Электромагнитные преобразователи для устройств контроля состояния стальных канатов

Наиболее эффективными методами контроля состояния стальных канатов являются электромагнитные методы наразрушающего контроля. Существующие устройства контроля определяют лишь часть повреждений, нарушающих нормальное функционирование стальных канатов. К их недостаткам можно отнести невысокую точность, существенное энергопотребление, низкие массога-баритные показатели. Устройства контроля, созданные на основе электромагнитных методов имеют в своем составе электромагнитный преобразователь (ЭМП), представляющий собой совокупность намагничивающего устройства на базе электромагнитов или постоянных магнитов, магниточувствительных элементов и первичных измерительных преобразователей и обеспечивающий перераспределение и регистрацию потоков энергии магнитного поля при взаимодействии с контролируемым объектом — стальным канатом.

Повышение безопасности и экономической эффективности при эксплуатации подъемно-транспортных машин требует осуществления постоянного и достоверного контроля состояния стальных канатов и обуславливает разработку новых устройств для его осуществления.

Проектирование электромагнитных преобразователей с использованием методов, традиционных для электромагнитных устройств затрудняется сложной конструкцией стальных канатов, их пространственной и магнитной неоднородностью, разным характером дефектов. В связи с этим возникает необходимость разработки математических моделей и методик проектирования, позволяющих создать новые конструкции электромагнитных преобразователей для повышения эффективного функционирования устройств контроля* состояния стальных канатов.

Работа соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) на 2006 -2010г.г. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», утвержденному решением ученого совета от 1.03.06г. 1. Выполнить анализ разных типов дефектов и существующих устройств контроля, позволяющий сформулировать требования к ЭМП.

2. Разработать новые конструкции ЭМП, произвестивыбор типа и конфигурации намагничивающего устройства ЭМП по результатам математического моделирования магнитных полей рассеяния дефектов, определить оптимальный магнитный режим работы ЭМП, сформулировать требования к первичным измерительным преобразователям, устройству регистрации и идентификации дефектов, предложить варианты их реализации.

3. Выполнить практическую реализацию устройств для магнитной дефектоскопии на базе предложенных конструкций ЭМП.

4. Наоснове математического моделирования разработать конструкцию ЭМП для устройств контроля геометрических параметров стальных канатов.

5. Практически реализовать устройство контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретокового ЭМП;

6. Провести экспериментальные исследования ЭМП для устройств контроля стальных канатов с помощью созданного автоматизированного стенда:

Целью диссертационной: работы является создание электромагнитных преобразователей для повышения эффективности устройств дефектоскопического контроля стальных канатов на основе использования методов математического моделирования.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

Методы исследований.

В диссертационной работе использованы методы теории электрических и магнитных цепей, методы теории поля, численные: и аналитические-методы решения систем алгебраических уравненийЭкспериментальное исследование опытных образцов проводилось, с использованием программно-аппаратного комплекса на базе ПЭВМ.

Научная новизна.

1. Предложены новые способы и разработаны ЭМП для устройств контроля стальных канатов, отличающиеся от существующих высокими^ метрологическими, массогабаритными показателями и низким энергопотреблением.

2. На основе математического моделирования впервые получены картины магнитных полей дефектов, позволяющие осуществить выбор датчиков для их регистрации, установить оптимальную конфигурацию и основные геометрические параметры ЭМП, обеспечивающие наибольшую чувствительность к дефектам.

3. Впервые создана методика проектного расчета ЭМП для устройств магнитной дефектоскопии круглых стальных канатов, обеспечивающая высокие метрологические, массогабаритные показатели и низкое энергопотребление ЭМП.

4. Созданы новые математические модели, методика проектирования и соответствующее программное обеспечение, позволяющие проектировать вихре-токовые ЭМП с высокой чувствительностью и линейностью.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций'.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость.

1. Разработаны методики, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для анализа электромагнитных процессов, протекающих в ЭМП для устройств контроля стальных канатов.

2. На основании результатов исследований спроектированы и практически реализованы опытные образцы устройств для контроля стальных канатов, в НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) осуществляется выпуск опытной партии приборов.

3. На предложенные способыи разработанные устройства получено- 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезные модели РФ и 1 свидетельство о регистрации программы.

4. Разработан и изготовлен автоматизированный стенд для экспериментальных исследований ЭМП для дефектоскопии стальных канатов.

Внедрение работы.

Теоретические и практические результаты работы использовались при разработке новых устройств для контроля состояния стальных канатов для ряда предприятий ЮФО (ИКЦ «Мысль», г. Новочеркасск, КПК «Автокрансервис», г. Ставрополь). НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) осуществляет мелкосерийное производство опытной партии устройств контроля состояния стальных канатов для предприятий и организаций, занимающихся обслуживанием подъемно-транспортных сооружений. Устройства прошли испытания с целью утверждения типа средства измерения в Госреестре СИ РФ, получен сертификат соответствия RU. E27.062.A № 29 554 от 20.11.07 г.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты математического моделирования магнитных полей дефектов стальных канатов в магнитной системе ЭМП — стальной канат.

2.. Электромагнитные преобразователи и соответствующие способы контроля состояния стальных канатов.

3. Методика проектного расчета ЭМП для устройств контроля потери металлического сечения и локальных дефектов стальных канатов.

4. Математические модели, методика проектирования и комплекс программ для проектирования вихретоковых ЭМП для контроля геометрических параметров стальных канатов.

Апробация работы.

Основные результаты: диссертационной работы докладывались и осуждались на межкафедральных научно-технических конференциях кафедр «Электрические и электронные аппараты», «Информационно-измерительная техника», «Автоматика и телемеханика» и «Подъемно-транспортные машины» ЮР-ГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2002 г., 2003 г.), ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2002 — 2006 г. и п. г.), международных научно-практических коллоквиумах «Проблемы мехатроники» (г. Новочеркасск, 2003 — 2006 г.), международной • научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г. Новочеркасск, 2003 г.).

Работа была отмечена грантомНИР конкурса 2004 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных общеобразовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию (грант № А04−3.14−72).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, том числе 6 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 7 тезисов докладов на различных научных конференциях, получены 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключениясписка литературы из 89 наименования и приложений. Общий объем работы 206 страниц, включая 55 страниц приложений и 93 иллюстраций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

На основании проведенных исследований получены следующие результаты.

1. Показана эффективность электромагнитных методов контроля стальных канатов, реализуемых на основе использования электромагнитных преобразователей, являющихся основными элементами устройств контроля, определены конфигурации магнитных систем ЭМП для разных типов канатов и подъемно-транспортных механизмов.

2. На основе математического моделирования получены картины магнитных полей рассеяния локальных дефектов. Определены основные геометрические соотношения и режимы намагничивания для магнитной системы ЭМП, обеспечивающие наибольшее искажение силовых линий магнитного поля в зоне дефекта. Установлено, что при регистрации локальных дефектов (обрывов и коррозии проволок) целесообразно использовать нормальную составляющую вектора индукции магнитного поля. При этом регистрирующий модуль ЭМП имеет высокую (более чем в 1 ООО раз по сравнению с регистрацией касательной составляющей) чувствительность и разрешающую способность.

3. На основании исследований предложен метод определения потери металлического сечения, основанный на регистрации части намагничивающего потока в измерительном модуле, расположенном в основании магнитопровода магнитной системы ЭМП. Разработана математическая модель, с помощью которой определены геометрия и размеры регистрирующего модуля, обеспечивающие высокую чувствительность и погрешность измерений не более 1%.

4. Создана методика проектного расчета ЭМП для устройств, контроля круглых стальных канатов, позволяющая проектировать ЭМП для канатов заданного диаметра различных конструкций, учитывающая специфику его работы и обеспечивающая высокие массогабаритные показатели и низкое энергопотребление.

5. На основе разработанных ЭМП изготовлен ряд устройств неразру-шающего контроля состояния стальных канатов, которые рекомендованы предприятиям, занимающимся эксплуатацией подъемно-транспортных механизмов к применению для контроля состояния стальных канатов. Устройства прошли испытания с целью утверждения типа средства измерения в Госреестре СИ РФ, получен сертификат соответствия RU. E27.062.A № 29 554 от 20.11.07 г. Разные исполнения опытной партии приборов работают на предприятиях ЮФО.

6. Предложены способ и устройство для контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретокового ЭМП. Разработана математическая модель для расчета характеристик ЭМП. Определены геометрические размеры и соотношения, обеспечивающие линейность ЭМП. Установлено, что наиболее эффективным режимом устройства с вихретоковым ЭМП является резонанс токовпозволяющий получить заданную проходную характеристику и обеспечивающий низкое энергопотребление.

7. Разработана методика проектного расчета вихретоковых ЭМП с высокой чувствительностью и линейностью. На основании проведенных исследований созданы макетный образец конструкции ЭМП и устройство для контроля геометрических параметров канатов на его основе.

8. Разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс для проведения экспериментальных исследований электромагнитных преобразователей. Экспериментально подтверждены эффективность предложенного способа регистрации потери металлического сечения каната и результаты численного моделирования магнитного поля локальных дефектов в-межполюсной зоне ЭМП. Отличие расчетных и экспериментальных характеристик не превышает 15−18%, что объясняется большим разбросом характеристик намагничивания канатной стали и принятыми допущениями. Установлена адекватность математических моделей, используемых для исследования характеристик вихретоковых ЭМП. Погрешность расчетных данных не превышает 15%.