую), на поперечном срезе она наклонена под углом примерно 45 . Выбор такой ориентации дефекта связан с результатами проведенных металлографических исследований поверхности [1].

Контрольные показания значений ускорений снимались для бездефектной детали и детали с дефектом на различных расстояниях от точки приложения ударного воздействия и от области расположения дефекта. Это позволило определить области измерений, в которых диагностирование наличия дефекта наиболее выразительно. На рис. 1 показаны АВХ бездефектного 1111 и 1111 с дефектом, измеренные вблизи области расположения дефекта (значения глобальной координаты Хотсчитываются от закрепленного торца 1111).

Сравнительный анализ расположения пунктирной и сплошной кривой на рис.1 практически исключает возможность диагностирования наличия дефекта непосредственно по

взаимному расположению АВХ. Тем более, по данным анализа АВХ, снятых на достаточном удалении от области расположения дефекта (при х=30 мм, 35 мм и т.д.), можно сделать вывод о еще более близком расположении пунктирной и сплошной кривой на АВХ. Обратимся поэтому к численной обработке получаемых сигналов.

Время, мс

Время, мс

Время, мс

Рис. 1 - Кинематические характеристики 1111 с координатой х=60 мм (----1111 с трещиной,--------бездефектный 1111)

Большинство сигналов, генерируемых исследуемой сложной динамической системой, являются полимодальными сигналами, поэтому их динамический анализ базируется на разработке процедур позволяющих снижать модальность сложного сигнала путём выделения наиболее существенных мод, число которых определяет динамическую размерность процесса. Для таких мод в соответствии с формулой (2) рассчитывались средние значения амплитуд ускорений на выбранном участке анализа длительностью А^ = 2 мс. Это обеспечило N = 1000 точек отсчета на указанном временном интервале. Для четырех сочетаний параметров п и т в формуле (2), указанных выше, имеем

ха ~

1

N

—У

1 /а

а = п, т.

(3)

После этого вычислялись безразмерные амплитудные дискриминанты (1).

Для проведения сравнительного анализа чувствительности исследуемых признаков к наличию дефекта дискриминанты были определены для выделенных на рис. 1 временных интервалов измеренного акустического сигнала, не подвергавшегося предварительной обработке. В результате проведенного анализа диагностической информации определены

значения Js , которые по всей совокупности выделенных выборок для различных точек снятия характеристик находятся в следующих пределах:

• ./, е (1,412; 2,775), J2 е (1,970; 4,437), J3 е (2,612; 9,742), ./4 е (3,073; 29,03б)

для ПП без дефекта;

• ./, е (1,009; 2,501), Л е (1,703; 4,104), 73 е (2,392; 7,958), У4 е (2,591; 20,461)

для ПП с концентратором дефекта.

Следует отметить, что максимальные значения признаков для выделенной части сигнала наблюдаются при обработке информации, которая характеризует нестационарные волновые движения вблизи свободного торца ПП, где как раз и моделируется трещина в дефектной детали. При обработке данных, соответствующих АВХ в точках, близких к закрепленной части ГШ, значения признаков стремятся к минимальным значениям в указанных диапазонах их изменения. Такая тенденция характерна для всех признаков. Влияние дефекта проявляется в изменении (а именно в уменьшении) значения каждого признака. Кроме того, численные эксперименты показали, что характер изменения существенно зависит как от режима вибрационного возбуждения, так и от расстояния с! между точкой приложения нагрузки и областью расположения дефекта.

Чувствительность диагностических признаков к наличию дефекта целесообразно проанализировать по значению относительной скорости изменения признака при переходе от бездефектного состояния объекта к дефектному [8]:

(4)

где и - значения безразмерных амплитудных дискриминант при отсутствии и

наличии дефекта соответственно.

Результаты расчетов относительных скоростей изменения признаков в процентах для различных расстояний с1 приведены в виде диаграмм на рис. 2. При этом дефект во всех ПП моделировался одних размеров, ориентации и месторасположения. В качестве расчетной модели был выбран ПП 406.1004020-01 для двигателей марок ЗМЗ-4061.10, ЗМЗ-4062.10 и ЗМЗ-4063.10.

20

16

£

т

12

> 8

□ Л С Л

□ 13

□ 14

с! = 55 мм

<3 = 45 мм

<3 = 25 мм

<3 = 10 мм

Рис. 2 - Значения относительных скоростей изменения признаков ((1 - расстояние между областью приложения нагрузки и дефектом)

Проведенные исследования показали, что наиболее чувствительны к наличию дефекта коэффициенты импульсности ,/, и фона ./4 . В несколько меньшей степени информативен

коэффициент вероятности ./-, . Величины 1'(./л,). при 5 = 2,3,4, вычисляемые по формуле (4), в достаточной близости от дефекта существенно велики, что может служить признаком наличия

дефекта. Коэффициент формы Jx содержит в числителе среднеквадратическую амплитуду. Это увеличивает зависимость составляющих анализируемого нестационарного процесса, имеющих большую относительную колебательную энергию. Поэтому чувствительность этого признака к изменению составляющих с малой колебательной энергией, наличие которых и обуславливается появлением дефекта, достаточно низка.

Помимо перечисленных параметров интерес в ходе анализа сигналов откликов представляют различного рода интегральные характеристики [9]. Однако анализ относительных скоростей изменения этих показателей указывает, во-первых, на их незначительное изменение порядка 7 - 8 % и, во-вторых, на достаточно сильную зависимость от условий проведения испытаний, что не позволяет ограничиться при акустодиагностике только этими параметрами.

Выводы

1. Разработанный метод анализа дискриминантных признаков трещины при акустичесеой диагностике неоднородных деталей отличается независимостью от изменений амплитудных характеристик сигналов, что позволяет использовать его для контроля над первоначальными изменениями дефектов на стадии их зарождения.

2. Анализ АВХ в различных контрольных точках на поверхности 1111 показывает, что наиболее информативным является построение графиков временных зависимостей ускорений. Различие в этих кривых для дефектной и бездефектной детали начинает проявляться не сразу, а только по истечении некоторого времени (при рассмотренных это время составляет не менее 2 мс).

3. Из дискриминантных признаков трещины наиболее предпочтительно исследовать относительные скорости изменения коэффициентов фона, импульсности и вероятности. Использование же только интегральных характеристик АВХ не достаточно.

Перечень ссылок

1. Вовк Л. П. Применение акустического метода свободных колебаний к диагностике технологически неоднородных деталей / Л.П. Вовк // Известия вузов. Северо-Кавк. регион. Технические науки. - 2004. - №3. - С. 55 - 58.

2. Вовк Л. П. Застосування акустичного методу вшьних коливань до анал1зу якосп поршневих пальщв I Л.П. Вовк // Вюник Тсхнолопчного ушверситету Подшля. Техшчш науки. - 2004. -№5.-С. 85 - 89.

3. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов / Ф.Я. Балицкий., М.А. Иванова, А.Г. Соколова, Е.И. Хомяков - М.: Наука, 1984. - 119 с.

4. Бурау Н.И. О новых направлениях в развитии виброакустических методов диагностики прочностных дефектов в лопатках газотурбинных двигателей / Н.И. Бурау. // Вибр. в техн. и технол. - 2001. - №4(20). - С. 45 - 48.

5. Генкин М.Д. Виброакустическая диагностика машин и механизмов / М.Д. Генкин, А.Г. Соколова - М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.

6. Бурау H.I. Видшення д1агностичних ознак початкових мщнюних дефекпв в елементах машин i мехашзм1в / H.I. Бурау, Ю.В. Соптка II Наук, bîctî НТУУ "КГП". - 2002. - №5. - С. 54- 58.

7. Бурау Н.И. Повышение чувствительности дискриминантных признаков трещины в задачах виброакустической диагностики элементов роторных систем / Н.И. Бурау, Ю.В. Сопилка II Акуст. Вюн. - 2003. - Т.6. - №3. - С. 10 - 17.

8. 8.Лобов Д.В. Параметры состояния дорожных конструкций I Д.В. Лобов II Дальний Восток: Автомобильные дороги и безопасность движения: Региональный ежегодный сборник научных трудов. Выпуск 4. - Хабаровск: Изд. ХГТУ, 2004. - С. 43 - 54.

9. 9.Оксенъ Е.И. Особенности акустических параметров двигателя ВАЗ 2103 / Е.И. Оксенъ, А.В Гарачук., В.В. Быков II Bîctî Автомобшьно-дорожнього шституту: Науково-виробничий зб!рник / АД1 ДонНТУ. - Гор.ивка. 2006. - №1(2). - С. 59 - 64.

Рецензент Е.И. Оксень

д-р техн. наук, проф., АДИ ДонНТУ Статья поступила 2.04.2007