CC BY
3
The article investigates the occurrence of elastic deformations of the central holes of the gear blanks caused by their fixation in self-centering cam cartridges. The article presents, obtained in the course of the study, the dependences of elastic deformations of gears on the fastening scheme (fixing to the outer diameter and fixing to the involute) in 2, 3, 6 cam self-centering cartridges, as well as when fixing gear blanks in an integral self-centering cartridge. The study was carried out with the help of analytical and computer modeling, a comparison was made of the results obtained. The reliable values of the coefficient K(n (cp)) are determinedA"'necessary for the use of the analytical method.
Key words: Elastic deformations (displacements) of the central holes ofgears, gears, satellites.
Serkov Alexander Sergeevich, assistant, Sanya [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 620.179.147
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-19-20
ПРИМЕНЕНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО МЕТОДА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ НАРУШЕНИЙ ВНУТРЕННЕЙ
СТРУКТУРЫ В СТАЛЯХ
В.Н. Маликов, П.А. Шмыкова, С.А. Кистаев, О.М. Тимохова, В.А. Соколова, С.А. Войнаш, В.А. Марков
В настоящей работе представлена конструкция преобразователя, действие которого основано на принципах вихревых токов, и предназначенного для выявления близко расположенных нарушений внутренней структуры в стальных деталях. По замыслу авторов исследования преобразователь функционирует в связке со специализированным программным приложением, включающим в свой состав программно-аппаратные средства усиления сигнала и подавления паразитных шумов от вихретокового преобразователя. Приложение позволяет обрабатывать полученный от устройства сигнал цифровыми алгоритмами, что положительно сказывается на способности системы дифференцировать внутренние нарушения структуры. В исследование включены результаты серии сканирований образцов с заведомо имеющимися трещинами, которые находятся на различном расстоянии друг от друга. Проиллюстрированы практические границы применимости и результативность системы в части обнаружения различных нарушений структуры, в том числе расположенных достаточно близко друг к другу, частности, ближе предельно возможного расстояния разрешения дефектов, определяемого исключительно геометрическими параметрами контуров вихретокового преобразователя, без учета проведения математической обработки.
Ключевые слова: вихретоковый контроль, трещины, разделение сигнала, вихретоковый преобразователь.
Нарушения внутренней структуры типа трещин входят в число критических дефектов, поскольку их наличие в металле может привести к непредсказуемым последствиям. Наличие трещин является одной из ключевых обстоятельств разрушения устройств и объектов как в быту, так и в масштабах производства. При этом уровень риска наступления нежелательных последствий обусловлен глубиной поверхностных трещин. В этой связи выявление и определение глубины дефектов обладает высокой практической значимостью. Для решения указанной проблемы преимущественно используется два подхода, реализующих методы неразрушающего контроля: электропотенциальный метод и методы вихревых токов. Оба направления позволяют установить глубину единичной поверхностной трещины, вместе с тем, в случае наличия нескольких дефектов, эффективность подходов снижается. При этом электропотенциальный метод, основанный на регистрации распределения потенциалов по поверхности объекта контроля, применяется для сканирования участков, находящихся под значительной нагрузкой или для установления параметров дефектов, обнаруженных иными методами. Метод вихревых токов, основанный на изменении показателей тока, проходящего на участке с дефектом, является бесконтактным и находит свое применение как задачах по выявлению, так и для установления параметров поверхностных трещин.
Дефекты структуры, помимо непосредственной опасности способны оказывать влияние на погрешность систем сканирования в случае если они находятся близко друг от друга, причем величина погрешности может быть связана с взаимным расположением и характеристиками отдельных трещин. Данное обстоятельство обуславливает необходимость совершенствования существующих методов неразрушающего контроля. Проблема установления параметров дефектов, находящихся на малом расстоянии друг от друга имеет различные подходы к решению и затронута в работах [1, 2].
При этом существует ряд технических вопросов, сопровождающих процесс сканирования, а именно: для раздельной идентификации вихретокового сигнала от каждого из дефектов требуется повышение локальности преобразователя, в том числе, посредством сокращения его диаметра. При этом расширение диапазона измерения глубины дефектов, напротив должно сопровождаться увеличением диаметра ВТП [2]. Практический опыт сканирования дефектов усталостного происхождения позволяет говорить о приемлемом уровне эффективности данного метода, обусловленным большим отношением длин трещин к их глубинам.
В публикации [3] авторам удалось добиться значительных результатов при сканировании параметров дефектов, наблюдающихся в структурах оборудования, работающего в экстремальных условиях атомной энергетики. Вместе с тем, в работе отмечается тот факт, что сканирующей системе не удалось определить глубины дефектов, залегание которых находится ниже дефектов, используемых на этапе калибровки.
Влияние двух параллельно расположенных дефектов, обладающих равной глубиной отражено в работе [4]. Проведенные замеры позволили установить различие между сигналами, получаемыми от одного и от двух дефектов в диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 000 Гц. Указанные обстоятельства обуславливают проблематику разработки сканирующей системы, способной учитывать оказанное друг на друга влияние близкорасположенных дефектов и осуществлять измерение их глубин.
Материалы и методы. Вихретоковый подход к неразрушающему контролю активно используется при ручном выявлении поверхностных дефектов ввиду своей простоты и эффективности. Реализация метода базируется на зависимостях напряжения, подаваемого на измерительный контур преобразователя. О глубине дефекта свидетельствует отношение где ио - напряжение на измерительном контуре при сканировании бездефектного участка объекта контроля, и - напряжение при сканировании участка с дефектом.
При сканировании металлических сплавов существует значимый нюанс: отношение №/ио не должно зависеть от различных электрофизических свойств на участках объекта контроля с трещинами и без. В этой связи необходимо обеспечить взаимное соответствие параметров электрической проводимости данных участков.
Специфика установления параметров поверхностных дефектов состоит в нелинейном характере корреляции подаваемого на измерительный контур ВТП напряжения и глубины трещины. Это вносит свою лепту в значения погрешности измерений. В рамках данного исследования удалось существенно повысить линейность характеристик путем определения характера взаимодействия накладного ВТП с трещиной.
Сканирующая система представляет собой трансформатор с тремя контурами: возбуждающим, компенсаторным и непосредственно измеряющим (рис.1). Все обмотки пропитывались компаундом, закрывались тонкостенным алюминиевым кожухом и были собраны на сердечнике, изготовленном из пермаллоя 81НМА и имеющего пирамидальную форму. Начальная магнитная проницаемость послужила ключевой причиной выбора данного материала в качестве сердечника, впоследствии данная характеристика была дополнительно увеличена по разработанной ранее методике отжига и охлаждения.
Рис. 1. Схема вихретокового преобразователя: 1 - измерительный контур: 2 - возбуждающий контур:
3 - компенсационный контур
Концептуальные принципы работы ВТП при сканировании образца, обладающего дефектом, таковы: на возбуждающий контур помещенный над объектом сканирования подается переменный синусоидальный ток, частотой 500-10000 Гц. В случае отсутствия в образце трещин, вихревые токи в объекте сканирования проходят по круговым траекториям, соосным с возбуждающим контуром. Наличие дефектов влияет на траектории, заставляя вихревые токи обтекать их. В свою очередь вихревые токи наводят ЭДС индукции на измерительном контуре ВТП. Сигнал от данной ЭДС, несущий в себе информацию о внутренней структуре сканируемого образца, подвергается усилению и проходит очистку от помех системой подавления паразитных шумов, после чего поступает на амплитудный детектор и на вход аналого-цифрового преобразователя. Полученные данные обрабатываются цифровыми алгоритмами и выводятся на экран в графической и цифровой форме.
В разработанной системе применены ВТП с эффективным диаметром обмоток Dэ = 1 мм и Dэ= 0,25 мм. Частота тока возбуждения была подобрана с учётом обеспечения приемлемой чувствительности к глубине дефекта до значений в 5 мм. Рабочий зазор обеспечивался применением алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм. Управление ВТП осуществлялось с помощью специализированного программно-аппаратного комплекса, обладающего функционалом по автоматической компенсации и графической индикации выходного сигнала. В качестве выходного сигнала применялась амплитуда напряжения на контуре измерения ВТП, а подавление паразитных шумов осуществлялось на основе двухкаскадного фильтра Дельянна с обратной связью.
В целях проверки рассуждений и расчетов была произведена серия сканирований образцов стали с центральной трещиной с глубиной Ы и параллельно размещенной рядом с ней на расстоянии /1 боковой трещиной с глубиной 112. Ширина обоих дефектов составляла 2 мм. Параметры дефектов были подобраны так, чтобы значение ширины не влияло на сигнал ВТП. Координата положения ВТП в области трещины изменялась дискретно, с шагом в 0,5 мм и отсчитывалась как расстояние от левого до правого края объекта. Влияние бокового дефекта было определено путем сравнения с результатами измерений без такового.
Калибровка программно-аппаратного комплекса, определяющая оптимальные в рамках задания значения усиления и фильтрации, осуществлялась до начала сканирований и состояла в измерении образца заведомо не имевшего трещины. Анализ полученных результатов показал, что влияние бокового дефекта на сигнал ВТП начинает ощущаться при расстоянии /1 менее, чем эквивалентный диаметр обмотки ВТП, вычисляемый по формуле: Dэ =
фвозб * Dэфф) / 2.
В ходе исследования производились измерения взаимовлияния параметров центрального и бокового дефектов, размещенных на расстоянии Dэ/2. В ходе сканирования получены данные, свидетельствующие о существенном влиянии бокового дефекта в случае, когда центральный дефект имеет глубину до 3 мм (рис. 2).
В рамках исследования, боковой дефект варьировался от 1 до 4 мм с шагом в 1 мм. Примечательно, что при увеличении глубины центрального дефекта до значений свыше 2 мм, значимость боковых трещин снижалась (рис. 4).
Для иллюстрации выводов приведем следующие данные. При центральном дефекте глубиной 1 мм, влияние бокового дефекта составило 25% при параметрах в 5 мм. При центральном дефекте глубиной 5 мм, влияние бокового дефекта составило 5% при той же глубине. Вместе с тем, наличие боковых дефектов приводило к значитель-
ному снижению напряжения на контуре измерения преобразователя, по сравнению с образцами, где подобный дефект отсутствовал. По мере уменьшения расстояния ¡1 между дефектами, боковые трещины оказывали все более возрастающее влияние на сигнал преобразователя.
WVVAj
> э
А^^Лд,
y
■ hj = 1 mm
- 2 mm
■ h2= 3 mm
30 40
I, mm"1
Pue. 2. Результаты измерения образцов (центральная трещина - до 3 мм, li - 0,5 мм)
>
hj = 3 mm
h2 = 4 mm
Рис. 3. Результаты измерения образцов (центральная трещина - до 5 мм, li - 0,5 мм)
Заключение. Созданный компактный программно-аппаратный комплекс, включающий в себя ВТП, показал высокую эффективность в измерении близкорасположенных поверхностных дефектов. Установлено, что при большой локальности датчика, с эффективным диаметром обмоток 1 мм и менее, снижается возможность идентификации и различения сигналов от разных дефектов и раздельно оценивать их общий вклад в сигнал ВТП. Решение обратной задачи откроет перспективы для определения глубины дефектов, расположенных относительно друг друга на расстояниях не менее, чем 0,5 от эффективного диаметра обмоток ВТП. Дальнейшая локализация магнитного поля преобразователя позволит сократить данный промежуток и обеспечить идентификацию сигнала от более близких дефектов.
Список литературы
1. AbdAlla A.N., Faraj M.A., Samsuri F., Rifai D., Ali K., Al-Douri Y. Challenges in improving the performance of eddy current testing: Review. Measurement and Control. 2019;52(1-2). P. 46-64. DOI: 10.1177/0020294018801382,
2. Faraj M.A., Samsuri F., AbdAlla A.N. Hybrid of eddy current probe based on permanent magnet and GMR sensor. J Telecomm Electr Comp Eng 2018. 10. P. 7-11.
3. Angani C.S., Ramos H.G., Ribeiro A.L. et al. Lift-off point of intersection feature in transient eddy-current oscillations method to detect thickness variation in stainless steel. IEEE T Magn, 2016. 52. P. 1-8.
4. D'Angelo G., Laracca M., Rampone S. et al. Fast eddy current testing defect classification using Lissajous figures. IEEE T Instrum Meas 2018; 67. P. 821-830.
Маликов Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Шмыкова Полина Александровна, магистрант, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Кистаев Семен Евгеньевич, магистрант, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Тимохова Оксана Михайловна, д-р техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ухта, Ухтинский государственный технический университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Высшая школа технологии и энергетики, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Марков Виктор Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна
APPLICATION OF THE EDGE CURRENT METHOD TO DETECT IMPERFECTIONS IN THE INTERNAL STRUCTURE IN STEEL
V.N. Malikov, P.A. Shmykova, S.A. Kistaev, O.M. Timokhova, V.A. Sokolova, S.A. Voinash, V.A. Markov
21
This paper presents the design of a transducer whose operation is based on the principles of eddy currents, and is designed to detect closely spaced internal structure defects in steel parts. According to the authors of the study, the converter operates in conjunction with a specialized software application, which includes software and hardware for signal amplification and suppression of parasitic noise from the eddy current converter. The application allows you to process the signal received from the device with digital algorithms, which has a positive effect on the system's ability to differentiate internal structural disorders. The study includes the results of a series of scans of samples with known cracks, which are located at different distances from each other. The practical limits of applicability and effectiveness of the system in terms of detecting various structural defects, including those located quite close to each other, in particular, closer to the maximum possible defect resolution distance, determined solely by the geometric parameters of the eddy current transducer contours, without taking into account mathematical processing, are illustrated.
Key words: eddy current testing, cracks, signal separation, eddy current transducer.
Malikov Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Shmykova Polina Aleksandrovna, master's, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Kistaev Semen Evgenievich, master's, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Timokhova Oksana Mikhailovna, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ukhta, Ukhta State Technical University,
Sokolova Viktoriia Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Higher School of Technology and Energy, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, sergey_voi@mail. ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Markov Viktor Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Higher School of Technology and Energy, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
УДК 621.7.075
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-22-23
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОФРИРОВАННЫХ ЛЕНТ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ НАСАДКИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ДЛЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБ
Ю.В. Щипкова
Для моделирования реальных условий эксплуатации летательных аппаратов используются аэродинамические трубы. При высоких скоростях испытания происходит выпадение конденсата в рабочей зоне трубы, что приводит к резкому падению температуры и нарушению условий эксперимента. Для создания условий максимально близких к реальным условиям эксплуатации, с помощью регенеративных теплообменных аппаратов обеспечивается необходимая температура в заданный период времени. Материал для изготовления основного элемента теплооб-менного аппарата - гофрированных лент - сталь Х18Н10Т, толщиной 0,3-0,5 мм. Изготовление гофрированных лент с мелкими параметрами профиля (высотой и шагом гофрирования, соизмеримыми по величине с толщиной ленты), является сложной технической проблемой, решение которой позволяет создать теплообменные аппараты с новыми параметрами.
Ключевые слова: гофрированные ленты, насадка теплообменного аппарата, накатывание, комбинация сил, аэродинамическая труба.
Методы изготовления гофрированных лент основаны на использовании пластических свойств металлов, т.е. способности металлических заготовок принимать остаточные деформации без нарушения целостности металла.
В результате анализа существующих методов определено, что их можно условно разделить на три группы: накатывание [1-2], штамповка и штамповка с автоматической подачей [3-4], при этом наиболее рациональным методом изготовления гофрированных лент является метод накатывания, поскольку позволяет с высокой точностью и производительностью изготавливать детали требуемой длины.
Тема данной работы является актуальной, так расширение диапазона параметров гофрирования позволяет изготавливать теплообменные параметры высокого качества, а, следовательно, проводить испытания в аэродинамических трубах с заданными параметрами.
Цель данной работы - разработка технологии изготовления гофрированной ленты из нержавеющей стали для насадки теплообменного аппарата.
