CC BY
4й0110.36508тВАГи.2020.64.15.016
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
КОКОРЕВ Геннадий Дмитриевич, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры «Техническая эксплуатация транспорта», kgd5408@rambler.ru
ЖУРАВЛЕВА Елизавета Анатольевна, аспирант, lizunia0000@rambler.ru Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
УДК 621.436
В исследовании рассмотрены некоторые составляющие технической эксплуатации автомобильной техники (АТ), связанные с диагностированием топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания (ДВС), причем с целью осуществления неразрушающего контроля предлагается применять ультразвуковую и акустико-эмиссионную системы технического диагностирования.Необходимо констатировать, что при рассмотрении соотношений, показывающих взаимосвязь акустических и физико-механических параметров материалов, в основном используется временной интервал, и при его некорректном измерении получаем низкую информативность и невысокую точность акустических методов определения механических характеристик. При разработке методики использованы принципы спектрального анализа импульсов, отраженных от исследуемых элементов АТ, на которых опирается также метод разработки как аппаратного так и программного обеспечения для обработки полученных сигналов. Результаты предыдущих исследований дают основание полагать, что применение преобразований Фурье обеспечивает получение достоверной информации, основанной на акустических сигналах, если последовательность измерений составляет около 10 секунд. Опыт разработчиков системы свидетельствует о высокой информативности параметров распространения рэлеевских волн. В связи с этим система была укомплектована специально разработанным малобазным датчиком рэлеевских волн. Регистрированные отраженные сигналы в последующем обрабатываются пакетом прикладных программ. Данный преобразователь может быть эффективно использован в задачах контроля накопления повреждений в материале элементов АТ, подвергаемых упруго-пластическим и усталостным воздействиям.Принцип действия системы основан на стробоскопическом эффекте восстановления отраженных импульсов, которые получаются в результате «облучения» материала обследуемого элемента АТ зондирующими импульсами в указанной полосе частот.
Ключевые слова: ДВС, топливная аппаратура, спектрально-акустическая система диагностирования, релеевский пьезопреобразователь, планарный матричный датчик, зондирующий импульс, отраженный импульс.
Введение
Массовое оснащение предприятий сельского хозяйства средствами АТ позволило добиться высоких результатов при производстве сельхозпродукции, однако предъявило ряд требований по поддержанию АТ на достаточном высоком техническом уровне [1-4]. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к способам контроля технического состояния систем АТ [3,4]. Своевременное обнаружение и устранение отказов и повреждений обеспечивает готовность АТ к использованию по назначению, а также значительную экономию средств на содержание машин при хранении.
Наименование разрабатываемого изделия -ультразвуковая и акустико-эмиссионная системы диагностирования топливной аппаратуры автомобильной техники.
Целью выполнения работы является создание системы ультразвуковой (УЗК) и акустико-эмисси-онной (АЭ) систем технического диагностирования для проведения контрольно-диагностических и регулировочно-настроечных работ машин в целях повышения способности машин противостоять воздействию внешних факторов.
Объекты и методы
Основа предложенной методики заключается в обработке импульсов, отраженных от поверхности
исследуемого элемента АТ.
Положим, что на входе исследуемого элемента спектр сигнала имеет следующий вид:
Ftcfcx) =| F(G>,0)| exp G* (í»,0)), (1)
где F - функция описывающая спектр сигнала w - круговая частота сигнала; j и Ф - характеристики спектра сигнала. На расстоянии х от границы материала спектр импульса:
F(cd,X) =| F(CD,0)|K(GJ,X), (2)
где K(w,x) - передаточная функция материала.
Спектр на расстоянии x выглядит следующим
образом:
F(G),X) F(ra,0)| ехр(-а (о})х)ёхр(-ДЧ' (ю,0)+
+■ tox/V(x)}, (3)
Преобразуя выражение (3), имеем:
|F(co,x)| = | F(co,0)| ехр(-а (со)х) (4)
ЧЧю.х) = ¥ (со.О) +cox/V(x) (5)
Учитывая, что
|F(co,x)[ = V [А(шх)]2+[В(шх)]2 (6)
Т(ю,х) - arctg[B(cox)/ А(гах)], (7)
где:
А(юх) = J
В(соХ) = |
U(t,x)cos{cot)dt U(t,x)sin(«t)dt,
(8) (9)
где А - амплитудная, В - фазовая характеристики сигнала.
В результате описание акустических параметров будет иметь вид:
аН = (1/х)1п(|РК0)ИР(со,Х)|) (Ю)
Л V = ш Л х/{Ч'(га,х) - Т(сп,0) (11)
Предположим, что мы имеем отраженные импульсы, прошедшие соответственно пути х1 и х2 из (10), (11) получим:
сх(а>) = (1/Д X) 1п(|Р(ю,Х1)|/|Р(оз,Х2)0 Д V = шДх/^ю.Хг) -^{ю.хО), где х = х2 - х1
Для величин а (ы) и Д^ы) получим: а(ш) = (1/Д Ь) 1п(|Р(юДо1)|/|Р(ЮДо2)|)
где Дt отражает временной интервал между первым и вторым импульсами,
Д ^ы) показывает временные интервалы разных фаз импульса.
Принимая во внимание (12), (13) получим:
аИ = {1/2Д01п({[А1Ир+| (17)
+[В1(Ю)р)/ ([А2(ш)]2+[В2(ш)р)) А Цю) = (1/со)(агйд(В2(ю")/А2(а)) -- агс{д(В1(ю)/А1(ю))
(12)
(13)
(14)
(15)
(18)
3. Основные технические характеристики системы:
3.1 длительность зондирующих импульсов -регулируемая, в диапазоне 50-150 нс;
3.2 частотный диапазон приемного канала 3-15 МГц;
3.3 погрешность измерения задержки между зондирующим и отраженным импульсом при постоянной установке датчика - не более 100 нс;
3.4 поддержка последовательного автоматического опроса 25 датчиков;
3.5 питание - от сети 220 В или от аккумулятора компьютера;
3.6 используемые пьезопреобразователи.
С системой могут быть использованы стандартные совмещенные и раздельно-совмещенные преобразователи, используемые приборами в дефектоскопии и (при измерении линейных размеров) толщинометрии.
Кроме того, могут применяться специальные пьезопреобразователи, описанные ниже.
Опыт разработчиков системы вместе с многочисленными опубликованными экспериментальными данными свидетельствует о высокой информативности параметров распространения рэлеевских волн [5]. В связи с этим система была укомплектована специально разработанным ма-лобазным датчиком рэлеевских волн, конструкция которого показана на рисунке 1.
Результирующие формулы хорошо описывают фазовые характеристики импульсов, в связи с чем возможно их применение в акустико-механических соотношениях.
Результаты предыдущих исследований (3) дают основание полагать, что применение преобразований Фурье обеспечивает получение достоверной информации, основанной на акустических сигналах, если последовательность измерений составляет около 10 секунд.
Апробация макета пробной конфигурации позволила сформулировать следующие основные требования по конструктивному исполнению спектрально-акустической системы:
1. Принцип работы:
система представляет собой ультразвуковое устройство, работающее в полосе частот 3-15 МГц. Принцип действия системы основан на стробоскопическом эффекте восстановления отраженных импульсов, которые получаются в результате «облучения» материала обследуемого элемента АТ зондирующими импульсами в указанной полосе частот.
2. Состав системы:
система состоит из измерительного модуля, переносного компьютера типа «Notebook», специальных
ультразвуковых датчиков и соединительных кабелей.
1 - двусторонний клин из оргстекла; 2 - источник релеевских волн; 3 - регистратор релеевских волн;
4 - устройство регистрации "термоимпульсов"; 5 - оболочка датчика; 6 - информационная магистраль Рис. 1 - Датчик рэлеевских волн
От традиционно используемых преобразователей рекомендуемый в данной методике отличается тем, что, кроме излучателя (2) и приемника (3), на нем установлен дополнительный излучатель -приемник (4) небольших размеров, возбуждающий в материале клина серию отраженных импульсов продольных волн.
Данный преобразователь может быть эффективно использован в задачах контроля накопления повреждений в материале элементов АТ, подвергаемых упруго-пластическим и усталостным воздействиям.
Для задач профилометрии (контроля профиля обратной корродированной поверхности) удобно использовать планарный матричный датчик, вид которого схематически показан на рисунке 2.
Рис. 2 - Планарный матричный датчик
На рисунке 3 приведен фрагмент профиля обратной корродированной поверхности бензобака, восстановленного с помощью планарного датчика.
Рис. 3 - Фрагмент профиля обратной поверхности бензобака
Экспериментальная часть
Результаты экспериментальных исследований позволили сформулировать следующие основные требования к преобразователям и способам возбуждения акустических сигналов:
1) в качестве контактной смазки целесообразно использовать хорошо смачивающую жидкость - эпоксидную смолу без отвердителя, трансформаторное масло, глицерин;
2) должна быть обеспечена максимальная чувствительность преобразователя, определяемая значением модуля коэффициента преобразования на оптимальной рабочей частоте;
3) должна быть обеспечена максимальная стабильность акустического контакта преобразователя с исследуемым элементом;
4) должны быть максимально снижены помехи, возникающие при наложении отраженных сигналов элементов преобразователя;
5) необходимо согласовать сопротивление электрической цепи с элементами блока возбуждения - приема акустических сигналов.
Результаты экспериментальных исследований позволили сформулировать следующие основные требования к преобразователям и способам возбуждения акустических сигналов:
1) в качестве контактной смазки целесообразно использовать хорошо смачивающую жидкость: эпоксидную смолу без отвердителя, трансформаторное масло, глицерин;
2) должна быть обеспечена максимальная чувствительность преобразователя, определяемая
значением модуля коэффициента преобразования на оптимальной рабочей частоте;
3) должна быть обеспечена максимальная стабильность акустического контакта преобразователя с исследуемым элементом;
4) должны быть максимально снижены шумы преобразователя, определяемые ревербераци-онно- шумовой характеристикой, для чего должно быть обеспечено максимальное подавление многократных отражений упругих волн в протекторе, демпфере и других элементах преобразователя;
5) должно быть обеспечено согласование электрического импеданса преобразователя с генератором и усилителем блока возбуждения-приема акустических сигналов.
Для подготовки аппаратуры к измерениям должны быть использованы эталонные образцы двух типов:
тип 1 - плоские образцы по ГОСТ 23702 для контактных пьезопреобразователей, служащие для подбора параметров пьезопреобразователей и настройки аппаратуры;
измерения на эталонных образцах типа 1 проводятся при условии:
- температура окружающего воздуха (293±5)К [(20±5)0С];
- относительная влажность воздуха (65±15)%. тип 2 - стандартные образцы, служащие для проведения комплекса обучающих экспериментов и изготовленные из материала обследуемых элементов ТА АТ.
Образцы типа 2 должны удовлетворять требо-
ваниям нормативно-технической документации на проведение соответствующих механических и других испытаний, необходимых для установления требуемых характеристик материала элемента АТ.
Спектр отраженного импульса представлен на рисунке 4. Зондирующий импульс считается удовлетворительным по параметрам амплитудного спектра, если огибающая последнего имеет гладкий квазигауссовский характер, соответствующий рис. 4 а).
Для количественной оценки поврежденности материала использовался параметр Т , то есть проводилось измерение значение фазовой задержки Тг
Пробные эксперименты показали чувствительность измеряемых с помощью системы спектрально-акустических характеристик к процессам накопления усталостных повреждений в стали 12Х18Н9Т.
Образцы испытывались в режиме малоци-
А А
-и
кловой усталости в диапазоне долговечностей 103 - 104 циклов. Режим нагружения (растяжение-сжатие) выбран жестким для большего соответствия условиям реальной эксплуатации элементов ТА АТ, подвергаемых усталостным воздействиям.
Температура испытания: 20 °С.
Для исследований были взяты 2 образца: № 1 и № 2.
Образцы нагружались в 4 этапа.
Этапы нагружения для образца № 1 (с большой амплитудой деформации):400, 800, 1200 и 1400 циклов; макротрещины возникли после 3-го этапа нагружения (1200 циклов).
Этапы нагружения для образца № 2 (с малой амплитудой деформации):1000, 2000, 5000 и 8000 циклов; макротрещины возникли после 3-го этапа нагружения (5000 циклов).
В таблицах 1 и 2 приведены усредненные по 5 измерениям информативные параметры Т для образцов №№ 1,2 на разных этапах нагружения.
А
Ь Ь2
а) б) в)
Рис. 4 - Вид амплитудных спектров отраженного импульса Таблица 1 - Изменение параметра Т в процессе нагружения образца № 1.
N циклов 0 400 800 1200 1400
Т^ нс 3344 3388 3395 3414 3394
Таблица 2 - Изменение параметра Т в процессе нагружения образца № 2.
N циклов 0 1000 2000 5000 8000
Т^ нс 3342 3361 3363 3379 3373
Формы спектра, приведенные на рис. 4 (б) и спечивающего получение амплитудного спектра,
4 (в), свидетельствуют о необходимости дополни- приведенного на рисунке 4. тельной настройки аппаратуры до состояния, обе- Вид фазового спектра представлен на рисунке 5.
и и и
а б в
Рис.5 - Примеры различных видов фазовых спектров
После подготовки аппаратуры на эталонном образце типа 1 проводится проверка формы спектра зондирующих импульсов и соответствующая подстройка аппаратуры на эталонных образцах типа 2.
В основу работы аппаратной части предложенной системы положен способ подробной регистрации всей серии отраженных акустических импульсов для ее последующей обработки средствами программной части системы.
Апробация макета пробной конфигурации позволила сформулировать следующие основные требования по конструктивному исполнению спектрально-акустической системы.
1. Принцип работы.
Система представляет собой ультразвуковое устройство, работающее в полосе частот 3-15 МГц. Принцип действия системы основан на стробоскопическом эффекте восстановления отраженных импульсов, которые получаются в результате «облучения» материала обследуемого элемента АТ зондирующими импульсами в указанной полосе частот.
2. Состав системы.
Система состоит из измерительного модуля, переносного компьютера типа «Notebook», специальных ультразвуковых датчиков и соединительных кабелей.
3. Основные технические характеристики системы.
3.1. Длительность зондирующих импульсов -регулируемая, в диапазоне 50-150 нс.
3.2. Частотный диапазон приемного канала 3-15 МГц.
3.3. Погрешность измерения задержки между зондирующим и отраженным импульсами при постоянной установке датчика - не более 100 пс.
3.4. Поддержка последовательного автоматического опроса 25 датчиков.
3.5. Питание - от сети 220 В или от аккумулятора компьютера.
3.6. Используемые пьезопреобразователи.
Выводы
Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что полученные на выходе системы
информационные характеристики адекватно отражают присутствующие в элементах ТА АТ повреждения.
По результатам апробации на элементах конструкции АТ разработанную систему можно применять, в том числе, для контроля технического состояния системы топливоподачи АТ.
Список литературы
1. ГОСТ 25176-82. Средства диагностирования автомобилей, тракторов, строительных и дорожных машин.
2. ГОСТ 27518-87. Диагностирование изделий. Общие требования.
3. Система перспективных методов и средств технического диагностирования машин и оборудования АПК. Научный отчет. - М.: ГОСНИТИ, 1996.61 с.
4. Кокорев Г.Д. Повышение эффективности процесса технической эксплуатации автомобильного транспорта в сельском хозяйстве/Г.Д. Кокорев//Материалы международной юбилейной научно-практической конференции посвященной 60-летию РГАТУ.- Рязань: РГАТУ, 2009.С. 166-177.
5. Кокорев Г.Д. Современное состояние виброакустической диагностики автомобильного транспорта / Г.Д. Кокорев, И.Н.Николотов, И.А.Успенский // Нива Поволжья. Февраль 2010 №1 (14) - С. 39-43.
6. Успенский И.А. Основные принципы диагностирования МСХТ с использованием современного диагностического оборудования / И.А. Успенский, П.С. Синицин, Г.Д. Кокорев // Сборник научных работ студентов РГАТУ. Материалы научно-практической конференции. - Рязань. 2011, 1 том. - С. 263-269.
7. Анализ методов диагностирования топливной аппаратуры автотракторных дизелей и разработка математической модели топливного насоса высокого давления / Н.В. Бышов, С.Н. Борычев, И.А. Успенский, И.А. Юхин и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2016. - №123(09). - Режим доступа: http:// ej.kubagro.ru/2016/09/pdf/10.pdf.
DEVELOPMENT OF METHODS FOR NONDESTRUCTIVE TESTING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE FUEL EQUIPMENT
Kokorev Gennady D., Dr. tech. doctor of science, associate Professor, Professor of the Department "Technical operation of transport", Ryazan state agrotechnological University named after p. A. Kostychev, kgd5408@rambler.ru
Zhuravleva Elizaveta A., post-graduate student, Ryazan state agrotechnological University named after p. A. Kostychev, lizunia0000@rambler.ru
The study considers some components of technical operation of automotive equipment (at) related to the diagnosis of fuel equipment of internal combustion engines, and for the purpose of non-destructive testing, it is proposed to use ultrasonic and acoustic emission systems for technical diagnostics. It should be noted that when considering the relations showing the relationship between acoustic and physical-mechanical parameters of materials, the time interval is mainly measured, and if the measurement is incorrect, the relationship between the acoustic and physical-mechanical parameters of the material often gives low information content and low accuracy of acoustic methods for determining mechanical characteristics. When developing the technique, the principles of spectral analysis of pulses reflected from the studied at elements are used, which also support the
method of developing both hardware and software for processing the received signals. The results of previous studies suggest that the use of Fourier transforms provides reliable information based on acoustic signals, if the measurement sequence is about 10 seconds. The experience of the system developers shows that the parameters of Rayleigh wave propagation are highly informative. In this regard, the system was equipped with a specially developed low-base relay wave sensor. The registration of reflected signals is then processed by a package of application programs. This Converter can be effectively used in the tasks of monitoring the accumulation of damage in the material of at elements subjected to elastic-plastic and fatigue effects. The principle of operation of the system is based on the stroboscopic effect of recovery of reflected pulses, which are obtained as a result of "irradiation" of the material being examined by the at element with probing pulses in the specified frequency band.
Key words: internal combustion engine, fuel equipment, technical condition monitoring, spectral-acoustic diagnostics system, relay piezoelectric Converter, planar matrix sensor, probing pulse, reflected pulse.
1. GOST 25176-82. Sredstva diagnostirovaniya avtomobilej, traktorov, stroitel'nyh i dorozhnyh mashin.
2. GOST 27518-87. Diagnostirovanie izdelij. Obshchie trebovaniya.
3. Sistema perspektivnyh metodov i sredstv tekhnicheskogo diagnostirovaniya mashin i oborudovaniya APK. Nauchnyj otchet. - M.: GOSNITI, 1996.-61 s.
4. Kokorev G.D. Povyshenie effektivnosti processa tekhnicheskoj ekspluatacii avtomo-bil'nogo transporta v sel'skom hozyajstve/G.D. Kokorev//Materialy mezhdunarodnoj yubilejnoj na-uchno-prakticheskoj konferencii posvyashchennoj 60-letiyu RGATU.- Ryazan': RGATU, 2009.S. 166-177.
5. Kokorev G.D. Sovremennoe sostoyanie vibroakusticheskoj diagnostiki avtomobil'nogo transporta / G.D. Kokorev, I.N.Nikolotov, I.A.Uspenskij//Niva Povolzh'ya. Fevral' 2010 №1 (14) - S. 39-43.
6. Uspenskij I.A. Osnovnye principy diagnostirovaniya MSKHT s ispol'zovaniem so-vremennogo diagnosticheskogo oborudovaniya / I.A. Uspenskij, P.S. Sinicin, G.D. Kokorev // Sbornik nauchnyh rabot studentov RGATU. Materialy nauchno-prakticheskoj konferencii. - Ryazan'. 2011, 1 tom. - S. 263-269.
7. Analiz metodov diagnostirovaniya toplivnoj apparatury avtotraktornyh dizelej i razrabotka matematicheskoj modeli toplivnogo nasosa vysokogo davleniya /N.V. Byshov, S.N. Bory-chev, I.A. Uspenskij, I.A. YUhin i dr. // Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Ku-banskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Elektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2016. -№123(09). - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2016/09/pdf/10.pdf.
Literatura
