CC BY
14УДК 620.178.1
Лапидус Алексей Яковлевич, кандидат технических наук, докторант кафедры газовых турбинных установок ВВМИУ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», Россия, г. Санкт-Петербург Ступкин Алексей Дмитриевич, старший оператор Научной роты № 1 Военного учебно-научного центра Военно-Морского Флота «Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова», Россия, г. Санкт-Петербург Семенкин Владимир Викторович, старший оператор Научной роты № 1 Военного учебно-научного центра Военно-Морского Флота «Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова», Россия, г. Санкт-Петербург Цузой Владислав Валерьевич, оператор Научной роты № 1 Военного учебно-научного центра Военно-Морского Флота «Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова», Россия, г. Санкт-Петербург Путилов Сергей Андреевич, оператор Научной роты № 1 Военного учебно-научного центра Военно-Морского Флота «Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова», Россия, г. Санкт-Петербург
МОДЕРНИЗАЦИЯ ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТВЕРДОМЕРА ПО МЕТОДУ ЛИБА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ИНФОРМАТИВНОСТИ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ ПАРОВЫХ И ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
Аннотация: Целью исследований и разработок, проведенных в рамках представленной работы, была модернизация портативного средства измерения механических свойств материалов конструкций газотурбинных установок на основе динамического твердомера по методу Либа. Авторы решают проблему, связанную с повышением информативности первичного измерительного преобразователя. Представлена передаточная характеристика первичного преобразователя и предложены способы ее линеаризации. Результатом работы
является конструкция усовершенствованного первичного преобразователя ударного твердомера по типу D, позволяющая получать первичную информацию, необходимую для измерения механических свойств материалов проточной части турбинных и роторных конструкций, включая предел текучести и модуль упругости.
Ключевые слова: газовые турбинные установки (ГТУ), твердометрия, предел текучести, модуль упругости, датчики.
Annotation: The purpose of the research and development carried out within the framework of the presented work was the modernization of a portable instrument for measuring the mechanical properties of materials in the structures of gas turbine plants based on a dynamic hardness tester according to the Leeb method. The authors solve the problem associated with increasing the informative network of the primary measuring transducer. The transfer characteristic of the primary converter is presented and methods of its linearization are proposed. The result of the work is the design of an improved primary transducer of the D-type impact hardness tester. Which allows obtaining the primary information necessary for measuring the mechanical properties of materials of the flowing part of turbine and rotor structures, including the yield strength and the modulus of elasticity.
Keywords: gas turbine plants, hardness testing, yield point, modulus of elasticity, sensors.
В современном мире огромное внимание уделяется контролю механических свойств материалов и изделий как основных критериев качества, тесно связанных с безопасной эксплуатацией различного рода энергетических установок. От качества используемых в силовых машинах материалов конструкций зависит надежность их эксплуатации, стойкость материалов к износу и наработка на отказ. На сегодняшний момент, такие условия могут быть реализованы в портативных твердомерах, усовершенствование и модернизация
которых позволит определять основные механические характеристики материалов и изделий.
Целью предложенной работы является модернизация первичного преобразователя твердомера по методу Либа для повышения его информативности.
В процессе выполнения исследований на основе уже имеющихся разработок, авторы выдвигают метод перерасчета оптимального расстояния от катушки индуктивности до постоянного магнита, в результате чего достигается повышение информативности первичного преобразователя. Таким образом линеаризована передаточная характеристика первичного преобразователя, что в дальнейшем даст возможность получать первичную информацию для последующего определения таких механический свойств материала или изделия как модуль упругости (модуль Юнга) и предел текучести.
Суть метода Либа [1, с. 274-278] заключается в измерении соотношения скоростей падающего ударника до и после соударения с поверхностью испытуемого образца. Твердость по Либу ИЬ рассчитывается в соответствии с формулой:
НЬ = (ук/чА) * 1000 , (1)
где ук - скорость отскока ударника; уа - скорость удара.
Аппаратная реализация метода Либа (рис. 1, а) основана на измерении скорости ударника через ЭДС, генерируемую магнитом, установленным внутри ударника, при прохождении сквозь катушку индуктивности, установленную на направляющей трубке устройства. Наведенная ЭДС пропорциональна скорости магнита. Сигнал наведенной ЭДС (рис. 1, б) записывается, а пиковые значения индуцированного напряжения используются для расчета значений твердости Либа по формуле:
НЬ= (ик/иА)* 1000 , (2)
где - ик и иА - амплитуда ЭДС, пропорциональная, соответственно, уя и
Основным параметром, участвующим в расчете твердости по методу Либа
является коэффициент восстановления. Коэффициент восстановления е определяется как отношение скорости отскока ударника от поверхности испытуемого образца и скорости падения ударника на поверхность испытуемого образца и записывается как:
е = ^/44 (3)
Рис. 1. а - Схема измерения твердости по Либу: 1 - корпус ударника, 2 -обмотка катушки
индуктивности, 3 - постоянный магнит ^-северный полюс, S-южный полюс), 4 -направляющая трубка; 5 - сферический наконечник индентора; 6 - испытуемый образец; б -Диаграмма ЭДС и(1:), наведенная на катушке индуктивности при измерении твердости
В соответствии с [3, с. 408-414] применим квазистатический подход к нахождению контактных напряжений при пластическом ударе в предположении, что скорость удара мала по сравнению со скоростью упругой волны. Это условие справедливо, так как наличие пластического течения уменьшает интенсивность контактного давления и, следовательно, энергию, идущую на упругое волновое движение. При средней скорости удара (скажем, до 500 м/с) можно использовать соотношения для неупругих контактных напряжений при статических условиях с целью исследования процесса соударения. Удар будем считать нормальным по отношению к поверхности.
Вплоть до момента максимального сжатия кинетическая энергия переходит в локальные упругие и пластические деформации сталкивающихся
ЩмВ
тел, т. е.
1ту2=ш=гра8, (4)
где т - масса ударника. После момента максимального сжатия кинетическая энергия при отскоке равна работе, совершенной за время упругого восстановления, т. е.:
= = , (5)
где величины со штрихом относятся к восстановлению. Далее нужно определить максимальные контактные напряжения, продолжительность удара и коэффициент восстановления через скорость удара и свойства
соударяющихся тел. Дальнейший анализ ограничен рассмотрением сферических профилей.
Пластическое течение начинается в точке под поверхностью, и, по мере того как распространяется пластическая зона, среднее контактное давление возрастает от -1.1У до ~3У, когда достигается полная пластичность (У - предел текучести). В дальнейшем, если нет деформационного упрочнения, контактное давление сохраняется примерно постоянным и называется давлением течения или давлением текучести.
Поскольку большинство соударений металлических тел приводит к полностью пластическому вдавливанию, сосредоточим внимание на рассмотрении этого режима. В приводимом статическом анализе предполагается, что полное упругое и пластическое сжатие 3 связано с размерами контактной зоны соотношением 8 = а2/2Я и среднее контактное давление рт постоянно и равно 3.0У. Эти предположения хорошо соответствуют экспериментальным результатам. Используя уравнения (4), получим:
1 а тса^
= па2ра(а/Я)йа = (6)
где рс1 — среднее контактное давление при динамическом нагружении. Отметим, что величина па4/4Я есть «кажущаяся» величина объема материала Уа, замещаемого индентором радиуса Я.
Используя уравнение а = для исключения радиусов,
кинетическую энергию отскока можно определить через размер области вдавливания:
-ту1 = Ш' =^^ = —п2а3р1/Е\ (7)
2 к 10аЕ* 10 4 7
где Е* - приведенный модуль упругости, 1/Е* = (1 — у1/Е1) + (1 — у2/Е2), где у1,у2 - коэффициенты Пуассона и Е1,Е2 - модули упругости для взаимодействующих материалов.
Исключая а из уравнений (6) и (7), получаем выражение для коэффициента восстановления:
с2 -У2Я = 3п5/443/4 (Рд\ 2™А\ Ш
У2а 10 (Е*) (раИ3) ' ( )
Если записать ра « 3.0Уа (Уа — динамический предел текучести), то
/1 \ —1/8
е « 3.8(¥а/Е*)1/2 (¿ту^ГаЯ3) . (9)
Из этого уравнения следует, что, в общем случае, коэффициент восстановления, и, следовательно, измеряемое значение твердости по методу Либа зависят от соотношения предела текучести оа и модуля упругости Ет испытуемого материала, а также параметров первичных преобразователей твердомеров (т.е. «ударных преобразователей»): массы ударника т, скорости ударника V в момент соударения с поверхностью, радиуса наконечника Я и его модуля упругости Еь. Для решения разных измерительных задач используются различные ударные преобразователи, отличающиеся массой ударника, скоростью падения, радиусом и материалом наконечника, соответствующие разным шкалам твердости Либа. Параметры ударных преобразователей для различных шкал нормированы в [4].
Достоинством твердомеров Либа является простота измерений. Большая площадь отпечатка уменьшает влияние зернистости материала, поверхностных слоев и шероховатости на разброс показаний; разные типы преобразователей позволяют решать различные задачи в области определения надежности и
остаточного ресурса конструкции силовых турбомашин. Наличие международных стандартов [4] и первичных эталонов [5; 6] дает возможность обеспечить метрологическую прослеживаемость по шкалам Либа. Преобразователи по методу Либа используются для контроля твердости деталей проточной части турбины, её сопловых и рабочих лопаток, технологического энергооборудования, трубопроводов питательной воды, паропроводов конденсатных и питательных насосов, а также различных узлов турбоагрегатов.
Предлагаемый авторами подход заключается в измерении параметров движения ударника в процессе внедрения в поверхность: скорость, ускорение и перемещение. В качестве первичного информативного параметра предлагается измерять ЭДС катушки, пропорциональную скорости движения ударника. Градуировка 1111 (измерение передаточной функции катушки в паре с ударником) производится либо гравитационным методом разгона ударника, либо независимыми измерительными средствами (например, интерферометром). Зависимости от времени ускорения и перемещения ударника будут вычислены путем численного дифференцирования и интегрирования скорости.
Значения скорости при ударе и отрыве позволяют вычислить соответствующие значения энергии ударника и .
Значения ускорения пропорциональны силе воздействия Р на ударник при известной массе.
Перемещение позволяет определить глубину внедрения и, следовательно, геометрические параметры области индентирования: площадь контакта индентора (бойка) с поверхностью 5 и объем вытесненного материала V.
Зная перечисленные измеряемые и вычисляемые параметры удара из приведенных выше соотношений можно определить:
1. Контактную твердость И~ рт =Р/Б [Н/м2].
2. Объемную твердость Нйу~ра = Ш'/у [Н/м2].
3. Предел текучести рт,с = с атд
4. Модуль упругости Е~ ^ рт .
Основные подходы, представленные в данном разделе впервые
систематизировано изложены Тейбором (D. Tabor) в работе [D. Tabor. A simple theory of static and dynamic hardness].
Для повышения информативности получаемых результатов необходимо провести модернизацию и совершенствование первичного преобразователя твердомера Либа. Для этой цели будет использован ударный преобразователь по типу D с гравитационным разгоном ударника, на базе портативного многофункционального твердомера «Константа КТ», выпускаемого фирмой «КОНСТАНТА».
Данный преобразователь должен соответствовать требованиям международного стандарта [4], а именно должны быть соблюдены следующие параметры, представленные в табл. 1.
Таблица 1. Параметры преобразователя типа D в соответствии с ISO 16859-1:2015(E)
Обозначение Единицы измерения Определение Значение
Ea мДж Кинетическая энергия в момент внедрения 11,5
Va м/с Скорость в момент начала внедрения 2,05
M г Масса бойка (включая массу индентора) 5,45
R мм Сферический радиус индентора 1,5
В процессе выполнения эксперимента сигнал регистрировался осциллографом Oscilloscope DSO-5062B с полосой пропускания 60 МГц, частотой дискретизации 1 ГГц и количеством точек в выборке 100 000 точек на 10 мс.
При измерении твердости по методу Либа первичным информативным параметром является ЭДС, наведенный в катушке, пропорциональный скорости движения ударника. После проведения измерения, полученный сигнал выглядит следующим образом (рис. 2), где оранжевая кривая - сигнал, полученный в
результате динамического идентирования, синяя кривая - сигнал, полученный в результате пролета индентора через катушку индуктивности.
Рис. 2. Сигнал, полученный при измерении первичного преобразователя в нелинейной
области
Передаточная характеристика первичного преобразователя на основе катушки индуктивности, как измерителя скорости, является нелинейной в большей части диапазона расстояний между ударником (магнитом) и катушкой. Однако, для решения поставленной задачи измерения временной зависимости скорости ударника необходимо измерять скорость на отрезке времени не более 100 мкс при перемещении ударника на расстоянии не более 100 мкм. Таким образом, необходимо обеспечить измерения ЭДС в максимально линейной области работы первичного измерительного преобразователя, которая соответствует верхнему участку кривой.
Для достижений необходимого результата примем во внимание патент [7], в котором описана математическая модель оптимального размещения катушки индуктивности относительно постоянного магнита, для измерения начала динамического идентирования в линейной области, и применим ее для рассматриваемого в данной работе датчика типа В параметры которого соответствуют международному стандарту [4].
В момент контакта наконечника индентора с объектом контроля, оптимальное расстояние от постоянного магнита до катушки индуктивности (в мм) определяется по формуле:
/ = 0,72 — — 1,75 (10)
^м
где dм - диаметр постоянного магнита, мм; dм - внутренний диаметр катушки индуктивности, мм. Необходимое геометрическое расположение частей
Рис. 3. Расположение индентора относительно катушки индуктивности в момент внедрения
Используя конкретные параметры dк = 10 мм, dм = 5 мм и подставляя эти значения в (10), получаем I = - 0,31 мм. Отрицательное значение длины I обусловлено тем, что постоянный магнит находится в контуре катушки.
Оптимальное расстояние (в мм) от катушки индуктивности до корпуса датчика рассчитывается по формуле:
1к = 1инд - I, (11)
где 1инд - длина индентора от конца полусферического наконечника до постоянного магнита равная 13,9 мм. Подставляем полученные значения I и 1инд в формулу (11):
1к = 13,9 - (-0,31) = 14,2 мм
После проведенного расчета, откладываем полученное значение 1к =14,2 мм от основания корпуса датчика и закрепляем на данном расстоянии катушку индуктивности.
Проведем измерение повторно. После эксперимента полученная кривая напряжения выглядит следующим образом:
А 1 \й в
д л
_
. 1
44 46 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6
хЮ4
Рис. 4. Полученный сигнал, после линеаризации первичного преобразователя
Из рис. 4 видно, что пиковое значение ЭДС, измеряемое катушкой индуктивности попадает в линейную область сигнала, получаемого при прохождении постоянного магнита на пролет. Следовательно, можно сделать вывод о том, что предложенный способ линеаризации первичного преобразователя подходит.
Выводы
В рамках представленной работы был проанализирован метод измерения твердости по Либу, модернизация которого позволяет решить задачу измерения таких механических характеристик материалов как модуль упругости (модуль Юнга) и предел текучести, напрямую связанных с ресурсными показателями узлов турбин.
Для модернизации твердомера по Либу были приняты меры по повышению информативности первичного преобразователя. В результате проделанной работы было найдено оптимальное расстояние (1к = 14,2 мм) расположения катушки индуктивности от корпуса датчика. Решение этой задачи
позволило разместить катушку индуктивности таким образом, что измерение сигнала проводилось в максимально линейной области работы первичного преобразователя.
Проведенные в данной работе исследования и представленная конструкция модернизированного первичного преобразователя ударного твердомера по Либу, позволят измерять механические характеристики материалов и изделий портативным прибором, что в свою очередь откроет возможность повышения надежной эксплуатации паровых и газотурбинных установок, обеспечения своевременного контроля остаточного ресурса энергооборудования, способствующего сокращению возможного возникновения аварийных ситуаций.
Библиографический список:
1. D. Leeb Dynamic hardness testing of metallic materials. NDT International 12(6). December 1979. p. 274-278.
2. Контактный динамический метод и прибор контроля твердости металлов и сплавов / Артемьев. Москва, 2006 - 106 с.
3. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М: Мир, 1989. — 510 с., 408-414 с.
4. ISO 16859-1:2015(E) "Metallic materials - Leeb hardness test - Part 1: Test method".
5. Herrmann K 2007 Reference measuring instrument for calibration of Leeb-hardness Physikalisch-TechnischeBundesanstalt. Scientific news from division 5, review of the Annual Report.
6. Wei Shi, Wu Zeng and Qingzhong Li 2012 Leeb Hardness Standard with Laser Measuring XX IMEKO World Congress Metrology for Green Growth, Busan, Republic of Korea.
7. Патент РФ 99117098, МПК G 01N 3/48, 2001.
