Акустические методы
УДК 620.179.16
ВЛИЯНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ ПЕРЕПАДОВ СЕЧЕНИЯ НА КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТЬ ПРУТКА ПРИ КОНТРОЛЕ АКУСТИЧЕСКИМ ВОЛНОВОДНЫМ МЕТОДОМ
О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин
Теоретически и экспериментально исследованы закономерности формирования акустического шума прутка с регулярными перепадами сечения. Оценено влияние его геометрических и основных параметров контроля на контролепригодность при контроле акустическим волноводным методом. Даны рекомендации по улучшению контролепригодности прутка.
Ключевые слова: акустический волноводный контроль, прутковый прокат, перепады сечения, контролепригодность.
ВВЕДЕНИЕ
Стальной прутковый прокат занимает в продукции предприятий черной металлургии значительный объем, в частности, как заготовка при производстве насосных штанг, инструмента, пружин, валов, подшипников и т. д. Важнейшим условием при организации производства указанных объектов является входной контроль прутков-заготовок, исключающий появление в процессе производства дефектов, унаследованных от прутка-заготовки. Одним из эффективных методов неразрушающего контроля пруткового проката является волноводный акустический контроль, обладающий рядом существенных преимуществ в сравнении с другими видами неразрушающе-го контроля [1]. В частности, метод реализуется со стороны торцев прутка, не требует сканирования, дополнительной подготовки поверхности объекта контроля и применения контактных жидкостей или иммерсионной среды; обладает высокой чувствительностью как к внутренним, так и к поверхностным дефектам, особенно при реализации метода на многократных отражениях [2, 3].
Волноводный акустический метод контроля прутков реализован при помощи следующего разработанного оборудования: акустические дефектоскопы прутков (АДП) и насосных штанг (АДНТТТ), используемые при входном контроле прутков-заготовок для производства насосных штанг [4—6]; быстрорежущего инструмента из инструментальной стали [1]; пружин из пружинно-рессорной стали [7].
На контролепригодность проката акустическим волноводным методом влияет акустический шум прутка, обусловленный как неровностями поверхности тела прутка, так и "низким качеством" металла (внутренние неметаллические включения, ликвации, флокены, мелкие волосовины на поверхности, скопления дислокаций, а также дефекты неизменных размеров, протяженные вдоль всей длины прутка — закаты, лампасы и др.) [8]. Как правило, средний уровень акустических шумов при контроле прутков мал и составляет 0,1 % от амплитуды эхоимпульса от противоположного торца прутка (при уровне браковки 0,5 % и выше). Одним из факторов, ограничивающих чувствительность акустического волноводного контроля прутков, является наличие периодичес-
Ольга Владимировна Муравьева, доктор техн. наук, профессор кафедры "Приборы и методы контроля качества". Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова. Тел. (3412) 58-88-97, 8-906-819-79-19. E-mail: nedzv@istu.ru
Виктор Анатольевич Стрижак, канд. техн. наук, доцент кафедры "Приборы и методы контроля качества". Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова. Тел. (3412) 58-88-97, 8-922-67-75-123. E-mail: str@istu.ru
Андрей Васильевич Пряхин, заведующий лабораториями кафедры "Приборы и методы контроля качества". Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова. Тел. (3412) 58-88-97, 8-922-68-65-882. E-mail: 1814nrt@mail.ru
ких перепадов в геометрии его сечения, обусловленных технологией изготовления, в частности, технологией винтовой прокатки.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проведены на прутках-заготовках насосных штанг, подлежащих восстановлению, из штанг, бывших в употреблении. Новая насосная штанга изготавливается в соответствии с ГОСТ 13877—96 [9]. Технология восстановления тела насосной штанги реализована на ОАО "Очерский машиностроительный завод" в соответствии с ТУ 3665-032-00217515-04 [10] и производится методом поперечно-винтовой прокатки. Согласно этому ТУ к восстановлению допускаются штанги с износом не более 20 % площади поперечного сечения. Указанной потере площади поперечного сечения для штанги с условным диаметром 19 мм соответствуют дефекты типа "лыска" глубиной 4,9 мм или "утяжина" глубиной 2,1 мм.
Контроль тела восстановленной штанги на ОАО "Очерский машиностроительный завод" проводится с помощью акустического дефектоскопа АДНШ-3, реализующего волноводный метод контроля. В качестве примера, на рис. 1 представлена типичная эхограмма тела восстановленной насосной штанги, полученная с использованием дефектоскопа АДНТТТ Препятствием для контроля является наличие на эхограмме сигнала (акустического шума) в виде синусоиды с амплитудой Ап до 1 % от амплитуды донного сигнала (рис. 16), что в два раза превышает рекомендуемый для дефектоскопа АДНШ уровень браковки (0,5 %) [4, 5]. Высокий уровень акустическо-
А, % 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100
< Зондирующий Донный
импульс импу ьс
/1 1
ц /V 1
г
I --->
0,0
0,5
1,0
1,6
2,1
2,6
3,1 3,6
Г, мс I, м
Г, мс I, м
Рис. 1. Вид эхограммы восстановленного прутка-заготовки насосной штанги с периодическим изменением диаметра, полученной с использованием дефектоскопа АДНШ: сигнал без ограничения (а); зондирующий и донный импульсы в ограничении (б).
а
б
го шума, с одной стороны, ограничивает чувствительность метода, с другой стороны, может приводить к существенной перебраковке при использовании принятого уровня браковки.
С целью оценки влияния на контролепригодность прутка акустическим волноводным методом, были исследованы изменения в геометрии сечения прутка по его длине для прутков-заготовок насосных штанг, прошедших восстановительную операцию по технологии поперечно-винтовой прокатки. Измерения диаметра прутка с помощью штангенциркуля (точность 0,01 мм) в двух взаимно-перпендикулярных направлениях (й^ й) с шагом 10 мм вдоль образующих по длине прутка I показали наличие достаточно регулярных вариаций по с_ечению (рис. 2). Отклонение диаметров Айх и Ай от среднего значения й = 19,3 мм представлено на рис. 2а. Максимальное значение по диаметру составило й = 19,48 мм, минимальное — й = 19,05 мм. Отметим, что диаметр
тах тт Т^^у-ТТ-
тела насосной штанги находится в пределах допуска согласно ГОСТ 13877—96 (19,1+-0)201 мм), что существенно меньше допуска на диаметр в соответствии с ТУ 3665-032-00217515-04. При этом в прутке обнаружены дефекты в виде изменения формы сечения (овальность) с отклонениями: Айх = 0,4 мм и Ай = 0,12 мм на координате 2500 мм (дефект 1); Айх = 0,3 мм и Ай = 0,1 мм на координате 3100 мм (дефект 2) (см. рис. 2а).
Периодичность Ь изменения диаметра Ай иллюстрируется рис. 2б, согласно которому наибольшее отклонение по диаметру соответствует шагу 100 мм, что может быть объяснено технологией восстановления насосных штанг методом винтовой прокатки с шагом, соответствующим обнаруженной периодичности.
а
Ай, мм А 0,14
Рис. 2. Отклонение диаметра прутка от среднего значения по длине I (а), периодичность Ь изменения диаметра по длине прутка (б).
Чтобы оценить влияние периодических перепадов в геометрии сечения прутка на его контролепригодность волноводным методом, проведено моделирование процесса формирования акустического шума при распространении стержневой волны по прутку с указанной периодичностью (рис. 3).
Рис. 3. Модуль прутка с периодическим изменением сечения.
Полагаем, что диаметр d1 соответствует участку прутка длиной L1, диаметр d2 — участку прутка длиной L2, периодичность изменения диаметра с d^ на d2 составляет L = L1 + L2. Зондирующий импульс задается в виде функции
A(t) = A0 • e-V • sin(rat), (1)
где A0 — амплитуда зондирующего импульса; ю = 2%f— циклическая частота колебаний; р — коэффициент затухания, определяемый длительностью зондирующего импульса [с-1], р = af; a — коэффициент.
При моделировании процесса распространения стержневой волны по прутку с указанной периодичностью по сечению используют формулы акустического волноводного метода, представленные в [8]. Полагаем, что акустический шум прутка формируется в результате отражений зондирующего импульса от перепада сечения с S1 на S2 в области протяженностью L1. При этом в условиях постоянства упругих свойств и плотности материала волновода (рС0 = const) коэффициент отражения R от перепада сечения определяется формулой [8]
(S12- S2 )sin (юА/C0 )
R--1 2 , (2)
^ 4S12S22 + (S12 - S22) sin2 (L /C0)
коэффициент прозрачности D — формулой [8]
D = ■ 2S1S22 , (3)
yj 4S12S22 + (S12 - S22) sin2 (eoLj /C0)
где С0 — скорость стержневой волны.
На участке прутка с перепадом сечения отражается часть энергии импульса, описываемая коэффициентом Я, оставшаяся часть энергии, описываемая коэффициентом прозрачности В, проходит через него.
Периодичность в изменении сечения прутка представляется как результат интерференции (алгебраического суммирования) по времени ^ (по длине прутка Ь) коэффициентов отражения от каждого «-го перепада, находящего-
ся на расстоянии Ь = Ь + Ь2 от п -1 перепада с учетом прозрачности каждого [11]. При построении эхограммы затуханием и дисперсией скорости пренебрегают. Коэффициент отражения от торца прутка принят равным единице.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Моделирование процесса распространения стержневой волны по прутку с периодическим изменением сечения выполнено в программной оболочке МаШСАБ. При этом использованы следующие основные параметры контроля: длина прутка I = 8 м; диаметр = 19,5 мм, й2 = 19,25 мм; период повторения геометрии сечения Ь = Ь1 + Ь2 = 0,1 м; скорость распространения стержневой волны С0 = 5200 м/с; частота колебаний / = 23,6 кГц (соответствует основной частоте спектра дефектоскопа АДНШ).
На рис. 4 приведены результаты формирования акустического шума Ап при распространении стержневой волны по участку прутка с периодическим изменением сечения при различных соотношениях Ь1 и Ь2, полученные при моделировании. При Ь1, соизмеримом с Ь2 (рис. 4а, б), формирование акустического шума является результатом интерференции отр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.