CC BY
61
УДК 621.225
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО СПОСОБА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ РУКАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ
ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА
П. В. Дружинин1, М. Ю. Бабушкин2
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ)
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А
Обоснованы режимы и способ применения низкочастотного ультразвукового импульсного метода неразрушающего контроля для диагностирования технического состояния многослойной оболочки рукавов высокого давления системы гидравлического привода, в том числе, машин и механизмов, эксплуатируемых в сфере жилищно-коммунального комплекса.
Ключевые слова: системы гидравлического привода, рукава высокого давления, неразрушающий контроль, ультразвуковой импульсный метод, машины жилищно-коммунального комплекса.
RATIONALE MODES OF ULTRASONIC METHOD FOR DIAGNOSING HIGH PRESSURE
HOSES HYDRAULIC DRIVE SYSTEM
P. V Druzhinin, M. Yu. Babushkin
St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 A.
Justified modes and method of application of low-frequency ultrasonic pulse method of nondestructive testing to diagnose the technical condition of a multilayer cladding high pressure sleeves of hydraulic drive systems, including, machines and mechanisms operating in the sphere of housing and utilities.
Keywords: hydraulic drive system, high-pressure hoses, non-destructive testing, ultrasonic pulse method, machine housing and utilities complex.
Введение
В современной машиностроительной отрасли гидравлический привод рабочего и исполнительного оборудования находит самое широкое применение, что обусловлено целым рядом присущих ему по сравнению с другими видами приводов (механическим, пневматическим, электроприводом) преимуществ, таких как возможность комплексной автоматизации производственных процессов, высокие эргономические показатели, безопасность труда, связанного с использованием машин и механизмов. Вместе с тем, имеющийся обширный опыт эксплуатации гидрофицированной техники свидетельствует о недостаточном уровне надежности элементов гидропривода, оказывающем прямое влияние на ощутимое снижение надежности всей машины в целом, так на долю отказов, приходящихся на детали, узлы и агрегаты гидросистемы приходится около 60% от отказов, всей технической системы (машины или механизма), в конструкции которой используется гидравлический привод, причем от этой величины более 50% составляет нарушение работоспособности напорных и соединительных трубопроводов. Можно заключить, что для обеспечения возможно более эффективной эксплуатации гидрофицированной техники первостепенной значение имеет превентивный
мониторинг ее технического состояния, в том числе рукавов высокого давления (РВД), причем более предпочтительными являются методы неразрушающего контроля (МНК) [1].
В настоящее время в сложившейся практике технической эксплуатации систем гидравлического привода рабочего и исполнительного оборудования специализированных машин соединительные рукава высокого давления (РВД) диагностируются на стационарных стендах путём нагружения их избыточным давлением рабочей жидкости (РЖ). Известны, например, устройства и стенды для технического диагностирования упругих трубопроводов [2-5].
В большинстве перечисленных способах и устройствах предполагается, что для диагностирования испытуемый трубопровод заполняют жидкостью и с помощью форсунки в нем создают импульсное возмущение. В результате определяют параметры затухающих колебаний давления жидкости в испытуемом трубопроводе, в том числе и в момент сброса избыточного давления. По отклонению измеряемых характеристик от эталонных значений судят о техническом состоянии испытуемого трубопровода. При этом нерешенными остаются актуальные задачи диагностирования РВД без разгерметизации гидросистемы, повышение
точности диагностирования и прогнозирование его остаточного ресурса.
Для решения этих задач предпочтительны акустические методы неразрушающего контроля (эхо-метод и теневой метод), которые позволяют определить внутренние дефекты (трещины, разрывы, расслоения) РВД с неразъёмными наконечниками. При таком контроле появиться возможность надежно установить уровень технического состояния гидросистем при их оценке пригодности к дальнейшему использованию.
Обоснование способа акустического контроля оболочки рукавов высокого давления специализированных машин
Одним из наиболее применимых МНК для диагностирования оболочки РВД гидропривода рабочего и исполнительного оборудования специализированных машин (СМ) является низкочастотный ультразвуковой импульсный метод, причем наибольшего внимания заслуживают две его разновидности: просвечивания (теневой), разработанный в 1928 г. С. Я. Соколовым и эхо-импульсный метод, предложенный Ф. А. Файрстоном в 1942 г. [6].
Для выбора наиболее информативного способа производится расчёт коэффициента отражения и коэффициента прозрачности в зависимости от толщины /-го слоя, от которого отражается и через который проходит ультразвуковая волна, по методике предложенной Бреховских М. Л. и Гончаровым В. В.[7]. В качестве /-го слоя рассмотрим наружный резиновый корд, так как именно он определяет какая часть ультразвуковой волны, вводимая пьезоэлектрическим преобразователем в оболочку РВД, отразится или пройдёт дальше. Нумерация слоёв следующая: 1 - металлокорд оболочки РВД; 2 - наружный резиновый корд оболочки РВД; 3 - поверхность пьезоэлектрического преобразователя (пьезокерамика ЦТС - 19). Расчёт производится для оболочки РВД 20 (ТУ 22 - 4756 - 80). Схема для определения коэффициентов отражения и прозрачности показана на рисунке 1.
Результирующая отражённая от наружного резинового корда плоская ультразвуковая волна рассматривается как суперпозиция следующих волн:
а) волны, отражённой от верхней границы слоя (граница 2 - 3);
б) волны, прошедшей через верхнюю границу, прошедшую через слой, отразившейся затем от нижней границы (граница 1 - 2), прошедшей снова через слой и, наконец, вышедшей из слоя через её верхнюю границу;
в) волны, прошедшей в слой, имеющей два отражения от нижней границы, одно - от
верхней, прошедшей два раза туда и обратно по слою и снова вышедшей из слоя и т. д.
Рисунок 1. Схема для определения коэффициентов отражения и прозрачности
В расчётах используются допущения: амплитуда падающей волны равна единице; фактор exp(—гю?) , дающий временную зависимость, для сокращения записи опущен.
Тогда при данных допущениях, суммируя все волны, из которых формируется общая отражённая волна
R32 + D32R21D23 exp(2i£2 tos 0(и)52 ) +...
+ D32R23R:2 D23 exp(4i£2 tos 0(и)52 ) +... (1)
...+D3R3 R21D23 exp(6i£2 соз0(и)52 ) +..., где: D ,R(i, j = 1,2,3) - соответственно коэф-
фициент прозрачности и коэффициент отражения при падении ультразвуковой волны на границу (ij) из среды i; S2 - толщина НРК оболочки РВД 20 (принимаем 52 = 4,0мм).
Принимая величину амплитуды падающей ультразвуковой волны равную единице, выражение (1) представляет собой одновременно и коэффициент отражения от слоя. Этот коэффициент можно записать в виде:
R = R32 + D32D23R21 exp(2i£2 соз0(2в)52 ) х
£[r. 3Rj exp(2i£2 созЄ(2и)52 )] .
(2)
Воспользовавшись формулой бесконечной геометрической прогрессии уравнение (2) можно представить в виде:
АгАз^1 ехр(2г£2 сos0(!л)52 )
R = R32 + 32 23
1 - exp(2i£2 ^sej^)
-, (3)
Используя ранее проведенные исследования указанных выше авторов
Zj + Z,
Ri = - Rj;
(4)
D = 1 + R ; D = 1 — R .
i iJ Ji У
Подставив выражения (4) в уравнение (3) после
n=0
преобразования получим:
Л, + Я е(2'кс“
Я = -
1 + Яз2 Я21 е
(5)
О поведении ультразвуковых волн на границе сред судят по отношению акустического давления к нормальной составляющей колебательной скорости, т.е. по величине акустического импеданса, который определяется по известной формуле
= р = Р,С, (6)
' а ^е(л) ’ ()
где: а - колебательная скорость частиц в УЗ волне; р(С - волновое сопротивление среды.
Подставив в уравнение (5) вместо Яи величины акустических импедансов сред 2 и 2], уравнение для определения общего коэффициента отражения от наружного резинового корда (см. рис.) примет вид
(2+2 )(2 - 2) е-“! с“е<!")52+(2 - 2 )(2+2) е“! ™е<!")52
я = -
! + (21 -!,)(!2 - 1г)еа
(7)
Используя равенство давлений сверху и снизу от границы раздела сред, можно записать
1 - Я = Б, (8)
При переходе УЗ волны из одной среды в другую (е(л) Ф 0), т.е. волна под каким-либо углом к поверхности, происходит преломление ультразвуковой волны. Величина угла преломления е(лр) определяется из закона Снеллиуса:
8т е(л) С,.
8т е
( лР)
С
(9)
Учитывая вышесказанное, определяется величина коэффициента отражения при е(л) = О0 (теневой метод), и е(л) = 100 (эхо-метод). Величина угла преломления для каждой границе сред (рис. 2) определяется по формуле (9). Результаты расчётов коэффициентов отражения и прозрачности УЗ волны от НРК оболочки РВД при разных способах контроля приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Величина коэффициентов отражения и прозрачности
гра- ница сред эхо-метод теневой метод
величина угла, гр. Я величина угла, гр. Б
е(л) е(о} е(лр) е( л) е(о) е( лр)
3 - 2 10 10 4 о" 0 0 0 О
2 - 1 4 4 13 0,49 0 0 0 0,58
Из результатов таблицы видно, что наибольшая часть ультразвуковой волны проходит через наружный резиновый корд оболочки РВД. Величина угла преломления е( лр) = 130 (граница 2 - 1), одновременно является величиной угла падения на границу среды 1, а так как е(л) = 130 <е , то угол преломления, коэффициенты отражения и прозрачности будут действительными величинами.
Учитывая, что при наклонном падении ультразвуковой волны ее амплитуда в слое быстрее ослабевает в результате переноса энергии вдоль слоя, т. е. вследствие ухода из фронта распространения волны, а при нормальном падении в результате наложения на эхо-сигнал сигналов структурных помех, сигналов собственных шумов излучателя усложняется процесс расшифровки эхо-сигнала, можно сделать вывод, что лучшим для диагностирования состояния оболочки РВД и более простым в расшифровке сигналов, является теневой метод.
Разработка способа ультразвукового диагностирования РВД
Рассмотрим способ технического контроля наличия внутренних дефектов любых упругих трубопроводов содержащих армирующий слой (например, РВД), предложенный патентом [5].
Здесь на наружную резиновую поверхность РВД устанавливают раздельно - совмещённый (РС) электроакустический преобразователь, включающий излучающий пьезоэлемент (излучатель) ультразвуковых колебаний и приёмный пьезоэлемент (приёмник), принимающий отражённый от дефекта ультразвуковой сигнал. Место контакта РС электроакустического преобразователя с наружной поверхностью РВД обрабатывают тонким слоем согласующей среды (например, солидол, смазка «Литол-24», технический вазелин, жидкое мыло и др.). Излучающий пьезоэлемент подаёт ультразвуковой импульс воздействий на РВД. Проходя через многослойную оболочку РВД, отражаясь от каждого её слоя, импульсное воздействие, попадает на приёмный пьезоэлемент. Приёмный пьезоэлемент принимает сигнал, отражённый от наружной поверхности (зондирующий), и сигнал, отражённый от внутренней поверхности каждого слоя (донный), а при наличии дефекта - дополнительную отражённую составляющую, которая появляется во времени между зондирующим и донном сигналом. Принятые приёмным пьезоэлементом ультразвуковые сигналы трансформируются в электрические импульсы и выводятся на экран импульсного УЗ дефектоскопа. Оператор визуально оценивает полученные результаты путём сравнения их с результатами испытания не по-
г
2 2
вреждённых РВД.
Предложенный способ поясняется схемой, представленной на рис. 2. Импульсный ультразвуковой дефектоскоп состоит из: генератора зондирующих импульсов 1, усилителя 4, системы временной регулировки чувствительности 5, электронно-лучевой трубки 6, автоматического сигнализатора дефектов 7, измерительного устройства 8, синхронизатора 9 и генератора развёртки 10. Генератор 1 соединён с излучателем ультразвуковых колебаний 2, который установлен на резиновой поверхности 11 РВД. Между излучателем и поверхностью РВД находится согласующая среда 12. Приёмный пьезоэлемент 3 соединён со входом усилителя
4. Новым в методе диагностирования РВД, является то, что для создания возмущающего воздействия используется излучатель ультразвуковых волн.
Кроме эхо-метода УЗ контроля может использоваться метод прохождения (теневой метод). Аппаратура для контроля теневым методом проще, чем для эхо-метода. Количественная оценка выявляемости дефекта при теневом (амплитудном) методе определяется изменением амплитуды сквозного ультразвукового сигнала от излучателя к приёмнику. При теневом методе на наружную резиновую поверхность РВД с двух сторон устанавливают электроакустические преобразователи: излучатель ультразвуковых колебаний и приёмник, принимающий прошедший через оболочку РВД ультразвуковой сигнал. Схема теневого метода приведена на рисунке 2.
I
3
10 9 1
а)
12
Сравнивая скорость распространения упругих волн, изображения волновой картинки на экране дефектоскопа, затухание упругих волн в эталоне и исследуемом РВД (эхо-метод), а по отношению электрических сигналов V / иг , характеризующими ослабление дефектом амплитуды сквозного ультразвукового сигнала, прошедшего от излучателя к приёмнику (теневой метод), можно оценить наличие внутренних дефектов в оболочке РВД. По данным, приведённым в известных литературных источниках можно сделать вывод, что уменьшения амплитуды ультразвукового сигнала указывают на наличие дефекта на пути этого сигнала.
Определение частоты колебаний ультразвуковой волны для диагностирования оболочки РВД
Применение ультразвукового метода контроля состояния РВД сопряжено с рядом технических проблем, к числу которых относится определение частоты ультразвуковой (УЗ) волны при прохождении через оболочки РВД.
Прохождение ультразвуковой волны через границу улучшает слой (согласующая среда, например, вода), волновое сопротивление которого лежит в интервале между волновыми сопротивлениями сред. Полное «просветление» границы среды происходит при условии, что коэффициенты отражения Я и прозрачности В: В = 1, Я = 0. Для оптимального «просветления» границы среды следует брать наиболее тонкий «просветляющий» слой при нормальном падении
Ис= Хо/4,
(10)
Рисунок 2. Методы ультразвукового контроля состояния оболочки РВД специализированных машин: а) - эхо-метод; б) - теневой метод
где: Ис - толщина слоя полного «просветления» границы среды, м; Хс - длина волны полного «просветления» границы среды, м.
Скорость распространения звука связана с длиной волны и частотой колебаний соотношением:
С
I = -, (11)
где: С - скорость распространения продольных акустических волн, м/с; X - длина волны, м.
Выразив, длину волны через толщину и скорость распространения УЗ волны по формуле (10), подставив в формулу (11), найдём частоту колебаний для нормального падения УЗ волны на оболочку рукава высокого давления, которая определяется по формуле:
I = С/4ИС , (12)
На специализированные машины устанавливаются в подавляющем большинстве РВД ТУ 22-4756 - 80, ТУ 22-5923 - 85.
Величина угла преломления для каждой границы сред определяется из закона Снелли-
5
7
6
6
8
9
уса по формуле
sin Є(п) sin Є(о) sin Є("р)
------=------= ——, (13)
CCC
CL1 CL1 CL2
где в варианте нормального падения
Є(п) = є(о) = є(пр) = о
Расчётная схема оптимальных значений f и Хс для контроля оболочки РBД, при которых выполняется условие полного «просветления» границ сред показана на рисунке 3. Так как толщина согласующей среды очень мала, при расчётах её можно не
учитывать.
Л ! согласующая среда у
HP 4т = 4™ \ | I 4а) Zi = PjC,
мк =A™ j ! t А? Z2 — р 2 С2
ВРК А™ = 4И)1 ! \ А? z,=z1 =
РЖ А(пр) = А(п\ | z+ = р4С4
Рисунок 3. Распространение УЗ волны в оболочке РВД
проблемы сервиса. 2013. №3(25).-с. 6 -12.
Таблица 2 - Расчётная оптимальная длина волны (Хс) и частота колебания (/)
а ар B мР гра- ница сред нормальное падение
Хс, 1G 2 м f кГц
тип Л тип Б тип B тип Л тип Б тип B
РBД 12 НРК- МК 12 11,6 196 2G3
МК- BРК 8 74G
BРК- РЖ 8 287
РBД 16 НРК- МК 17 16 138 146
МК- BРК 1G 592
BРК- РЖ 1G 23G
РBД 20 НРК- МК 17 16 138 146
МК- BРК 12 493
BРК- РЖ 1G 23G
РBД 25 НРК- МК 18,6 18 126 131
МК- BРК 18 329
BРК- РЖ 12 192
Результаты расчётов оптимальных значений / и Хс для контроля оболочки РВД приведены в таблице 2.
Рассматривая формулы (11), (12) в качестве целевых функций и учитывая то, что частота колебаний УЗ волны при прохождении слоёв оболочки РВД не изменяется, была проведена оптимизацию по критерию сохранения энергии (скорости) волны. Откуда получено, что для уменьшения потерь энергии УЗ волны при прохождении через НРК, целесообразно использовать излучатели с частотой колебаний в интервале от 126 до 203 кГц. Таким образом, показано, что частота колебаний около 200 кГц может считаться оптимальной для работы дефектоскопа контроля оболочки РВД.
Литература
1. Дружинин П. В., Бабушкин М. Ю. Диагностирование и прогнозирование остаточного ресурса рукавов высокого давления.// Технико-технологические
2. Испытательный гидростатический стенд ВЕ
1500. // [Интернет-ресурс] ИКЬ:
http://www.hydrostar.ru/ eq_sup6.html (дата обращения 10.11.2013).
3. Испытательный стенд ВС 1200// [Интернет-ресурс] ИКЬ: http://hydravia.ru/content/view/118/26 (дата обращения 10.11.2013).
4. Федоров В.К., Иванов С.П. Способ технического
диагностирования упругих трубопроводов (Патент ЯИ 2І73413): [Интернет-ресурс] ИКЬ:
http://www.findpatent.ru/patent/217/2l734l3.html (дата обращения 10.11.2013).
5. Федоров В.К., Иванов С.П. Способ технического
диагностирования упругих трубопроводов (Патент ЯИ 2153602): [Интернет-ресурс] ИКЬ:
http://www.findpatent.ru/patent/217/2173413.html (дата обращения 10.11.2013).
6. Ермолов И.Н., Алёшин Н.П., Потапов А.И. Неразрушающий контроль. Кн.2. Акустические методы контроля. - М.: Высшая школа. - 1991. - 283 с.
7. Техническая диагностика гидравлических приводов./ Под ред. Т.М. Башты. - М.: Машиностроение, 2002. - 264 с.
1 Дружинин Петр Владимирович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры "Технология обслуживания транспортных средств" СПбГУСЭ, тел. (812) 367-39-92, e-mail: chair.avto@spbsseu.ru;
2 Бабушкин Михаил Юрьевич - инженер, аспирант кафедры "Технология обслуживания транспортных средств" СПбГУСЭ, тел. (812) 367-39-92, e-mail: chair.avto@spbsseu.ru.
