УДК 621.37:620.179.17
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН ПРИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОМ КОНТРОЛЕ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА
В. В. Муравьев, Л. Н. Степанова, А. Е. Кареев
Рассмотрены основные положения методики оценки степени опасности усталостных трещин при акустико-эмиссионном (АЭ) контроле литых деталей тележки грузового вагона на основе статистических зависимостей параметров сигналов АЭ от этапа развития дефекта.
Основной особенностью испытаний на усталость металлических конструкций является отсутствие заметных остаточных деформаций и внезапный характер заключительной стадии развития трещины, что осложняет предсказание момента разрушения объекта контроля (ОК). Поэтому для современных прочностных испытаний конструкций необходимы методы и средства неразрушающего контроля (НК), позволяющие не только следить за усталостными трещинами на ранней стадии развития, но и проводить оценку их степени опасности и остаточного срока службы.
При проведении экспериментальных исследований материалов очень важно установить момент страгивания усталостной трещины. Для этой цели все большее распространение получает метод акустической эмиссии (АЭ). Обработку экспериментальной информации осуществляют с помощью статистических методов, позволяющих сглаживать, устранять аномальные наблюдения и производить расчет основных выборочных статистик и их доверительных интервалов. В зависимости от значения параметров источников сигналов результаты АЭ-контроля представляются в виде перечня зарегистрированных источников, отнесенных к тому или иному классу. Применение определенных схем классификации источников сигналов АЭ и критерия оценки состояния ОК зависит от механических и акустических свойств материала.
Цель работы — разработка практической методики оценки степени опасности усталостных трещин при акустико-эмиссионном контроле боковых рам и надрессорных балок грузового вагона.
Оценка состояния ОК должна включать в себя анализ источников сигналов АЭ на принадлежность к тому или иному классу (сигналы от трения в захватах, от усталостной трещины и т. д.). В настоящее время разработаны различные методики анализа и интерпретации его результатов. Например, при использовании амплитудного критерия находят среднюю амплитуду не менее трех импульсов для каждого источника АЭ за выбранный интервал наблюдения и сравнивают ее с пороговым уровнем. Затем источник сигналов АЭ классифицируют по одному из четырех классов активности, определяя его потенциальную опасность для конструкции в целом. Интегральный критерий предусматривает определение активности источников сигналов АЭ через число событий в интервале времени. Локально-динамический критерий в качестве основных параметров использует число выбросов и энергию сигналов АЭ. При этом определяют нормированную величину, зависящую от динамики развития дефекта, и судят об источнике сигналов АЭ, сравнивая ее с пороговым значением. Интегрально-динамический критерий предусматривает определение коэффициента концентрации источника сигнала и его суммарной энергии. Кроме того, определяют величину, характеризующую динамику энерговыделения источника сигнала АЭ во времени.
Большинство применяемых методик ориентировано на акустические системы старого типа. Основными регистрируемыми параметрами в них
являются активность АЭ, энергия или амплитуда импульсов. Появление современных микропроцессорных систем с цифровой обработкой регистрируемой формы сигнала АЭ, которая, с одной стороны, значительно повышает точность локализации источников сигналов, а с другой, позволяет производить расчет значительно большего набора параметров сигналов, выдвинуло необходимость разработки методики оценки степени опасности ОК, которая в полной мере бы использовала информативные преимущества таких систем.
Рассматриваемая методика оценки степени опасности дефекта интегрируется в диагностический процесс контроля объекта, включающий в себя определение координат источников сигналов АЭ, определение групп источников сигналов, определение типов источников сигналов, расчет степени опасности каждого источника и ОК в целом, определение остаточного ресурса объекта. Расчетная модель ОК представляет собой совокупность зон контроля, образованных тройками или четверками датчиков — преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ). На зоны контроля накладываются локационные сетки (рис. 1) [1], задающие поля уровней браковки.
Рис. 1. Нанесение локационной сетки на боковую раму.
На рис. 1 цифрами обозначены места установки ПАЭ. Размер ячейки локационной сетки определяется исходя из скорости распространения акустического сигнала в материале ОК и необходимой точки локализации источника сигналов АЭ. Сигналы, попадающие в зоны вероятного разрушения, которые задаются локационными сетками, анализируются на принадлежность к одному источнику, для чего используются их спектральные характеристики, амплитуда, форма, корреляционная связь между сигналами. Прогноз развития дефектов ОК ведется путем анализа всех сигналов АЭ дефектной структуры.
На основе результатов статистической обработки банка данных, полученных АЭ-системой СЦАД — 16.03 (сертификат Госстандарта RU.Q37.003 А № 7023/1, № 18892—9 в Госреестре) при контроле боковых рам и надрессорных балок в вагонных депо Нижнеудинск, Инская, Кемерово [2] была разработана практическая методика оценки степени опасности дефекта. Методика допускает работу в полуавтоматическом режиме и подходит для применения в условиях депо. Для определения степени опасности дефекта и остаточного срока службы ОК используются найденные экспериментально зависимости параметров сигналов АЭ от степени развития дефекта усталостного типа. При решении задачи диагностики система по результатам локализации областей источников сигналов АЭ выделяет группы, каждой из которых соответствует один макроисточник. Для каждого из таких макроисточников рассчиты-
вается интегральный коэффициент опасности R. В качестве исходных данных для расчета коэффициента опасности R используются следующие характеристики: вид ОК; тип сигнала АЭ; максимальная амплитуда Л; частота/; время нарастания переднего фронта гпф; скорость нарастания переднего фронта сигнала АЭ, вычисляемая как СП(Ь = —— (/ = tn)
dt '
где 5(0 — огибающая сигнала АЭ; t0 — время, соответствующее точке начала сигнала. Кроме того, вводится дополнительный параметр d, названный групповым признаком, который пропорционален числу сигналов в группе с близкой локализацией, принадлежащих одному макроисточнику. Таким образом, R задается функциональной связью R = ср(/, d, A,f, /пф), где I — тип сигнала АЭ. Для группы, состоящей из N сигналов и представляющих один макроисточник, коэффициент опасности R рассчитывается как
N г ^
1=1
(1)
где Rд, Rf, R„ ф — аналитические зависимости для типа сигнала /, характеризующие вклад соответствующих параметров сигнала АЭ в коэффициент опасности R.
Зависимости RA, Rf, /?тф определяются как кусочно-линейные функции и имеют различный вид для конкретного ОК и каждого из основных типов сигналов. Вид этих функций подбирается по результатам корреляционного анализа набора сигналов из банка данных с априорно заданным коэффициентом опасности R. Для конкретного сигнала функции А,/, ?пф
мало зависят друг от друга. В то же время параметр Сп ф = Л = / \
dt
лучше характеризует сигнал, чем время нарастания переднего фронта ?п ф, поэтому в формуле (1) вместо ?п ф желательно использовать Сп ф. Однако как показывают экспериментальные результаты, степень корреляции между скоростью нарастания переднего фронта Сп ф = ^ ^ (г = tn) и
Л
д
величиной -варьируется от 0,7 до 0,9, поэтому значения RA и RCл ф не
являются независимыми. Для исключения взаимозависимости параметра* da 1
ров Спф и Л, вместо Спф вводится приведенный параметр = Для обеспечения линейности функции коэффициента опасности R в
уравнении (1) необходимо использовать вместо функции R
цию R
' da*л
dt
da
Ht
функ-
. Тогда формула (1) примет вид
14
R= dX
Яд(Д.) + Rf{f,) + R
dà
(<=<о)
dà:
dt
Ht = to)
На заключительном этапе осуществляется привязка интегрального коэффициента опасности дефекта R к сроку службы ОК.
5 Дефектоскопия, № 1, 2003
Для примера рассмотрения процесса постановки диагноза выбран файл сигналов АЭ, соответствующий боковой раме № 144777 тележки грузового вагона. Контроль выполнялся в депо г. Нижнеудинска. Обработка производилась с помощью программного пакета АЕБ30. На рис. 2 приведены результаты локализации, произведенные АЭ-системой СЦАД—16.03 в автоматическом режиме. Первая зона локализации на рис. 2 расположена в районе датчика 0 и включает четыре сигнала АЭ. Вторая зона локализации находится вблизи датчика 11 и включает восемь сигналов АЭ. В третьей зоне локализовались четыре сигнала АЭ, и она расположена между ПАЭ 12 и 13. Четвертая зона локализации состоит из пяти сигналов и находится в районе ПАЭ 15.
Рис. 2. Локализация сигналов АЭ при прочностных испытаниях боковой рамы
№ 144777.
Для запуска процесса диагностики в главном окне программы выбирается режим "Диагноз". При этом АЭ-система анализирует все локализованные сигналы, определяя их тип, и образует группы похожих сигналов с близкой локализацией. Затем для каждой из таких групп рассчитывается интегральный коэффициент опасности Я. Степень опасности конструкции оценивается по наиболее развитой группе источников, обладающей максимальным коэффициентом опасности Я. На панели диагноза показывается расположение групп наиболее опасных источников сигналов АЭ, выдается остаточный ресурс конструкции и проводится оценка степени достоверности результатов контроля (рис. 3).
В процессе диагностики система отфильтровала сигналы АЭ из областей расположения датчиков 1, 9, 10. При этом амплитуда мощного сигнала из зоны расположения ПАЭ1 превысила 1000 мВ. Данный сигнал оказался сигналом от захватов нагружающего устройства и отображен на панели локализации красным цветом. Сигналы, изображенные на панели локализации зеленым цветом, обладают низкой амплитудой 200— 300 мВ и являются шумом с неявно выраженным передним фронтом.
Эти сигналы локали
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.