CC BY
0УДК 620.179.17
© И. И. Лаптева, Л. Г. Вайнер, Н. А. Усанов, 2021
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ СИГНАЛОВ
Лаптева И. И. - магистрант кафедры «Транспортно -технологические комплексы», тел.: (4212) 40-76-65, e-mail: irinlapteva@mail.ru (ДВГУПС); Вайнер Л. Г. - д-р техн. наук, проф. кафедры «Двигатели внутреннего сгорания», тел.: (4212) 22-43-83, e-mail: lgvainer@mail.ru; Усанов Н. А. - студент, e-mail: 2019104486@pnu.edu.ru (ТОГУ)
Дано описание усовершенствованного метода измерения энергии импульсных сигналов акустической эмиссии в широком динамическом диапазоне при произвольном расположении датчиков в локационной ячейке. Приведен пример автоматизированного определения координат источника акустических сигналов при нагружении боковой рамы вагонной тележки с использованием специально разработанного программного обеспечения.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, дефектоскопия, импульсный сигнал, пороговые уровни, координаты источника.
Введение
Одними из основных методов диагностики состояний деталей машин, свойств материалов и технологических процессов в реальных производственных условиях являются методы, основанные на измерении виброакустических сигналов [1-5].
В практической акустико-эмиссионной дефектоскопии деталей реальных объектов железнодорожной техники измерение и определение параметров акустической эмиссии (АЭ), таких как энергия и амплитуда принимаемых импульсов, координаты источников АЭ сигналов, осложняется относительно низкими уровнями полезных сигналов на фоне достаточно высоких уровней шумов, а также сложностью конструкции отдельных элементов - боковой рамы тележки, надрессорной балки и др. Проблема усугубляется требованием обеспечения измерений в чрезвычайно широком динамическом диапазоне амплитуд сигналов.
Обычные усилительные устройства обладают динамическим диапазоном 40 - 70 дБ, а диапазон амплитуд реальных АЭ сигналов достигает 120 дБ и более. Для обеспечения измерений в таком динамическом диапазоне приходится использовать вместо простых усилительных устройств - усилители с
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021 № 2 (61)
13Г
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)
логарифмической характеристикой. Это существенно усложняет аппаратуру, особенно в многоканальных системах, так как в них необходимо обеспечить идентичность характеристик приемных каналов.
Среди способов определения координат источников импульсных АЭ сигналов можно выделить следующие:
1) дальнометрический - основанный на нахождении временных параметров отдельного импульса, генерируемого конкретным источником АЭ, и имитации сигналов на заранее известной дистанции между преобразователем АЭ и имитатором [6];
2) классический метод точного решения системы уравнений распространения импульсов [7];
3) метод табличного поиска;
4) метод функционального преобразования, аппаратно реализующий преобразование временных задержек в координаты [8];
5) применение метода Ньютона к решению систем нелинейных уравнений и его упрощенного варианта для вычисления координат источника для плоских или разворачивающихся в плоскость поверхностей [9].
Большинство способов требуют расположения датчиков в локационной ячейке в виде правильных геометрических фигур - квадрата, прямоугольника, центрированного треугольника. При контроле реальных конструкций далеко не всегда имеется возможность выполнить эти условия, что приводит к возникновению дополнительных погрешностей в определении координат дефектов.
Известные способы определения координат при произвольном расположении датчиков в локационной ячейке обычно основаны на использовании итерационных вычислений, что существенно увеличивает время вычислений и снижает общую производительность процесса [10].
В статье приводится описание способа определения параметров АЭ сигналов в реальном амплитудном диапазоне при произвольном расположении датчиков в локационной ячейке применительно к сложным железнодорожным конструкциям.
Методические основы и расчетные зависимости
Статистический анализ импульсных АЭ сигналов, регистрируемых при испытаниях различных реальных сварных конструкций, показал, что подавляющее большинство сигналов имеют относительно короткий передний фронт и существенно больший задний фронт (рис. 1).
Математическая модель огибающей импульсных сигналов АЭ, учитывающая влияние переднего фронта
гр
и = п•-=—,
где п - масштабный коэффициент;
^ - текущее время;
Р- коэффициент, определяющий длительность переднего фронта (Р>0); а- коэффициент, характеризующий длительность заднего фронта (а<1); е - основание натурального логарифма.
Рис. 1. Формы импульсных сигналов акустической эмиссии, отличающиеся соотношением протяженности переднего и заднего фронтов
Если продетектированный сигнал компарировать на двух, отличающихся в е раз, пороговых уровнях, то, измеряя длительности импульса на этих уровнях, можно вычислить параметры сигнала независимо от его амплитуды (рис. 2).
Рис. 2. Характеристические параметры импульса
Энергию импульса АЭ Е (дБ) можно вычислить по эмпирической формуле, предложенной Б.Я. Масловым [11]:
(
Е = 7,85 • р-
т
\
т - т 12
+ ЬпЦ -1)
(2)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)
где p - первый пороговый уровень, Т1 - длительность импульса на уровне первого порога, Т2 - длительность импульса на уровне второго порога.
При встречающихся на практике интервалах значений а = 0,008 - 0,1 и Р= 0,5 - 2,0 погрешность вычислений по вышеприведенной формуле не превышает 5%.
Так как в предлагаемом методе для определения характеристик импульса необходимо измерять только временные параметры, и поведение кривой импульса на уровнях выше порога р-е не влияет на результаты вычислений, динамический диапазон амплитуд измеряемых АЭ сигналов становится практически неограниченным. При этом появляется возможность использовать самые простые усилители сигналов, имеющие малый динамический диапазон и линейную характеристику.
Координаты источника АЭ (x, y, z) при четырех приемных датчиках в локационной ячейке определяются через расстояния от источника до датчиков (г\, r2, r3, r4) из системы уравнений
Г2 = (x - -*i)2 + (У -У1)2 + (z - z 1 )2
Г2 = (x - x2)2 + (y -У2)2 + (z -z2)2 Г32 = (x - X3)2 + (y - y3)2 + (z - Z3)2
r42 = (x-X4)2 + (У-У4)2 + (z-z4)2 , (3)
где xh yi, Zi - координаты датчиков, i = 1, 4.
Расстояния (rb r2, r3, r4) определяются по задержкам времени приема АЭ сигналов каждым из датчиков относительно сигнала датчика, принявшего сигнал первым (t0i)
ri = Vt01 + K r2 = Vt02 + K r3 = Vt03 + K r4 = vt04 + K , (4)
где v - скорость распространения АЭ импульса, K - расстояние от источника до датчика, принявшего сигнал первым.
Расстояние (К) до ближайшего к источнику датчика определяется как минимальное значение из массива Kymm
K12 = 1(/12 - Vt01 - Vt02); K23 = 1(/23 - Vt02 - Vt03); K34 = 1 (l34 - Vt03 - Vt04) ^
. K41 = 1(l41 - Vt04 - Vt01); K13 = 1(l13 - Vt01 - Vt03); K24 = 1 (l24 - Vt02 - Vt04)^
где lij - базовые расстояния между датчиками при i = 1, 4, j = 1, 4.
После подстановки (4) в (3) при найденном в (5) K=Kij-mm решаем данную систему уравнений относительно x, y, z, используя элементарные преобразования и вычитая из первого уравнения (3) три последующих.
Практическая реализация метода для определения координат источника АЭ в боковой раме железнодорожной грузовой тележки
С целью достижения эффекта появления сигналов и возможности их регистрации объект исследований - боковая рама грузовой тележки 18-100 при
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)
прочностных испытаниях подвергается нагружению с усилием в 1,5 раза превышающим рабочее. В результате анализа конструктивных особенностей боковой рамы было определено количество и место расстановки датчиков (рис. 3).
Рис. 3. Схема установки датчиков на боковую раму грузовой тележки
Для автоматизированной обработки экспериментальных результатов на основе вышеприведенных расчетных зависимостей был создан программный комплекс «АЭ - обработчик» (программист Петров Д. С.). Фреймовая структура программы укрупненно приведена на рис. 4.
& АЕ - обработчик
Эксперименты Подключение и настройка Поверка датчиков
Серийный номер текущего испытания: 2 Наименование текущего испытания: Проверка программы Номер текущего испытания: 1 Наименование текущего образца: Боковая рама Номер текущего образца: 1
Информация об испытаниям Информация об импульса* Поиск места излучения Обнаруженные точки
Код серии Номер в серии И- датчика Время прихода импульса Старт 1 Старт 2 Старт 3 Финиш 3 Финии Л
► '2830 2 1 1 ■1729458740 60045 60049 60049 61264 615( 6115
'2831 2 2 Э ■1729458662 60046 60047 0 0
Рис. 4. Вкладка «Эксперименты» в программе «АЭ-обработчик»
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)
В программе предусмотрены следующие вкладки, отображающие определенные этапы эксперимента: «Подключение и настройка», «Поверка датчиков», «Эксперименты» («Информация об испытаниях», «Информация об импульсах», «Поиск места излучения», Обнаруженные точки»). Для представления информации на каждом этапе исследований используется табличный метод.
Измерениям предшествовали настройка измерительной системы, идентификация и поверка всех установленных датчиков, калибровка системы без нагрузки, отображаемая в окне «Информация об импульсах».
Весь объект был разделен на локации размером 50х50 мм. Для каждой такой локации определяется последовательность датчиков, принявших сигнал, и временные задержки между этими сигналами при нагружении объекта. Предусмотрена возможность визуализации положения точек, ближайших к источнику (рис. 5). После формирования локационной серии из таблицы результатов (табл. 1) выбираются записи, наиболее подходящие по совокупности параметров, соответствующие искомым координатам источника АЭ-сигнала.
Рис. 5. Вкладка «Обнаруженные точки» в программе «АЭ-обработчик»
Таблица 1
Фрагмент таблицы результатов определения параметров АЭ-сигналов
Номер Время Условные единицы эквива- № Условная
сигнала прихода лентные времени прохождения датчи- храктеристика
сигнала ка энергии изме-
1 2 3 финиш ряемых сигна-
старт старт старт лов
72834 -45766 60096 60097 60097 60468 14 -2919
72835 -43478 60105 60122 60122 60755 6 -813
72836 -42880 60107 60115 60122 61177 10 -1421
Заключение
Описанный усовершенствованный метод определения энергии и координат источника импульсных АЭ-сигналов позволяет расширить динамический амплитудный диапазон измерительной системы при произвольном расположении датчиков в локационной ячейке. При этом отпадает необходимость использования усилителей с логарифмической характеристикой. Практическая реализация метода на примере нагружения боковой рамы вагонной тележки с применением специально разработанного программного обеспечения показала его эффективность.
Библиографические ссылки
1. Kozochkin M. P., Sabirov F. S., Bogan A. N. Vibrational diagnostics of roller bearings in metal-cutting machines // Russ. Eng. Res., 2013, vol. 33, no. 8, pp. 486-489.
2. Sabirov F. S., Vainer L. G., Rivkin A. V. Vibroacoustic Diagnostics of Bidirectional End Milling // Russ. Eng. Res., 2015, vol. 35, no. 6, pp. 458-461.
3. Drachev K. A., Rimlyand V. I. Radio Pulse Measurements of Acoustic Parameters / // Measurement Techniques, 2017, vol. 60, no. 6, pp. 620-625.
4. Вайнер Л. Г., Ривкин А. В. Использование виброакустических эффектов для диагностики процесса двусторонней торцешлифовальной обработки // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. - 2011. -№3. - С. 25-27.
5. Драчёв К.А., Римлянд В.И., Савченко В.В. Автоматизированная измерительная система для проведения акустических измерений // Вестник ТОГУ. - 2017. - № 1(44). - С. 13-20.
6. Игнатов В. В., Игнатов В. Н., Зорин Е. Е. Об определении расстояния до источников акустической эмиссии с помощью одного преобразователя // Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 3. - С. 33-35.
7. Грешников В. А., Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 272 с.
8. Маслов Б. Я., Холькин О. И., Калинов Г. А. Прибор АМУР-6 для обнаружения дефектов с указанием их местоположения // Дефектоскопия. - 1979. - №12. С. 5-8.
9. Васильев А. М., Маслов Б. Я. О приближенном методе вычисления координат источников акустической эмиссии // Дефектоскопия. - 1980. - №10. С. 47-52.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 2 (61)
10. Маслов Б. Я. Способ и устройство измерения энергии и амплитуды акустико-эмиссионных сигналов. - Авторское свид. № 1822260 кл. G01 № 29/04.
11. Маслов Б. Я., Коротеев В. А., Стецюк А. Е. Измерение энергии и амплитуды импульсных АЭ сигналов // Дефектоскопия. - 2005. - №6. С. 17-21.
12. Маслов Б. Я., Лаптева И. И. Сравнительные возможности АЭ и других методов при контроле деталей подвижного состава // Вестник института тяги и подвижного состава: труды 44-й Всерос. науч. - практ. конф. "Современные технологии железнодорожного транспорта и промышленности". 25-26 янв. 2006 г. / ред. В. Г. Гри-горенко; ДВГУПС. - Хабаровск, 2006. - Т. 3. - С. 78-80.
13. Лаптева И.И. Разработка акустико-эмиссионной диагностической системы энергии АЭ - метода. Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: материалы Всерос. научно-практ. конф. с междунар. участием (22-24 апр. 2009 г.) / под ред. О. Л. Рудых; ДВГУПС. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009. -Т.1. - С. 95-99.
Title: Automated Determination of Pulse Acoustic Emission Signals Parameters Authors' affiliation:
Lapteva I. I. - Far Eastern State Transport University, Khabarovsk, Russian Federation Vainer L. G. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Usanov N. A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: A description of an improved method for measuring the energy of acoustic emission pulsed signals in a wide (more than 120 dB) dynamic range with an arbitrary arrangement of sensors in the location cell is given. An example of determining the coordinates of the source of acoustic signals when loading the side frame of a wagon bogie using specially developed software is given.
Keywords: acoustic emission, flaw detection, pulse signal, threshold levels, source coordinates.
