Виды неразрушающего контроля

Дипломный проект

Виды неразрушающего контроля

2010 г.

Аннотация

Дипломный проект включает в себя: 17 рисунков; 5 таблиц; 64 страницы.

Ключевыми словами в данном проекте являются: неразрушающий контроль, магнитное поле, измеритель напряжённости, ультразвук, протокол, методика, дефект и др.

Разнообразные виды неразрушающего контроля. Классификация их установлена государственным стандартом (ГОСТ 18 353−78) и предусматривает следующие десять видов: магнитный, акустический, капиллярный, оптический, радиационный, радиоволновый. В различных отраслях народного хозяйства нашей страны в настоящее время используются тепловой, течеискание, электрический, вихретокорный.

Применение этих видов неразрушающего контроля основано на взаимодействии контролируемого изделия с электромагнитными и акустическими полями, проникающими частицами или веществами.

Виды неразрушающего контроля отличаются большим разнообразием применяемых физических принципов и, следовательно, технических средств. Одни из них наиболее просты в применении и используют простейшие устройства. Например, капиллярный контроль относительно легко осваивается и требует несложных устройств, но они не отличаются высокой производительностью. Кроме того, его автоматизация затруднена. Поэтому такой контроль удобен для обнаружения поверхностных дефектов в объектах с довольно сложной конфигурацией, где применение других методов не дает такого эффекта, например при контроле лопаток высокоскоростных турбин, рабочей поверхности зубчатых колес. На железнодорожном транспорте капиллярный контроль удобен для контроля латунных сепараторов и колец буксовых роликовых подшипников, зубчатых колес, но требует организации поточной линии, обеспечивающей мойку, чистку, сушку деталей.

Простотой устройств и легкостью расшифровки отличаются магнитно-порошковые методы, а также вихретоковый контроль. Магнитный контроль находит широкое применение в промышленности и на транспорте в промышленно развитых странах. На железнодорожном транспорте магнитно-порошковые методы применяются для контроля большого количества различных деталей вагонов и локомотивов, а также электроподвижного состава метрополитенов ввиду простоты контроля и высокой достоверности при обнаружении поверхностных трещин. Феррозондовый и вихретоковый методы находят применение для контроля колец роликовых подшипников, боковин ходовых тележек, крестовин стрелочных переводов и другое.

Наиболее широко для контроля металлоизделий в промышленности и на транспорте применяется акустический контроль и в особенности ультразвуковой эхо — импульсный метод. Глубоко проникающие в толщу металла ультразвуковые волны позволяют обнаружить не только поверхностные, но и заглубленные дефекты. Относительно простое устройство аппаратуры, высокая производительность контроля, возможность ее дальнейшего повышения за счет автоматизации расшифровки результатов — все эти достоинства завоевали для ультразвуковых методов одно из ведущих мест в дефектоскопии металлоизделий. Контроль ответственных элементов подвижного состава железных дорог и метрополитенов без полной разборки узлов представляет собой уникальную возможность ультразвукового метода. Этот метод незаменим, например, при дефектоскопировании подступичных частей и шеек осей колесных пар в сборе с колесными центрами и кольцами роликоподшипников, а также валов тяговых электродвигателей в зоне под железным сердечником якоря. Исключение необходимости полной разборки этих узлов при ремонте увеличивает их срок эксплуатации, приносит огромную экономию средств и повышает производительность ремонта подвижного состава.

1. Информационный обзор

1.1 Основные элементы автоматических устройств

Любые простые и сложные устройства автоматики состоят из отдельных, связанных между собой элементов.

Элементом автоматики называют часть устройства автоматической системы, в которой происходят качественные или количественные преобразования физической величины. Элементы отдельного устройства автоматики осуществляют передачу преобразованного воздействия от предыдущего звена к последующему.

В общем виде любой элемент автоматики можно представить как преобразователь энергии, на вход которого подается некоторая величина X, а с выхода снимается величина Y. Величину X называют входным, а величину Y — выходным сигналом элемента автоматики. В некоторых элементах величина X преобразуется в величину У за счет энергии, получаемой от входной величины X. В других элементах для этого преобразования необходим дополнительный источник энергии. Классификацию устройств и элементов автоматики обычно производят по их функциональному назначению и по виду энергии на входе и выходе.

Функции, выполняемые элементами автоматики, разнообразны. С помощью отдельных элементов осуществляются измерительные, усилительные, управляющие и исполнительные функции автоматических устройств.

Так, например, автоматическое регулирующее устройство может состоять из следующих основных звеньев (рис. 1): звена контроля 1, осуществляющего измерение величины контролируемого параметра; задающего звена 2, устанавливающего величину параметра, которая в данный момент должна поддерживаться; сравнивающего звена 3, определяющего наличие отклонения действительного параметра от заданного и вырабатывающего воздействия на исполнительное звено; исполнительного звена 4, передающего это воздействие органам управления технологическим процессом.

Подразделяя элементы автоматических устройств по характеру выполняемых функций, можно выделить следующие их основные виды:

1) датчики или измерительные (чувствительные) элементы;

реле (электрические, гидравлические, пневматические и др.)

преобразователи и усилители;

исполнительные механизмы и регулирующие органы;

вычислительные устройства, включаемые в схемы автоматики.

1.2 Преобразователи и усилители

Преобразователями часто называют датчики, в которых измеряемая величина, воспринятая чувствительным элементом, преобразуется в другую величину, удобную для передачи на расстояние и необходимого усиления. Этим путем обычно преобразуются физические величины в электрические. В связи с созданием Государственной системы приборов (ГСП) в нашей стране проведена большая работа по унификации средств автоматики. При этом были унифицированы и сигналы, в которые преобразуются измеряемые величины. В ГСП наиболее широко применяются следующие выходные сигналы приборов: электрический токовый — 0 — 5 и 0 — 20 мА постоянного тока и частотный — 1500 — 2500 Гц, а также пневматический — 0,2—1 кг/см² (1,96 — 9,81−10* Па) давления сжатого воздуха. С целью повышения универсального использования приборов в схемах автоматики были созданы и серийно выпускаются специальные приборы — преобразователи. Они. позволяют преобразовывать один вид выходного сигнала в другой. С их помощью сравнительно просто могут включаться в схемы автоматики электрические, пневматические и гидравлические элементы в различных сочетаниях. Иногда такого рода преобразователи выполняют одновременно функцию усиления сигналов.

Отечественная промышленность выпускает преобразователи, осуществляющие умножение и деление (размножение) сигналов, согласующие соотношение двух сигналов (например, поддержание подачи двух реагентов в строго заданном соотношении, постоянном во времени или переменным по необходимой программе).

Серийно выпускаются преобразователи: электропневматические, пневмоэлектрические, электрогидравлические, гидроэлектрические, электрические для преобразования напряжения в частоту тока, механических линейных и угловых перемещений в электрический и пневматический сигналы.

Использование преобразователей расширяет возможности разработки схем автоматизации самых различных процессов. Расширение типов и номенклатуры преобразователей, выпускаемых промышленностью, свидетельствует о большой перспективности этих приборов.

Мощность сигналов, получаемых от чувствительных элементов или датчиков, в большинстве случаев недостаточна для непосредственного перемещения регулирующего органа. Это обстоятельство приводит к необходимости применения усилителей. В ряде случаев усилители наряду с функцией усиления мощности могут выполнять функцию преобразования выходной величины чувствительного элемента в другой вид, более удобный для автоматического регулирования. Усилители выполняют или как самостоятельные элементы, или в составе исполнительных механизмов, в таком случае они являются их неотъемлемой частью. Наибольшее распространение получил второй вид усилителей.

Основной характеристикой любого усилителя является коэффициент усиления.

Разнообразные усилительные устройства различают по величине выходной мощности, виду вспомогательной энергии, подводимой к усилителю, по коэффициенту усиления, принципу действия, форме характеристики, выражающей зависимость между выходной и входной величинами.

По виду используемой вспомогательной энергии усилители разделяют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.

Возможный коэффициент усиления по мощности в зависимости от принципа действия и конструкции усилителя может колебаться в пределах от 10 до 10⁷. Большое усиление мощности можно получить от релейных, золотниковых, струйных усилителей, а также от усилителей дроссельного типа.

Гидравлические усилители бывают струйные, золотниковые и дроссельные.

Рис. 2 Схема действия струйного усилителя: 1 — поршень исполнительного механизма; 2 — приемные соп-ла; 3 — чувствительный элемент; 4 — цапфа; 5 — струйная трубка; 6 — пружина.

Струйный усилитель (рис.2) состоит из струйной трубки, плиты с приемными соплами и силового цилиндра.

Струйная трубка закреплена на полой оси и может поворачиваться на небольшой угол. Через полую ось к струйной трубке подводится жидкость под давлением.

Расстояние между осями входных отверстий 2,5 мм, так что полный ход конца трубки составляет 1,25 мм в обе стороны.

Приемные сопла плитки соединены с полостями сервопривода исполнительного механизма.

Принцип работы струйного усилителя заключается в том, что кинетическая энергия струи масла, направляемая в сопло, преобразуется в потенциальную энергию давления; величина и направление результирующего давления на поршень сервопривода зависят от положения струйной трубки, от соблюдения соосности трубки и сопла. Если струйная трубка расположена в среднем положении на одинаковом расстоянии от осей приемных сопел, то давление масла в обеих полостях силового цилиндра Р₁ и Р₂ будет одинаковым; разность давлений Р₁—Р₂, действующая на поршень 1, будет равна нулю, и усилия струйная трубка отклонится от среднего положения, то давление в одном из приемных сопел возрастет, а в другом уменьшится; в результате в полостях силового цилиндра возникнет разность давлений Р₁—Р₂, и поршень начнет перемещаться. Направление перемещения поршня будет зависеть от направления отклонения сопла струйной трубки. При этом масло через второе сопло поступает обратно в корпус усилителя. Небольшие усилия на перемещение струйной трубки вызывают большие изменения усилий в силовом цилиндре.

Пневматический усилитель представляет собой механизм, в котором достаточно мощный поток энергии, предназначенный для приведения в действие регулирующего органа, управляется тем небольшим потоком энергии, который поступает в управляющий элемент и изменяется там по величине. Основным элементом пневматических усилителей является устройство «сопло-заслонка», схема работы которого показана на рис. 3

Сжатый воздух под давлением Р₁ поступает в междроссельную камеру 2 через дроссель постоянного сечения 1. Дроссель изменяет проходное сечение трубопровода для воздуха и соответственно этому изменяет расход и давление. Давление сжатого воздуха Р в камере является командным, через трубку 5 командное давление поступает в камеру исполнительного механизма 6. В междроссельной камере 2 имеется еще одно отверстие — сопло 4, через которое воздух поступает в атмосферу. Сопло 4 прикрывается заслонкой 3, которая может перемещаться к соплу и от него. Проходное сечение сопла в три-четыре раза больше сечения отверстия дросселя. Например, если диаметр сопла 0,5 мм, то диаметр дросселя 0,2 мм При постоянном сечении сопла 4 расход через него будет зависеть от положения заслонки 3. Чем ближе заслонка будет расположена к соплу, тем меньше будет сечение, через которое будет происходить истечение воздуха, и тем меньше будет расход через сопло-заслонку. Таким образом, совокупность сопла и заслонки можно рассматривать как дроссель переменного сечения.

Величина давления в междроссельной камере и, следовательно, величина выходного (командного) давления Р зависят от расхода воздуха через переменный дроссель. А расход через сопло-заслонку зависит от положения заслонки. Отсюда следует, что, перемещая заслонку, можно изменять давление сжатого воздуха, поступающего на исполнительный механизм. Если заслонка полностью закрыла сопло 4, то командное давление Р будет равно давлению питания Р. Чем дальше будет передвинута заслонка от сопла, тем меньше будет командное давление Р, и, наконец, оно может стать равным атмосферному.

Поскольку усилие f, необходимое для перемещения заслонки 3, значительно меньше усилия F, развиваемого на штоке поршня 7, то рассмотренное устройство является усилителем.

В качестве заслонки применяют дросселирующий шарик, дросселирующую иглу или дросселирующий золотник.

Электрические усилители бывают электронные, магнитные и электромашинные.

Из электрических усилителей в устройствах автоматики наиболее широко применяются электронные, собираемые как на электронных лампах, так и на полупроводниковых элементах.

Электронные усилители применяют главным образом в автоматических мостах в потенциометрах. Схемы электронных усилителей переменного тока составляются из нескольких усилительных каскадов. В предварительных каскадах поступающий сигнал усиливается по напряжению, а в выходном каскаде — по мощности.

Более подробно с электронными усилителями учащиеся знакомятся в курсе «Общая электротехника».

Магнитные усилители (МУ) отличаются простотой устройства, значительным коэффициентом усиления, отсутствием подвижных частей и нечувствительностью к значительным перегрузкам. Существует несколько типов таких усилителей. На рис. 4 приведена схема простейшего магнитного усилителя, состоящего из двух дросселей. Обмотки дросселей соединены последовательно с сопротивлением нагрузки R_n и присоединены к переменному напряжению U~. Два соседних стержня дросселей несут управляющую (намагничивающую) обмотку, подсоединенную к постоянному напряжению U=.

Напряжение переменного тока U~ распределяется между обмотками магнитного усилителя и сопротивлением нагрузки R_H— Изменяя ток в обмотке управления I=(намагничивания), можно регулировать распределение напряжения U между обмотками магнитного усилителя и сопротивлением нагрузки К_н. При отсутствии тока I= в управляющей обмотке напряжение U~ почти целиком уравновешивается э. д. с. МУ, а на сопротивлении К_п напряжение (а следовательно, и мощность) весьма мало. При полном токе в обмотке управления, наоборот, напряжение на МУ мало, а на сопротивление R_н падает почти все напряжение. При намагничивании меняется индуктивное сопротивление МУ, в результате чего и происходит перераспределение нагрузки.

Всякому изменению тока в обмотке управления соответствуют в десятки и сотни раз большие изменения тока в рабочей цепи. Ток рабочей цепи определяют по формуле

[ 1 ]

где R — активное сопротивление рабочих обмоток МУ;

ю — угловая частота;

L — индуктивность рабочих обмоток МУ.

Кроме описанного простейшего магнитного усилителя, в устройствах автоматики применяют усилители двухтактного типа с обратными связями.

Электромашинный усилитель (ЭМУ) представляет собой агрегат, состоящий из генератора постоянного тока с несколькими обмотками возбуждения и приводного двигателя, в качестве которого применяют обычно асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Усиление производится следующим образом: ток, поступающий на вход усилителя, т. е. в обмотку независимого возбуждения, создает магнитный поток, который, пересекаясь обмоткой якоря, индуктирует в ней э. д. с. За счет превращения механической энергии приводного двигателя в электрическую на выходе усилителя мощность, снимаемая со щеток генератора, будет значительно больше мощности на входе, т. е. мощности возбуждения. В современных ЭМУ величина коэффициента усиления колеблется в пределах 10³—10⁶.

Для электромашинного усилителя характерна очень малая мощность возбуждения. Если обычный генератор потребляет мощность возбуждения порядка 2—5%' номинальной мощности, то электромашинный усилитель возбуждается при мощностях в 100—1000 раз меньших. Электромашинный усилитель ЭМУ-25, выпускаемый промышленностью, имеет выходную мощность 2,5 кВт, а входная мощность при двух обмотках равна всего 0,5 Вт. Серийно выпускают ЭМУ до 20 кВт, отдельные образцы — до 100 кВт.

Электромашинные усилители применяют главным образом в ' схемах автоматического управления электроприводом.

1.3 Феррозондовый метод

Феррозондовый метод неразрушающего контроля позволяет обнаруживать дефекты в предварительно намагниченной детали. Дефекты обнаруживаются за счет выявления пространственных искажений магнитного поля над дефектом. Искаженное поле над дефектом именуется полем рассеяния дефекта или полем дефекта. Выявляются поля рассеяния с помощью ФП, преобразующего градиент напряженности магнитного поля в электрический сигнал.

Обнаруживаются поверхностные и подповерхностные (лежащие в толще материала) дефекты типа нарушений сплошности: волосовины, трещины, раковины, закаты, ужимы и т. п. Метод применяют для обнаружения дефектов сварных швов: непроваров, трещин, неметаллических включений, пор и т. п.

В зависимости от размеров выявляемых поверхностных и подповерхностных дефектов, а также глубины их залегания, ГОСТ 21 104 устанавливает одиннадцать условных уровней чувствительности метода, указанных в таблице 1.

Таблица 1 — Условные уровни чувствительности

Минимальная длина выявляемого дефекта должна быть равна 2 мм.

— ФП, применяемые при контроле деталей вагонов, подразделяют на:

— ФП-градиентометры, которые преобразуют в электрический сигнал градиент напряженности магнитного поля. Они используются для измерения градиента напряженности магнитного поля и дефектоскопирования;

— ФП-полемеры, которые преобразуют в электрический сигнал напряженность магнитного поля. Они используются для измерения напряженности магнитного поля.

— ФП-градиентометры реагируют на пространственную производную (пространственное изменение) магнитного поля. При дефектоскопировании они имеют преимущество перед ФП-полемерами, так как над дефектами наблюдается резкое пространственное изменение поля.

В зависимости от магнитных свойств материала, размеров и геометрии контролируемой детали применяют два способа контроля:

способ приложенного поля, который заключается в намагничивании изделия и регистрации магнитных полей рассеяния в присутствии намагничивающего поля;

способ остаточной намагниченности, который заключается внамагничивании изделия и регистрации магнитных полей рассеяния после снятия намагничивающего поля (в остаточном поле).

Структурные неоднородности материала, магнитные пятна, шероховатость контролируемой поверхности и неоднородность намагничивающего поля, не связанная с дефектами, порождают на выходе преобразователя сигналы, именуемые помехами или фоном. Помехи являются причиной ошибок дефектоскопирования — пропусков дефектов и ложных браковок.

На деталях сложной формы уровень фона в разных точках различается значительно. Поэтому первоначальная настройка дефектоскопа с фиксированным порогом гарантирует высокую достоверность контроля лишь на определенном участке детали. При переходе к другому участку дефектоскоп необходимо перестраивать, что усложняет дефектоскопирование. Для того, чтобы его упростить, используются дефектоскопы с автоматической (зависящей от фона) перестройкой порога.

Феррозондовый контроль деталей проводят по операционным картам по ГОСТ 3.1502 или технологическим картам, составленным на основе настоящего РД и утвержденным главным инженером предприятия.

В технологической карте феррозондового контроля должны быть указаны:

наименование детали;

условное обозначение нормативных и технологических документов, на основании которых она разработана;

характеристики детали (марка стали, шероховатость поверхности);

эскиз детали с указанием зон контроля и траекторий сканирования;

типы и характеристики дефектов, подлежащих выявлению;

применяемые дефектоскоп, СОП, намагничивающее устройство и вспомогательные средства контроля;

способ контроля (способ остаточной намагниченности или способ приложенного поля);

операции контроля в последовательности их проведения;

технологическая оснастка рабочего места, необходимая для проведения контроля (способ установки, закрепления и поворота детали; способ установки НУ);

критерии оценки результатов контроля в соответствии с требованиями нормативных и технологических документов (инструкций или правил) по техническому обслуживанию и ремонту вагонов и их составных частей или ссылка на эти документы;

подписи лиц, разработавших и утвердивших технологическую карту.

Общие требования к организации работ по феррозондовому контролю, технологической оснастке и оборудованию рабочих мест контроля, к персоналу, средствам контроля, оформлению результатов контроля установлены в РД 32.174.

1.4 Излучение и прием ультразвуковых волн

Задачей ультразвуковой дефектоскопии является отыскание дефектов в изделиях с помощью излучения и приема ультразвуковых волн. Излучение и регистрация ультразвуковых волн осуществляются путем преобразования электрических сигналов в ультразвуковые и обратно. Поэтому устройства, обеспечивающие такие преобразования, называют электроакустическими преобразователями, или ультразвуковыми искателями. В качестве электроакустических преобразователей могут быть использованы пьезоэлектрические, магнито-стрикционные и электромагнито-акустические.

В искателях современных ультразвуковых дефектоскопов, как правило, применяют пьезоэлектрические преобразователи. Это объясняется их малыми габаритами, простотой и технологичностью в изготовлении, относительно низкой стоимостью, высокой чувствительностью. Основным элементом пьезопреобразователя является пластина, выполненная из материала, обладающего пьезоэлектрическим эффектом (пьезопластина). Пьезоэлектрический эффект проявляется некоторыми кристаллическими и керамическими веществами. Сущность пьезоэффекта состоит в том, что сжатие или растяжение пьезопластины приводит к появлению на ее поверхности электрического заряда соответствующей полярности и величины. Такое явление называется прямым пьезоэффектом. Если же пьезопластину поместить в электрическое поле, то она изменит свою толщину. Это называется обратным пьезоэффектом. Если электрическое поле переменное, то в пьезопластине возникнут механические колебания с частотой, равной частоте изменения электрического поля. Эти явления позволяют непосредственно преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые волны и обратно. Наибольший эффект преобразования, а следовательно, наибольшая чувствительность преобразователя достигаются в том случае, если частота механического резонанса пьезопластины равна частоте приложенного электрического поля или частоте регистрируемых ультразвуковых колебаний. Частота механического резонанса (собственная частота пластины) обратно пропорциональна толщине пластины А:

f₀ =k/h[ 2]

где k — коэффициент, зависящий от материала пьезопластины.

Условие (2) соответствует толщине пьезопластины, равной половине длины волны ультразвука в пьезоматериале на резонансной частоте. Зависимости, соответствующие условию (2), изображены на рис. 5 для пьезопластин из титаната бария и цирконата титаната свинца. Эти материалы наиболее широко применяются в современных пьезопреобразователях. Пластина цирконата титаната свинца ЦТС-19 имеет резонанс на частоте 2,5 МГц при толщине примерно 0,72 мм, а пластина титаната бария — при толщине 1 мм.

Кристаллические пьезопластины (кварц, турмалин, сегнетова соль, сульфат лития) в ультразвуковой дефектоскопии применяются редко из-за их меньшей чувствительности, а также дороговизны по сравнению с пьезокерамическими.

Применение пьезокерамики (титанат бария ТБК-3, цирконат титанат свинца ЦТС-19, ЦТСНВ-1, ЦТС-23) обеспечивает высокую чувствительность пьезопреобразователей и невысокую их стоимость. Пьезокерамику обычно приготовляют искусственным путем — смешиванием нескольких составляющих, в результате чего получается вещество, подобное глине, а затем спеканием этой «глины» в соответствующих формах. В промышленности и на железнодорожном транспорте используют пьезопластины, как правило, круглой или прямоугольной формы. Плоские поверхности пластин с двух сторон покрывают токопроводящими слоями (например, серебром). Такие слои используются как обкладки, формирующие в теле пьезопластины электрическое поле (при подаче на них электрического напряжения). Эти же обкладки используются для снятия электрического заряда с пьезопластнны при регистрации ультразвуковых волн.

Для придания новым пластинам пьезоэлектрических свойств их подвергают поляризации. Для этого пластину в определенных условиях выдерживают в течение не менее 4 ч под воздействием постоянного электрического напряжения из расчета 1000 В на 1 мм толщины пластины [4]

Важно знать одну особенность пьезопластин, изготовленных из пьезокерамики, связанную с возможностью их работы при повышенных температурах. Дело в том, что эффективность преобразования пьезопластин, изготовленных из пьезокерамики, понижается при увеличении их температуры. При нагреве пьезопластин из титаната бария это явление наблюдается, если их температура превысит 90 °C. Уже при температуре 120 °C пьезоэлектрические свойства титаната бария исчезают. Пьсзопластины из цирконата титаната свинца отличаются лучшей «жароустойчивостью», так как они могут быть нагреты практически без потерь пьезоэлектрических свойств до температуры 290 °C. Температуру, при которой пьезоматериалы теряют пьезоэлектрические свойства, называют «температурой Кюри», или критической температурой. Пьезоэлектрические свойства можно восстановить, если пьезопластину снова подвергнуть поляризации.

1.5 Принципы и методы ультразвуковой дефектоскопии

Разнообразие задач, решаемых ультразвуковыми дефектоскопами при неразрушающем контроле металлоизделий, привело к разработке и использованию целого ряда различных методов. Наиболее широкое применение в практике ультразвуковой дефектоскопии находит импульсный эхо-метод и метод звуковой тени (последний называют также теневым методом). Применяют также резонансный метод, метод акустического импеданса, метод свободных колебаний и метод акустической эмиссии.

Теневой метод одним из первых стал применяться для ультразвукового контроля металлоизделий. Излучатель ультразвуковых волн, деталь и приемник образуют «акустический тракт». Решение о состоянии проверяемой детали выносится по уровню принятого сигнала на электродах приемного искателя. Если на пути ультразвуковых волн от излучателя до приемника нет препятствий (несплошностей), отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то уровень принятого сигнала максимален. Этот уровень резко уменьшается или падает почти до нуля, если в детали есть несплошность. Решение выносится при соблюдении требований к условиям акустического контакта обоих искателей с деталью. Зеркально-теневой метод в принципе не отличается от теневого и удобен лишь тогда, когда к детали имеется односторонний доступ. Перед проведением контроля теневым методом требуется настройка усилителя принятых сигналов. Настройку, или «юстировку», выполняют на бездефектном образце. При этом показание регистрирующего прибора (например, стрелочного указателя) устанавливается на максимальное деление шкалы (100%). Излучение ультразвуковых волн может производиться в непрерывном и импульсном режимах.

Серьезным недостатком теневого метода являются значительные погрешности показаний прибора, регистрирующего уровень принятого сигнала, из-за нестабильности акустического контакта обоих искателей с контролируемой деталью. Кроме того, теневой метод не дает информации о расположении (координатах) и виде обнаруженной несплошности. По этим причинам этот метод в дефектоскопии деталей железнодорожного транспорта имеет лишь ограниченное применение. В качестве примера можно привести метод контроля зубьев шестерен силовых передач локомотивов поверхностными акустическими волнами.

Резонансный метод на практике удобен, когда необходимо измерить толщину стенки детали, имеющей плоскопараллельные поверхности. Искатель 4 непрерывно излучает ультразвуковые волны. Акустический резонанс наступает в том случае, когда на электродах искателя напряжение, возбуждаемое отраженным от дна эхо-сигналом, складывается с переменным напряжением генератора в той же фазе, что приводит к увеличению результирующего напряжения, регистрируемого индикатором. Такое явление наступит, если толщина детали равна или кратна числу полуволн: Н = nл/2, где n = I, 2, З… — целые числа.

Изменяя частоту генератора, фиксируют ее значения, при которых имеет место резонанс в проверяемом участке детали (например, по толщине стенки или трубы). По измеренной резонансной частоте (а следовательно, известной длине волны) определяют толщину изделия. Внутренний дефект может быть обнаружен, когда индикатор покажет резкое уменьшение толщины детали или сильное ослабление и даже исчезновение явления резонанса. Последнее может произойти, если дефект ориентирован не параллельно поверхности контролируемого изделия.

Сущность импедансного метода состоит в наблюдении за режимом ультразвуковых колебаний датчика, имеющего вид стержня и опирающегося на поверхность контролируемого изделия. При наличии дефекта, близко расположенного к поверхности изделия, участок поверхности становится более «мягким», т. е. податливым. В этом случае говорят, что уменьшилось «акустическое полное сопротивление» (импеданс) данного участка поверхности. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний датчика и дает возможность судить о наличии дефекта. Метод удобен для обнаружения непроклеев в многослойных клеевых конструкциях (например, в авиации).

Метод свободных колебаний основан на анализе характеристик свободных колебаний изделия, вибрирующего после удара по нему. Простейший случай практического применения этого метода — контроль на слух целости стеклянной или фарфоровой посуды. Аналогичный способ используется осмотрщиками вагонов, постукивающими молотком по ободьям колес с целью контроля их на определение трещин. Конечно, контроль на слух субъективен и малонадежен. Он позволяет обнаружить только очень грубые дефекты. В настоящее время имеются приборы, увеличивающие чувствительность метода свободных колебаний.

Особое место среди акустических методов контроля занимает метод акустической эмиссии. Этот метод основан на регистрации упругих волн, возникающих в момент образования и роста трещин в детали, находящейся под нагружением. Основной отличительной чертой метода является отсутствие внешнего источника звуковых сигналов. Источником акустических волн является сама трещина. Это явление наглядно иллюстрируется при изгибе деревянного прутика или палки. Если его согнуть слишком сильно, он, прежде чем сломается, начнет похрустывать. Трещины, возникающие в прутике, и являются источниками акустических сигналов. Метод очень чувствителен, поскольку электронная усилительная аппаратура способна улавливать сигналы от трещин очень малых размеров, т. е. в начальной стадии их развития.

Метод акустической эмиссии особенно удобен для контроля сосудов, работающих под большим давлением, например тормозных резервуаров локомотивов.

Наиболее широкое применение в технологии ультразвуковой дефектоскопии металлоизделий на железнодорожном транспорте и в промышленности находит импульсный эхо-метод, который основан на явлении отражения ультразвуковых волн от поверхности дефекта и регистрации принятых сигналов. Для этой цели в контролируемое изделие излучается последовательность коротких ультразвуковых импульсов. Излучаемые ультразвуковые импульсы называют зондирующими. Отраженные ультразвуковые импульсы несут информацию о наличии какого-то отражателя, его удалении от излучателя и его размерах. Расстояние до отражателя может быть определено с высокой степенью точности. Поскольку заранее известны тип волны и ее скорость в материале контролируемой детали, то путь пройденный ультразвуковым импульсом от излучателя до отражателя и обратно,

2r = ct[ 3 ]

где t—время «задержки» принятого отраженного импульса относительно зондирующего;

r— расстояние от излучателя до отражателя.

Строго говоря, полное время задержки t складывается из нескольких составляющих. Такими составляющими, кроме времени пробега ультразвука в изделии, являются: время пробега ультразвука через протектор (или призму) искателя, через слой контактной жидкости, а также время задержки электрических импульсов в электронном блоке дефектоскопа. Однако практически величинами этих задержек зачастую можно пренебречь в сравнении со временем пробега ультразвукового импульса в контролируемом изделии.

Например, если продольными волнами контролируется небольшая стальная деталь (пусть ее толщина равна 30 мм), то сигнал, отраженный от противоположной ее стенки (дна), появится с задержкой

[ 4]

При толщине протектора искателя из оргстекла 1 мм задержка ультразвукового импульса, прошедшего через протектор дважды (при излучении и приеме), составит

[ 5 ]

Как видим, эта величина задержки по отношению к предыдущей составляет около 7%. Поскольку толщина слоя контактной жидкости составляет сотые доли миллиметра, то, очевидно, величиной вносимой задержки можно пренебречь. Величина задержки электрических импульсов в электронном блоке ультразвукового дефектоскопа еще меньше и оценивается десятыми и сотыми долями микросекунды и в нашем случае может также не учитываться. Ощутимую величину задержки вносят ультразвуковые призмы. Поэтому, если пользоваться для определения расстояния до отражателя формулой (3), то определение величины задержки t должно вестись с учетом времени пробега ультразвука в призме (а иногда еще и в протекторе искателя). На практике с целью повышения точности определения расстояний и устранения вышеописанных расчетов часто пользуются контрольными образцами с заранее известными размерами и характеристиками отражателей. Например, используя стальной брусок толщиной 100 мм, дефектоскопист может, наблюдая за местоположением отраженного импульса на экране дефектоскопа, сравнить расстояние до отражателя со значением 100 мм. Для этого он замечает время задержки отраженного сигнала (по положению на линии развертки дефектоскопа) от дна 100-миллиметрового бруска, а затем, установив искатель на контролируемое изделие, может сравнить полученный результат с предыдущим. При этом все расчеты отпадают, а время задержки в призме и протекторе искателя одинаково для обоих опытов и поэтому исключается из рассмотрения. В зависимости от задачи в технике неразрушающего контроля широко используются различные контрольные образцы. На предприятиях по ремонту подвижного состава в качестве контрольных образцов чаще всего применяют изделия, однотипные с проверяемыми. На контрольные образцы наносят искусственные «дефекты» (сверления, пропилы и т. п.) в определенных местах. Контрольные образцы с искусственными дефектами используют для настройки режимов работы дефектоскопов, облегчения расшифровки результатов контроля (методом сравнения), а также для обучения и повышения квалификации операторов-дефектоскопистов.

С помощью эхо-метода, кроме установления факта наличия отражателя (дефекта) в контролируемом изделии и определения расстояния до него, оператор дефектоскопа может оценить размеры и характер отражателя. Для этой цели используют информацию об амплитуде и форме отраженного сигнала, а также об их изменениях при перемещении искателя относительно отражателя.

В универсальных (неспециализированных) ультразвуковых дефектоскопах наиболее широко распространен принцип отображения (индикации) результатов контроля на экране электронно-лучевых трубок осциллографического типа. В простейших случаях дли отображения расстояния до отражателя используется перемещение светового пятна на экране (развертка) по горизонтали. Для отображения амплитуды отраженного сигнала используется отклонение светового пятна по вертикали. Таким образом, на экране электронно-лучевого индикатора воспроизводится так называемая «рефлектограмма» (или «осциллограмма»), несущая информацию о местонахождении отражателя, его характере и размерах. Строго говоря, точное определение размеров отражателя по осциллограмме (т. с. уровню сигналов и его изменениям) невозможно. Такая задача решается лишь для очень ограниченного набора отражателей с правильной геометрической формой и определенной ориентацией относительно ультразвукового искателя (например, для отверстий с плоским дном, ориентированным перпендикулярно оси ультразвукового луча).

Реальные дефекты, в том числе усталостного происхождения (трещины), имеют отражающую поверхность со сложной формой. При этом уровень (амплитуда) отраженных ультразвуковых импульсов зависит от множества факторов. К их числу относятся не только форма и ориентация дефекта в изделии, но также частота и форма излучаемого искателем ультразвукового импульса.

2. Разработка методики

2.1 Проведение лабораторной работы на дефектоскопе УД-10УА

Дефектоскоп УД- 10УА может использоваться для неразрушающего контроля изделий из металлов со скоростями распространения продольных ультразвуковых волн от 2300 до 6500 м/с, а также изделий из некоторых пластмасс.

В данном проекте мы используем прибор для определения различных дефектов таких как трещины, отверстия различной формы, рыхлости, выпуклости.

Дефектоскоп может работать при эхо-импульсном и теневом методах контроля в контактном и иммерсионном вариантах. Его можно использовать для определения толщины изделий и глубины залегания дефектов. Условия эксплуатации дефектоскопа допускают его работу в цехе или лаборатории при температуре окружающей среды от +5 до +50° С и относительной влажности до 80% (при t = 35 °С)

По своим техническим характеристикам и конструкции среди выпускаемых отечественной приборостроительной промышленностью переносный дефектоскоп наиболее универсален. Он высокочувствителен, с широким частотным диапазоном (0,5 — 24 МГц) и автоматической сигнализацией дефектов. Его питание возможно от сети переменного тока напряжением 220 В или постоянного — 24 В. Потребляемая им мощность не превышает 55 Вт. Размеры полезной площади экрана 50Ч80 мм при габаритах прибора 340Ч190Ч465 мм (без ручки для переноски); масса 12 кг.

Дефектоскоп содержит следующие основные узлы (рис. 6): синхронизатор С со схемой задержки СЗ, генератор зондирующих импульсов, предусилитель П со схемой временной регулировки чувствительности ВРЧ, ступенчатый аттенюатор А, основной усилитель У, видеоусилитель ВУ, электронно-лучевую трубку ЭЛТ с платой управления, узел развертки УР, автоматический сигнализатор АС и блок питания БП. Синхронизатор С генерирует синхроимпульсы для запуска генератора зондирующих импульсов, узла развертки, схемы ВРЧ и узла АС. Генератор зондирующих импульсов вырабатывает короткие электрические импульсы большой амплитуды для возбуждения ультразвуковых колебаний в пьезопластине искателя, подключенного к выходному разъему, расположенному на передней панели прибора. Ультразвуковые импульсы упругих волн, отраженные в проверяемом изделии, преобразуются пьезопластиной искателя в импульсы электрических ультразвуковых колебаний, которые поступают на входной разъем, также находящийся на передней панели прибора.

Ультразвуковые электрические импульсы («радиоимпульсы») усиливаются, детектируются, поступают на видеоусилитель, а затем на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Для выравнивания уровней сигналов, наблюдаемых на экране, используется схема ВРЧ, управляющая предварительным усилителем.

Узел развертки вырабатывает пилообразные импульсы для горизонтального отклонения луча на экране ЭЛТ, а также прямоугольные импульсы подсвета (бланкирующие импульсы), отпирающие луч ЭЛТ на время прямого хода развертки.

Дефектоскоп содержит встроенный двухканальный автоматический сигнализатор АС с оптической и звуковой сигнализацией дефектов. Для выделения эхо-сигналов в установленной зоне контроля узел АС формирует стробимпульсы I и II каналов, которые могут наблюдаться непосредственно на экране электронно-лучевого индикатора (они подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ). Кроме того, видеосигналы подаются на пороговые селекторы обоих каналов АС.

Регистрация эхо-сигналов, уровень которых превышает заданную величину порога, может быть осуществлена либо с помощью встроенных звукового и оптических сигнализаторов, либо с помощью внешних самописцев, подключаемых к соответствующим выходам АС.

Пределы регулировки усиления и диапазон уровней, воспроизводимых индикатором дефектоскопа, характеризуют его способность контролировать изделия различных размеров и с различным затуханием ультразвуковых волн. В современных приборах регулировка усиления осуществляется ступенчатыми децибельными регуляторами, облегчающими фиксацию усиления. В некоторых старых типах дефектоскопов регулировка усиления осуществляется посредством одного или нескольких регуляторов, положения ручек которых фиксируются с помощью шкал, имеющих десять условных делений. При этом величина изменения усиления, приходящаяся на каждое деление потенциометра, может быть неодинакова. Это вносит трудности при составлении рекомендаций по методике контроля изделий.

Приблизительную оценку диапазона действия плавных регуляторов усиления дефектоскопа УЗД-64 могут дать его усредненные регулировочные характеристики. Особенность номограмм состоит в том, что в качестве исходной (опорной) величины (0 дБ) принято максимальное усиление, достигаемое при положениях обоих регуляторов на десятом делении, поэтому величины децибел, обозначенные в верхней строке номограммы, — отрицательные. Основной регулятор дефектоскопа — «Калибратор» позволяет изменять усиление примерно на 50 дБ. Регулятор «Усиление» расширяет диапазон регулировки еще на 20 дБ.

Рассматривая приведенные регулировочные характеристики дефектоскопа, следует четко помнить, что величины децибел, соответствующие определенным делениям регуляторов, характеризуют лишь изменения усиления, создаваемые каждым из них, и не должны использоваться для оценки полной чувствительности дефектоскопа

Рис. 7 Зависимость высоты сигнала на экранах дефектоскопов от входного уровня

При контроле сварных соединений рекомендуется производить оценку условной чувствительности прибора по номеру выявляемой поперечной засверловки в стандартном образце № 1 из оргстекла. Расположенные на различном удалении от искателя засверловки выявляются при различной чувствительности дефектоскопа, поэтому этот образец дает принципиальную возможность сопоставить между собой режимы работы различных приборов с разными искателями.

Использование образца № 1 для оценки чувствительности показало, что отверстия в нем выявляются при усилении от 18 дБ для первого из них до 46 дБ для десятого.

Оценку режима усиления дефектоскопа, имеющего регулятор, градуированный в децибелах, удобно производить по величине разности уровней по сравнению с тем усилением, которое необходимо для наблюдения (с той же высотой) максимально возможного для данного искателя эхо-сигнала. В качестве образца, который мог бы создать такой эхо-сигнал при работе с прямым искателем на частоте 2,5 МГц, удобно применять образец из оргстекла размером 15Ч25Ч53 мм, прозвучивая его по толщине 15 мм. Усиление дефектоскопа, при котором амплитуда (на выходе) первого донного эхо-сигнала достигает половины действующей высоты экрана, можно принять за «нулевое усиление».

Сложнее произвести объективную оценку уровней входных сигналов дефектоскопом, не имеющим децибельного аттенюатора. Тем не менее это возможно выполнить с помощью упомянутого выше образца, прозвучивание которого определенным типом искателя позволяет наблюдать сигналы наперед известных уровней. Экспериментально установлено (с точностью ±6 дБ), что последовательность донных эхо-сигналов на входе дефектоскопа при постановке прямого искателя (с частотой f = 2,5 ± 0,2 МГц) на упомянутый контрольный образец при температуре 22 ± 3 °C имеет амплитуды с уровнями, снижающимися в следующем порядке: 0, —10, —26, —42, —58, —74, —90 дБ. Миниатюрность образца позволяет оператору держать его в кармане спецодежды практически при неизменной температуре. Следует учитывать, что приведенный ряд, характеризующий затухание многократных донных эхо-сигналов в бруске оргстекла, пригоден лишь для конструкций, подобных искателю типа ЩКП из комплекта дефектоскопа УЗД-64 с пьезоэлементом диаметром 12 мм и имеющих протектор из оргстекла. Искатели с иным протектором и диаметром пьезоэлемента должны быть специально протарированы посредством дефектоскопа с децибельным аттенюатором. Например, прямой искатель дефектоскопа УД-10УА с керамическим протектором диаметром 17 мм создает очень удобный для градуировки ряд сигналов, уровни которых отличаются между собой на 10 дБ: 0, —10, —20, —30 дБ и т. д

Искатель дефектоскопа УДМ (со стальным протектором) позволяет наблюдать многократные эхо-сигналы на том же образце с уровнями: 0, —14, —28, —42, —56, —70, —84 дБ, т. е. различающимися между собой на 14 дБ.

Пользуясь рядом, выражающим уровни многократных донных эхо-сигналов в образце из оргстекла, можно установить связь между делениями шкал каждого из регуляторов усиления дефектоскопа и его усилением (в дБ). Полученные совместно с прямым искателем рабочие характеристики регулятора усиления дефектоскопа позволяют обеспечить настройку режима в соответствии с особенностями конкретной контролируемой детали. Кроме того, выражение режима усиления дефектоскопа в децибелах позволяет упростить задачи составления методических указаний по обеспечению необходимого режима прибора любого типа для контроля определенных зон изделия прямым и наклонным искателями для оценки работоспособности и чувствительности различных искателей и дефектоскопов.

В данном дипломном проекте разрабатывается методика проведения лабораторной работы, в которой студенты должны научиться работать с прибором и научиться выявлять дефекты.

Для проведения лабораторной работы необходимо в первую очередь настроить прибор

2.2 Подготовка прибора к работе:

· Соедините кабель питания с источником переменного тока 220 В.

· Присоедините при работе совмещенной искательной головкой кабель с искательной головкой к одному из выходных разъёмов «?» блока генератора, другой выходной разъём блока генератора соедините специальным кабелем длиной 300 мм с входным разъёмом «?» блока усилителя.

При работе с раздельно-совмещенными искательными головками кабели подключить к разъёмам блока усилителя и блока генератора.

· Установите ручки управления следующим образом:

На блоке синхронизации и развертки:

§ кнопка «ВНЕШНЯЯ» переключателя «СИНХР» отпущена,

§ кнопка «ЗАДЕРЖКА» переключателя «СИНХР» отпущена,

§ все кнопки переключателя «ЗАДЕРЖКА S» отпущены.

На индикаторном блоке:

§ регулятор яркости «_» с выключателем «ОТКЛ» вывести влево до щелчка,

§ регулятор фокуса «_», астигматизм «?» , смещение по горизонтали «-» и смещение по вертикали «¦» — в среднее положение.

На блоке усилителя:

§ тумблер «ВРЧ-ВРЧ СТУПЕНЧАТАЯ» в положение «ВРЧ СТУПЕНЧАТАЯ» ,

§ регуляторы «ГЛУБИНА», «НАЧАЛО», «КРУТИЗНА ВРЧ», «УСИЛЕНИЕ», «ОТСЕЧКА» — в крайнее левое положение,

§ кнопки переключателя «ОСЛАБЛЕНИЕ dB» — отпущены.

§ На блоке ступенчатой временной регулировки чувствительности (СВРЧ):

регулятор «ЗАДЕРЖКА ВКЛ» вывести влево до щелчка

§ на верхней планке блока СВРЧ регуляторы «КРУТИЗНА ЗОНЫ» установите в крайнее левое положение.

§ На блоке автоматического сигнализатора (АС):

§ кнопка «ЗАПУСК» отпущена,

§ кнопка «ТЕНЕВОЙ» отпущена,

§ кнопки переключателя «ПОМЕХОЗАЩИТА» отпущены,

§ кнопки переключателей «ЗАДЕРЖКА» и «ЗОНА» I и II каналов отпущены,

§ регуляторы «ЗАДЕРЖКА» и «ЗОНА» I и II каналов в правое положение,

§ регуляторы «УРОВЕНЬ» I и II каналов — в левое положение.

§ На блоке генератора ультразвуковых колебаний:

регулятор «МОЩНОСТЬ» — в крайнее правое положение.

После того как настроили прибор, переходим к проведению экспериментов.

Цель первого эксперимента построить график зависимости высоты импульса от глубины залегания.

Для первого испытания нам понадобится образец из оргстекла. Расположенные на различном удалении от искателя засверловки выявляются при различной чувствительности дефектоскопа. Образец устанавливаем вертикально на столе, рабочую поверхность смазываем контактной жидкостью, налаживаем искательную головку на поверхность и перемещая смотрим на экран. Снимая показания тарируем. Начинаем строить график зависимости высоты импульса от глубины залегания. На этом первый этап проведения работы закончен.

Переходим к следующему эксперименту. Цель второго эксперимента определить с помощью осциллограммы вид дефекта.

Для работы нам понадобится металлический образец, в котором заранее изготовлены дефекты различного характера. Образец устанавливаем вертикально на столе, рабочую поверхность смазываем контактной жидкостью и налаживаем искательную головку. Наблюдаем на экране электроннолучевого индикатора универсального ультразвукового дефектоскопа осциллограмму. В результате делаем вывод по осциллограмме, т. е определяем вид дефекта. На этом испытания на дефектоскопе УД-10УА закончены.