CC BY
14
Белов Дмитрий Борисович, канд. техн. наук, доцент, imsbelov@mail.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Плахотникова Елена Владимировна, д-р техн. наук, профессор, e_plahotnikova@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICATION OF FMEA ANALYSIS TO ASSESS THE RISKS OF THE "MOUNTING GUN" SYSTEM, TAKING INTO ACCOUNT THE TECHNICAL COMPATIBILITY OF THE ELEMENTS
O.V. Ermakova, D.B. Belov, E.V. Plakhotnikova
The application of FMEA analysis to assess the risks of the "Mounting gun" system, taking into account the technical compatibility of the elements, is considered.
Key words: mounting gun, technical system, risk assessment, FMEA analysis, technical compatibility.
Ermakova Olga Vladimirovna, postgraduate, iga. ermakva@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Belov Dmitry Borisovich, candidate of technical sciences, docent, imsbelov@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Plakhotnikova Elena Vladimirovna, doctor of technical sciences, professor, e_plahotnikova@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.171.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-223-228
ДИАГНОСТИКА С ОЦЕНКОЙ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ ПРИ ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, И.А. Коваленко, А.В. Филонович, А.А. Калинин
В статье предложен метод идентификация размеров дефектов при вихретоковом контроле, уменьшающий зоны неопределенности, обусловленные погрешностями расчета и эксперимента. С целью уменьшения неопределенности, в качестве критерии сравнения теоретических и экспериментальных зависимостей сигнала от дефекта можно использовать разницу минимизации квадратов отклонения соответствующих зависимостей. С использованием метода моделировании сигнала вихретокового преобразователя от дефекта проведены эксперименты, с целью проверки метода идентификации характерного размера, дефекта с последующим вычислением риска заказчика.
Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, вихревой ток, дефект, идентификация, расчетная ошибка, модель, измерение, погрешность.
Процесс оценки возможных геометрических размеров дефектов металлических изделий в вих-ретоковой дефектоскопии осуществляется в основном, путем сравнения с рядом сигналов от образцовых дефекта, после чего, оператор принимает решение, исходя, в основном, из собственного опыта, Поскольку сигнал вихретокового преобразователя (ВТП) характеризуется целой группой ритмичных по своей физической природе показателей и параметров, в том числе, геометрическими размерами дефектов, то на оператора возлагается трудная задача, связанная с принятием правильного решения по результатам контроля. Для повышения достоверности контроля необходимо предложить определенный математический подход, который позволит сравнивать сигнал от дефекта с рядом, рассчитанных заранее или в реальном масштабе времени сигналов ВТП от модельных дефектов, что позволит учесть погрешности модели и измерения, и принимать решение с определенной долей вероятности. В решении этого вопроса можно пойти двумя путями: заранее осуществить расчет теоретических зависимостей сигнала ВТП от дефекта с различными геометрическими размерами для конкретных параметров ВТП, рабочих частот и напряженности поля, и достаточного разнообразия материалов и хранить полученные теоретические зависимости от модельных дефектов в библиотеке дефектов (память); разработать простой и эффективный способ моделирования сигнала ВТП от дефекта с минимальными затратами машинного времени, что позволит при проведении текущего контроля вводить в систему характерные параметры объекта контроля (ОК) генерировать теоретические зависимости сигнала от дефекта в реальном масштабе времени.
В ВТП, зондирующее ОК электромагнитное поле создаст в нем вихревые токи, наличие которых вызывает изменение сигнала на выходе измерительной обмотки. При наличии дефекта индуцированные вихревые токи обтекают дефект по довольно сложной траектории, которую можно рассчитать с использованием численных методов решения уравнений Максвелла. В нашем случае, для описания траектории вихревого тока вблизи дефекта воспользуемся аналогией с бесциркулярным течением жидкостей с использованием функций комплексного переменного [1].
На рис. 1 показан процесс преобразования цилиндрического дефекта (отверстие) в протяженную трещину (эллипс). При заданном электромагнитном поле источника, нетрудно найти распределение плотности вихревого тока на круглом отверстии, после чего конформно перенести решение на протяженную трещину, в общем случае имеющую различную ориентацию по отношению к силовым линиям вихревого тока, длину и ширину.
Имея аналитическое выражение для траектории вихревого тока, не сложно наши активное сопротивление, индуктивность и взаимоиндуктивности между элементарными вихревыми токами в объекте контроля и измерительной обмоткой ВТП, решив систему линейных алгебраических уравнений для связанных контуров, рассчитать реакцию измерительной обмотки ВТП на параметры дефекта [2].
Рассмотрим процесс идентификации размера дефекта на примере продольной трещины глубиной к В соответствии с требованиями заказчика данный параметр должен удовлетворять некоторым допускам, а именно случайная глубина дефекта Ь не должна выходить за некоторые допустимые пределы А, < Ь < В,.
Размер величины дефекта Ь оценивается по выходному (амплитуда и фаза) сигналу ВТП, который теоретически можно рассчитать в процессе моделировании сигналов ВТП от дефектов. При этом, поскольку в процессе идентификации сравниваются сигналы, полученные от модельного дефекта и прямых измерений, то будут существовать зоны неопределенности, обусловленные погрешностями расчета и эксперимента, как показано на рис. 2, а.
Рис. 2. Зона неопределенности (а) и процесс сравнения теоретического и экспериментального сигналов от дефекта (б)
В предельном случае, расчетный и экспериментальные сигналы могут находится на верхней и нижней границе зоны неопределенности, что приводит к ошибке сравнения сигналов, составляющей 45...55%. Т. е. для случая дефекта глубиной 1,5 мм, равновероятно принятие решения о наличии дефект глубиной 0,5 мм и 2 мм соответственно. С целью уменьшения неопределенности, в качестве критерии сравнения теоретических и экспериментальных зависимостей сигнала от дефекта можно использовать разницу минимизации квадратов отклонения соответствующих зависимостей, как показано на рис. 2, б. При этом, либо выбирается наиболее близкая характеристика расчетного сигнала из библиотеки дефектов, либо процесс подбора наиболее близкой кривой производится непосредственно в процессе контроля путем генерирования соответствующих теоретических зависимостей сигнала ВТП, под конкретные условия контроля.
Применив предложенный метод моделировании сигнала ВТП от дефекта, были проведены эксперименты, с целью проверки метода идентификации характерного размера, дефекта с последующим вычислением риска заказчика. Вначале измеряйся выходной сигнал от неизвестных дефектов с номерами 1, 2 и 3 на разной частоте зондирующего электромагнитного ноли, после чего производилось вычисление соответствующего геометрического пирометра (глубина дефекта). Данные расчета и эксперимента приведены в таблице.
Из анализа результатов расчетов и экспериментов (таблица) видно, что ошибки определения параметров дефектов с применением изложенного метода позволяют дать оператору информацию о достоверности результатов контроля и существенно облегчит принятие правильного решения. Предложенный метод, целесообразно применять при построении безэталонных вихретоковых дефектоскопов, процесс расчета ожидаемого сигнала от дефекта и расчет рисков необходимо осуществлять непосредственно в дефектоскопе с выдачей результат в виде вероятности наличия дефекта с соответствующими геометрическими размерами.
Использование более точного способа описания петли гистерезиса позволило получить уравнение скин-эффекта в ферромагнитном цилиндре. Приближенное решение которого может послужить основой для разработки датчиков, определяющих деградацию структуры стальных изделий и определять изменение их усталостных характеристик [6].
Результаты исследования стального (Ст.45) образца _по определению глубины дефекта_
F, кГц Сигнал от дефекта F£, мВ Расчетная ошибка, Rз, %
1 2 3 0,5 мм 1,0 мм 1,5 мм
20 23 37 49 18 12 9
15 18 31 39 23 16 12
10 12 26 31 36 24 17
5 8 16 24 48 19 14
2 4 9 17 86 26 19
В [6] найдены выражения для гармоник ЭДС измерительной катушки, если радиус измерительной обмотки больше радиуса образца ^и > R):
Е1 = -*'М0Нт (Яи - Я)®и^иЯи + 2лЯи^иНт
Е2 = 2ъЯи ^Нт! —(2-л/2 ),
V тм-14 '
Ез = 2ъКмиНт
7Ю
'УИ
ба^ + 3а2^1
6а1
И
(з + л/3) д/з+42 +1
(1) (2)
(3)
где д0 и ц1 - магнитные проницаемости при отсутствии и наличии образца; Нт - амплитуда напряжённо-
7
сти поля; ю - циклическая частота поля; wи - количество витков измерительной катушки; у = 1 * 10 (Ом-м)-1 - электропроводность образца; а1, а2 - комплексные коэффициенты, характеризующие нелинейность намагничивания образца.
ЭДС преобразователя в отсутствии образца определяется выражением:
Е0 = -Щач>и%Яи
(4)
Гармоники ЭДС Е1, Е2, Е3 а также величина Е0, при отсутствии образца внутри преобразователя, могут быть определены из эксперимента. Если полагать также известными м>и, ю, Яи, у, Я, то уравнения (1-4) образуют систему, решая которую можно найти ц1, а1, а2.
Заключение. Исследование поведения величин ц1, а1, а2 в процессе циклического нагружения ферромагнитных образцов может послужить основой для разработки датчиков, определяющих деградацию структуры стальных изделий, позволит определять' изменение усталостных характеристик, а следовательно, приведет к созданию новых методов диагностики прочностных свойств.
Вышеприведенные исследования не противоречат данным работ [3-5, 7-22] из библиографического списка публикаций.
Список литературы
1. Коппенфельс В., Штальман Ф. Практика конформных отображений. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. 407 с.
2. Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Ковалев А.В. Неразрушающий контроль и техническая диагностика: справочник.; под. общ. Ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2003. 656 с.
225
3. Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль: учебное пособие для подготовки специалистов по неразрушающему контролю и технической диагностике. под. общ. Ред. В.В. Клюева. М.: ИД «Спектр», 2014. 224 с.
4. Шубочкин А.Е., Ефимов А.Г. Современные тенденции развития вихретоковой дефектоскопии и дефекометрии // Контроль и диагностика. 2014. № 3. С. 68-73.
5. Бобров А.Л., Власов К.В., Бехер С.А. Основы вихретокового неразрушающего контроля: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2019. 98 с.
6. К использованию скин-эффекта для вихретокового контроля металлических изделий цилиндрической формы / А.В. Филонович, В.И. Колмыков, А.Н. Кутуев, И.В. Ворначева // Известия Юго-Западного государственного университета. 2014. № 5 (56). С. 89-93.
7. Electroacoustic coating application to improve the performance of composites based on heat-resistant nickel alloys / V.N. Gadalov, S.G. Emel'yanov, I.V. Vornacheva, A.V. Filonovich, S.V. Safonov // Russian Engineering Research. 2017. Т. 37. № 9. С. 751-753.
8. Закономерности формирования структуры частиц порошковых композиций на основе алюминия, получаемых механическим реакционным легированием / В.Н. Гадалов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колма-ков, И.В. Ворначева, С.Н. Кутепов, Е.А. Ельников, Д.С. Алымов, Д.И. Нестеров // Материаловедение. 2019. № 7. С. 38-42.
9. Исследование структуры, фазового состава и физико-механических свойств модифицированных отливок из жаропрочного сплава ЖС3ДК / В.Н. Гадалов, И.А. Макарова, А.А. Иванов, С.Н. Ку-тепов, А.В. Филонович, А.А. Шатульский, А.Е. Гвоздев // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18. № 10. С. 435-445.
10. Структурные закономерности изменения акустических характеристик и разработка акустического критерия предельного состояния металлических сплавов / В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, Е.А. Филатов, О.Н. Болдырева, И.А. Макарова, С.Н. Кутепов, Д.С. Клементьев, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 361-368.
11. Нано: технологии, материалы, трубки, частицы. Применение в машиностроении, медицине и других отраслях техники / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, С.В. Сафонов. М.: Аргамак-Медиа, 2021. 216 с.
12. Применение поляризационно-оптического метода для оценки напряжений в неоднородных моделях наплавленных комбинированных покрытий / В.Н. Гадалов, Ю.В. Скрипкина, О.М. Губанов, И.А. Макарова // Сварка и диагностика. 2021. № 2. С. 25-29.
13. Гадалов В.Н., Скрипкина Ю.В., Петренко В.Р. Изучение напряженно-деформированного состояния интерметаллидной прослойки при диффузионной сварке титано-алюминиевых конструкций // Сварочное производство. 2021. № 9. С. 44-47.
14. Гадалов В.Н., Губанов О.М., Филонович А.В. Изучение влияния модифицирования малыми добавками фенилендиаминов и фиброинов, воздействия электрических разрядов и деформации на электрофизические и механические свойства полиэтилена высокого давления // Справочник. Инженерный журнал. 2022. № 7 (304). С. 3-9.
15. Мониторинг работоспособности электромеханических систем с использованием нейронных сетей для эффективности диагностирования однородной вычислительной среды / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, С.Н. Кутепов, В.В. Шкатов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 333-339.
16. Оценка повреждаемости деталей насосов бурового оборудования в режиме их эксплуатации / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 492-499.
17. Изучение влияния комбинированной обработки на структуру и свойства электроискровых покрытий на низкоуглеродистой стали самофлюсующимся спецэлектродом / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, А.Е. Молдахметова, С.А. Войнаш, В.А. Соколова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 12 (216). С. 566-571.
18. Высокоэффективный азотоуглеродистый пастообразный карбюризатор с термообработкой для повышения эксплуатационных свойств стальных деталей, восстановленных гальваникой / В.Н. Гада-лов, С.Н. Кутепов, Ю.В. Скрипкина, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 12. С. 623-626.
19. Мониторинг особенностей формирования соединения тонкостенных конструкций из листовых титановых сплавов диффузионной сваркой / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 12. С. 639643.
20. Изучение структурного состояния, свойств и качества многослойных панелей из титановых сплавов после лазерной обработки / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.В. Панов, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 12. С. 660-665.
21. Мониторинг получения качественного диффузионного соединения изделий из сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе с применением промежуточной прослойки, изготовленной на элементах технологии шелкографии / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 12. С. 691-695.
22. Технология и оборудование, металловедение спечённого титана и его сплавов. Синтез, структура, фазовый состав, свойства, применение: монография / В. Н. Гадалов, В. Р. Петренко, О. М. Губанов, В. В. Пешков, А. В. Филонович. М.: Аргамак-Медиа, 2022. 272 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, gadalov-vn@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, доцент kutepovsn@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Коваленко Ирина Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, cubik368@mail. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Филонович Александр Владимирович, д-р техн. наук, профессор, filon8@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DIAGNOSTICS WITH ESTIMATION OF DEFECT SIZES DURING EDDY CURRENT CONTROL OF METAL PRODUCTS
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, I.A. Kovalenko, A.V. Filonovich, A.A. Kalinin
The article proposes a method for identifying the sizes of defects in eddy current control, which reduces the uncertainty zones caused by calculation and experimental errors. In order to reduce uncertainty, the difference of minimizing the squares of the deviation of the corresponding dependencies can be used as a criterion for comparing the theoretical and experimental dependences of the signal on the defect. Using the method of modeling the eddy current converter signal from a defect, experiments were carried out to verify the method of identifying the characteristic size of the defect, followed by calculating the risk of the customer.
Key words: eddy current converter, eddy current, defect, identification, design error, model, measurement, error.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepovsn@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kovalenko Irina Anatolyevna, candidate of technical science, docent, cubik368@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical Sciences, professor, filon8@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
