795093 01854 Nosov v v Diagnostika Mashin i Oborudovaniya

САНКТ�ПЕТЕРБУРГМОСКВА

КРАСНОДАР2012

САНКТ�ПЕТЕРБУРГ•МОСКВА•КРАСНОДАР•2012

У Ч Е Б Н О Е П О С О Б И Е

В. В. НОСОВ

ДИАГНОСТИКАМАШИНИ ОБОРУДОВАНИЯ

Издание второе,исправленное и дополненное

© Издательство «Лань», 2012© В. В. Носов, 2012© Издательство «Лань»,

художественное оформление, 2012

Охраняется законом РФ об авторском праве.Воспроизведение всей книги или любой ее части

запрещается без письменного разрешения издателя.Любые попытки нарушения закона

будут преследоваться в судебном порядке.

ОбложкаЕ. А. ВЛАСОВА

ББК 30.82я73Н 84

Носов В. В.Н 84 Диагностика машин и оборудования: Учебное по$

собие. 2$е изд., испр. и доп. — СПб. : Издательство«Лань», 2012. — 384 с.: ил. — (Учебники для вузов.Специальная литература).

ISBN 978 5 8114 1269 3

Учебное пособие подготовлено на основе курса лекций, чи$таемых автором на протяжении нескольких лет студентам меха$нических специальностей вузов.

В пособие вошли общие вопросы диагностики и неразрушаю$щего контроля, понятия о дефектах и их видах, вопросы построе$ния и исследования моделей объектов контроля и диагностикимоделей, приводящих к отказу процессов, диагностических при$знаков, выбора методов диагностирования и т. д. В приложенииприведены темы лабораторных работ, практических занятий, за$дания к ним и примеры решения некоторых задач.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по на$правлению подготовки «Прикладная механика», а также для са$мостоятельной работы, использования в качестве указаний к про$ведению соответствующих лабораторных работ и практическихзанятий. Может оказаться полезным для аспирантов, преподава$телей и научных работников.

ББК 30.82я73

Рецензент:А. И. ПОТАПОВ — зав. кафедрой приборов контроля и системэкологической безопасности Северо$Западного государственногозаочного технического университета, заслуженный деятель нау$ки РФ, д. т. н., профессор.

ВВЕДЕНИЕ

Диагностика состояния и прогнозирование ра$ботоспособности машин, оборудования, конструкций исооружений, являясь одной из составляющих общей про$блемы надежности, связана с решением таких задач, какпредотвращение аварий, оптимизация производственныхи ремонтных технологий, обоснование необходимости про$ведения поддерживающих работоспособность профилак$тических мероприятий, обеспечение экологически чистыхи безопасных условий труда рабочих. В технике исполь$зуются новые конструкционные материалы, работают ивводятся вновь в эксплуатацию крупномасштабные кон$струкции, глубокие подземные сооружения, непредвиден$ное разрушение которых может привести к большим че$ловеческим жертвам и тяжелым экологическим послед$ствиям.

Из$за недостатков в качестве выпускаемой продукцииразвитые страны ежегодно теряют до 10% своего нацио$нального дохода. Потери только от дефектов, приводящихк усталости материала, в США составляют более 100 млрддолларов в год, от коррозии — 200 млрд долларов в год.Убытки от недостаточно высокого качества машин и соору$жений в нашей стране значительно выше, и их существен$ное сокращение возможно на основе внедрения средствдиагностики и контроля, затраты на которые, по подсче$там специалистов, должны составлять не менее 30% отстоимости диагностируемого объекта. В области же атом$ной энергетики, аэрокосмической техники, транспорта

6 В. В. НОСОВ. ДИАГНОСТИКА МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ

и строительства в США, например, они в три раза превос$ходят стоимость самих сооружений.

На территории России насчитывается около 100 000опасных производств и объектов, из которых около 1500ядерных, 3000 химических и биологических объектов осо$бой опасности. Средний период чрезвычайных ситуацийсоставляет 10...15 лет для аварий и катастроф с ущербом до2 млрд долларов, 15...45 дней — с ущербом до 100 млн дол$ларов США. Потери от техногенных аварий, катастроф(взрывы, пожары, разрушения, выбросы радиоактивных иотравляющих веществ, крушения и т. п.) и природных ка$таклизмов (землетрясения, обвалы, ураганы, сели, ополз$ни, наводнения и др.) с каждым годом возрастают на 10...30%. В нефтяной и газовой промышленности стран СНГэксплуатируется 206 тыс. км магистральных газопроводов,65 тыс. км магистральных нефтепроводов, более 6 тыс. кмпродуктопроводов и более 300 тыс. км промысловых тру$бопроводов различного назначения. Треть магистральныхтрубопроводов имеет возраст более 15 лет, в год на газо$ инефтепроводах происходит более 100 аварий, и наблюдает$ся тенденция к их росту. Применение систем диагностикиудорожает продукцию, однако их использование на всехстадиях изготовления, проверки и эксплуатации сущест$венно повышает надежность объектов контроля и в конеч$ном счете является экономически выгодным.

В настоящее время для контроля и диагностики машин,приборов и технических объектов используется более100 физических методов, тысячи типов приборов. Разви$тие средств диагностики идет по пути повышения точно$сти и оперативности получения результатов диагностиро$вания на основе разработки алгоритмов количественнойобработки данных контроля и оценки его остаточного ре$сурса. Следует отметить, что всеобщая компьютеризацияспособствовала опережающему развитию аппаратурнойбазы сбора информации по отношению к методическомуобеспечению обработки результатов контроля, требующе$го осмысления контролируемых явлений и процессов.Подготовке специалистов в этом направлении и способст$вует данное пособие.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИИ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВНЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯИ ДИАГНОСТИКИ

1.1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКАКАК ОСНОВА ПОВЫШЕНИЯНАДЕЖНОСТИ МАШИНИ ОБОРУДОВАНИЯ

�етали и узлы машин, машины и оборудова$ние в целом должны быть надежными. Под надежностьюпонимается способность машины, механизма, детали илидругого объекта выполнять функции, сохраняя свои экс$плуатационные показатели в заданных пределах в течениезаданного промежутка времени или требуемой наработки.Обеспечение надежности машин и механизмов ведется натрех этапах их создания и использования: проектирова)ния, изготовления и эксплуатации. Надежность конкрет$ного изделия определяется наиболее «слабыми» его эле$ментами, теряющими со временем способность выполнятьзаданные функции по тем или иным причинам, связан$ным с определенными свойствами, — критериям работо способности. Основными из них являются прочность, же$сткость, устойчивость, износостойкость, теплостойкость,виброустойчивость, коррозионная стойкость, а для при$боров — точность и быстродействие. Надежность слагает$ся из ряда свойств: безотказности, долговечности, ремон)топригодности и сохраняемости.

Безотказность — свойство изделия непрерывно (безотказа) сохранять работоспособность в течение требуемо$го времени. Отказом называется нарушение работоспо$собности изделия, работоспособностью — его способностьнормально выполнять заданные функции с параметрами,установленными нормативно$технической документаци$ей (техническими условиями, стандартами и т. п.). Ос$новной количественной характеристикой безотказности


является вероятность безотказной работы — вероятностьтого, что в течение заданного времени или наработки из$делия его отказа не произойдет.

Долговечность — свойство изделия сохранять работо$способность до наступления предельного состояния. Ха$рактеризуется следующими ресурсами:� назначенным ресурсом — суммарной наработкой из$

делия, при достижении которой эксплуатация долж$на быть прекращена независимо от состояния изделия.Прекращение эксплуатации связано с требованиямибезопасности (возможностью наступления катастрофи$ческого отказа) или экономической целесообразно$стью. В пределах назначенного ресурса может бытьпредусмотрено несколько ремонтов;

� техническим (исходным) ресурсом — наработкой (вре$менем, количеством циклов нагружения и т. п.) изде$лия от начала эксплуатации или после ремонта до на$ступления предельного состояния;

� остаточным ресурсом — наработкой изделия от про$извольного момента его использования или диагности$рования до наступления предельного состояния.Ремонтопригодность — приспособленность изделия к

предупреждению и обнаружению причин возникновенияотказов и поддержанию работоспособности путем прове$дения технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость — свойство изделия сохранять значе$ния показателей безотказности, долговечности и ремон$топригодности в течение и после хранения или транспор$тировки.

Для оценки надежности групп изделий массового про$изводства используются вероятностно$статистические по$казатели (вероятность безотказной работы, вероятностьотказа, плотность распределения и интенсивность отказов,средняя наработка до отказа). Оценка надежности изделийединичного производства, ответственных или уникальныхобъектов производится детерминированными показателя$ми (например, величиной остаточного ресурса) с указани$ем степени неопределенности их оценки или доверитель$ного интервала оценки с заданной вероятностью.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 9

Вероятность безотказной работы P(t) рассчитываетсякак отношение количества NИ исправных (сохранившихработоспособность) к заданному моменту времени t изде$лий к общему количеству NO изделий, поступивших в экс$плуатацию. Остальные N* изделий выбыли из эксплуата$ции по тем или иным причинам.

P(t) = NИ(t)/NO = (NO – N*(t))/NO = 1 – N*(t)/NO.

Плотность вероятности безотказной работы:

dP(t)/dt = –dN*(t)/(NOdt) == –(NИ(t)/NO){dN*(t)/[NИ(t)dt]} = –P(t)�(t),

где �(t) = dN*(t)/[NИ(t)dt] — интенсивность отказов.Опыт эксплуатации показывает, что изменение интен$

сивности отказов по времени для большинства узлов и ма$шин имеет три характерных периода (рис. 1): период при$работки I с повышенной интенсивностью отказов, периоднормальной эксплуатации IIс минимальной интенсивно$стью и период изношеннойэксплуатации III с увеличен$ной интенсивностью отказовиз$за усиленного износа, ста$рения, усталости материала идругих причин, связанных сдлительной эксплуатацией.

Из уравнения плотностивероятности безотказной работы следует, что вероятностьбезотказной работы и интенсивность отказов связаны ос новным уравнением надежности

� �� 0

( ) exp ( ) .t

P t t dt

В частности, при постоянной интенсивности отказов

P(t) = exp(–�t),

а гамма$процентный ресурс (ресурс, соответствующийусловию P(t) = �)

t� = (–ln0,01�)/�.

Рис. 1Зависимость интенсивности

отказов от времени эксплуата$ции технических объектов


Вероятность безотказной работы системы последова$тельно соединенных элементов равна произведению веро$ятностей безотказной работы каждого из элементов. Дляописания надежности необходимо иметь статистическиемодели — законы распределения вероятности, плотностивероятности или интенсивности отказов. Для получениятаких моделей обычно проводят испытания, собираютинформацию об отказах и обрабатывают ее методами ма$тематической статистики.

Повышение надежности производится на основе про$гнозирования работоспособности. Показатели надежностиизделий определяют либо на основании принятия (из опы$та эксплуатации, априорно) статистической модели ин$тенсивности отказов �(t), либо на основе индивидуальнойоценки состояния объекта с использованием средств ди$агностики и неразрушающего контроля (апостериорно).Первый подход позволяет обосновывать проектные путиповышения надежности (выбор материала, размеров, до$пустимых нагрузок и конструктивных решений, повыше$ние ��ср на рис. 2), второй — повысить надежность техни$

Рис. 2Иллюстрация средств повышения прочностной надежности:

�, �� — параметр состояния (напряжения) и функция плотности распределенияего значений; �действ, �доп — действительные и допустимые значения параметрасостояния; ��действ, ��доп, ��ср — доверительный разброс действительного, допус$тимого и среднего значений параметра состояния соответственно.


ческих объектов на этапе их изготовления и эксплуата$ции посредством их сортировки, назначения своевремен$ного ремонта или других мероприятий по поддержаниюработоспособности (снижение ��действ, ��доп на рис. 2).

Применение средств индивидуального контроля и ди$агностирования позволяет повысить точность прогнози$рования ресурса (по отношению к традиционному расчет$ному, основанному, например, на использовании кривыхусталости и обобщенных справочных данных), так каксостояние объекта оценивается непосредственно на изде$лии при рабочей нагрузке или ей подобной диагностиче$ской. Повышение точности иллюстрирует схема на рис. 3.

Для повышения эффективности диагностирования уве$личивается число контролируемых параметров и повыша$

Рис. 3Иллюстрация снижения неопределенности оценки ресурса

материалов и изделий с помощью кривых усталости


ется быстродействие диагностических систем. Это произ$водится на основе автоматизации и роботизации системдиагностирования, позволяющих получать и обрабаты$вать огромный массив информации.

Точность работы систем также зависит от чувствитель$ности и разрешающей способности измерительных кана$лов и преобразователей информации, входящих в систе$мы. При этом выделяются следующие характерные на правления развития средств диагностики:� интеллектуализация методов и средств контроля и

диагностики, которая связана с построением моделейразличных физических явлений и сопровождающихих процессов, созданием приборов их регистрации,созданием и использованием математического, про$граммного обеспечения, компьютеризацией методовдиагностики. Благодаря этому оптимизируется выбори интерпретация физического явления, позволяюще$го получить наиболее объективную информацию обобъекте диагностирования, его способности выполнятьзаданные функции. В задачу диагностики входит ужене столько фиксация дефекта как уже возникшего от$клонения от нормы, а исследование процессов, пред$шествующих моменту перехода материала или изде$лия в неработоспособное состояние;

� увеличение количества контролируемых явлений иоцениваемых диагностических параметров, исследо$вание объекта с разных сторон, совершенствованиедиагностических технологий с целью повышения до$стоверности поставленного диагноза;

� разработка единой системы контроля качества тех$нических объектов и окружающей среды. Многие из$мерительные каналы, алгоритмы диагностирования,методы и устройства преобразования информации, ис$пользуемые физические и химические эффекты, тех$нические средства должны быть унифицированы. В тоже время это не должно сдерживать развитие новыхподходов и систем. Здесь перспективным являетсясоздание систем контроля на основе результатов ис$следований явлений на микро$ и наноуровне;


� организационное обеспечение средств диагностики намеждународном уровне. Для этого необходимо повы$сить эффективность координации академической, ву$зовской и отраслевой науки, международного сотруд$ничества путем проведения выставок, конференций,совместных научно$технических программ и проектов.Необходимость выхода отечественного производства

на европейский рынок требует учета международных стан$дартов в области обеспечения качества продукции. Стан$дарты системы качества Международной организации постандартизации (ISO) ISO$9000 (в России введены соответ$ствующие им ГОСТ 40.9001...9003$88) рассматривают вжизненном цикле продукции определенные этапы. Это мар$кетинг, поиск и изучение рынка; проектирование и/илиразработка технических требований, разработка техниче$ской документации; материально$техническое снабжение;подготовка и разработка производственных процессов;производство; контроль, проведение испытаний и обсле$дований; упаковка и хранение; реализация и распределе$ние продукции; монтаж и эксплуатация; техническая по$мощь и обслуживание; утилизация после использования.Очевидно, что обеспечение надежности в этой системе ка$чества занимает одно из основных мест.

1.2. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Технической диагностикой называется наука ораспознавании состояния технической системы в услови$ях ограниченной информации, отрасль научно$техниче$ских знаний, сущность которой составляют теории, мето$ды и средства обнаружения дефектов и оценки парамет$ров состояния объектов технической природы.

Диагностирование — определение технического со$стояния, в котором находится объект в настоящий моментвремени, что подразумевает обнаружение и поиск дефек$тов. Дефект — любое несоответствие свойств объекта за$данным, требуемым или ожидаемым. Обнаружение де)фекта — установление факта его наличия или отсутст$вия в объекте. Цель диагностирования — повышение


надежности и ресурса технических систем на этапе их экс$плуатации, а также предотвращение производственного бра$ка на этапе изготовления объектов и их составных частейна основе распознавания состояния технической системы.

Основной задачей технической диагностики являетсяраспознавание состояния технической системы в услови$ях неопределенности, связанной с ограниченностью ин$формации (рис. 4). Информация — сведения, снижающиенеопределенность. Взаимодействие объекта диагностиро$вания и объекта получения информации (диагноста) по$казано на рис. 5а, а используемые им при решении задачипринципы информационной оптимизации с элементамифильтрации сигналов и выработки управляющей инфор$мации — на рис. 5б. Для решения основной задачи в тех$нической диагностике решается ряд промежуточных за$дач, все многообразие которых можно разделить на двабольших класса. Задачи первого класса включают вопро$сы построения диагностических моделей объектов контро$ля и процессов, приводящих к отказу, принципов выбора

Рис. 4Алгоритм решения задач распознавания состояния технических систем


методов диагностирования, методов обработки и анализаинформации, создания и оптимизации аппаратного и про$граммного обеспечения. Методология решения задач это$го класса тесно связана с познавательным процессом(см. рис. 6). Задачи второго класса непосредственным об$разом связаны с решением практических проблем и дефек$тоскопией конкретных объектов: контроль технического

Рис. 5Схема взаимодействия объекта диагностирования

и объекта получения информации (а) и информационная «пирамида»объекта получения информации (б)


состояния; поиск места и определение причин отказа; про$гнозирование технического состояния, оценка ресурса.При решении этого класса задач большое значение игра$ют опыт и знания конкретного специалиста, его способно$сти внедрять результаты решения задач первого класса.

Любой технический объект после проектирования про$ходит две основные стадии «жизни» — изготовление и экс$плуатацию. Применительно к технической диагностике настадии изготовления выделяют периоды приемки комплек$тующих изделий и материалов, процесса производства, на$ладки и сдачи объекта ОТК или представителю заказчика.

Рис. 6Методология решения задач распознавания состояния


Для стадии эксплуатации выделяют этапы входного кон$троля качества, применения объектов по назначению, про$филактики, ремонта, транспортирования и хранения объ$екта. Диагностическое обеспечение позволяет получать дос$товерные оценки параметров функционирования объектов,входного контроля комплектующих изделий и материалов,контроля технологических процессов изготовления объек$тов, включая выходной контроль последних.

Для условий эксплуатации важным является поня$тие работоспособного технического состояния объекта.Объект работоспособен, если он может выполнять все за$данные функции с сохранением значений заданных па$раметров в требуемых пределах. Убеждаться в работоспо$собности объекта необходимо при профилактике, послетранспортировки и хранения. Для этапа применения поназначению существенным является понятие техниче$ского состояния правильного функционирования объек$та. Правильно функционирующим является объект, зна$чение параметров которого в текущий момент времениприменения объекта по назначению находятся в требуе$мых пределах. Неисправное, неработоспособное техни)ческое состояние и техническое состояние неправильнофункционирующего объекта должны быть проанализи$рованы путем указания соответствующих дефектов, на$рушающих исправность, работоспособность или правиль$ность функционирования, относящихся к одной или не$скольким составным частям либо объекту в целом.

К прямым задачам диагностирования относятся зада$чи определения технического состояния, в котором нахо$дится объект в настоящий момент времени, и оценки пер$спектив его использования в будущем.

К обратным задачам диагностики относятся задачиопределения технического состояния, в котором находил$ся объект в некоторый момент времени в прошлом. Обрат$ные задачи возникают, например, в связи с расследовани$ем аварий и их причин, когда техническое состояние объ$екта в рассматриваемое время отличается от состояния, вкотором он был в прошлом, в результате появления перво$причины, вызвавшей аварию. Эти задачи решаются путем


определения возможных или вероятных предысторий, ве$дущих в настоящее состояние объекта. Следует отметить,что наряду с задачами диагностики существуют также за)дачи прогностики — предсказание технического состоя$ния, в котором окажется объект в некоторый будущиймомент времени.

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ,ПАРАМЕТРОВ И СИСТЕМДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Техническая диагностика изучает алгоритмыраспознавания применительно к конкретным задачам.Алгоритмы распознавания основываются на диагностиче$ских моделях, устанавливающих связь между параметра$ми состояния, описывающими состояние технической сис$темы, и диагностическими параметрами, отражающимиэто состояние в пространстве диагностических сигналов.

Различают системы тестового и функциональногодиагностирования. В системах тестового диагностирова$ния на объект подаются специально организуемые тес)товые воздействия. Системы тестового диагностированиянеобходимы для проверки исправности и работоспособно$сти, а также для поиска дефектов, нарушающих исправно$сти или работоспособность объекта. В системах функцио$нального диагностирования, которые работают в процессеприменения объекта по назначению, на объект поступаютрабочие воздействия, предусмотренные его алгоритмомфункционирования; подача тестовых воздействий, какправило, исключается. Системы функционального диаг$ностирования необходимы для проверки правильностифункционирования и для поиска дефектов, нарушающихправильное функционирование объекта.

Основу тестовой диагностики составляют активныеметоды контроля, когда регистрируются отклики кон$тролируемой системы на внешнее воздействие (ультразву$ковые, лазерные, электромагнитные и другие методы).Функциональное диагностирование опирается на пассив)ные методы, регистрирующие сигналы, возникающие всамом объекте под влиянием внешних факторов (акусти$


ческая и электромагнитная эмиссия, вибрация, электри$ческие и электромагнитные шумы, тепловые поля).

По степени повреждающего воздействия на объект кон$троля различают методы разрушающие и неразрушающие.Разрушающие методы пригодны лишь для выборочногоконтроля, когда на основании анализа результатов испы$таний выборки из большой партии изделий делается заклю$чение о свойстве всей партии. Выборочный контроль не все$гда является достаточным, часто необходим 100%$ный(сплошной) контроль качества. Такой контроль может осу$ществляться только неразрушающими методами, не вле$кущими за собой полное или частичное разрушение изде$лия. К недостаткам неразрушающих методов относятся невсегда высокая их точность, обусловленная неадекватно$стью реальному воздействию на объект, сложность рас$шифровки получаемой при контроле информации, необ$ходимость применения нескольких методов контроля.

Система диагностирования в процессе определения тех$нического состояния объекта реализует некоторый алго)ритм (тестового или функционального) диагностирования.Алгоритм диагностирования состоит из определенной сово$купности элементарных проверок объекта, а также правил,устанавливающих последовательность реализации элемен$тарных проверок и правил анализа результатов последних.

Элементарная проверка определяется своим тестовымили рабочим воздействием на объект и составом кон)трольных точек, с которых снимаются ответы объектана это воздействие. Результатом элементарной проверкиявляются значения ответных сигналов объекта в соответ$ствующих контрольных точках. Диагноз (заключение отехническом состоянии объекта) ставится по совокупно$сти полученных результатов элементарных проверок.

Аппаратная часть диагностической системы можетбыть смонтирована на машине и являться ее частью, то$гда она называется встроенной, или располагаться отдель$но в виде стендов и измерительных комплексов, тогда ееназывают внешней. Для функционального диагностиро$вания требуется только встроенная аппаратура, работаю$щая, например, в режиме мониторинга.


Анализируемые при диагностике параметры объекта,содержащие информацию о его состоянии, называют ди)агностическими параметрами. Их можно разделить натри группы:� функциональные параметры, характеризующие рабо$

чие процессы оборудования (действующие усилия, на$пряжения, продолжительность цикла, давление жид$кости в гидросистеме, время разгона или торможения,удельный расход энергии и т. д.);

� структурные параметры, непосредственно характери$зующие состояние узлов и агрегатов (зазоры в кинема$тических парах, координаты положения элементов,дисбалансы вращающихся валов, коррозионное повре$ждение и пр.);

� параметры сопутствующих процессов (температура,вибрация, акустические сигналы, уровень и спектршумов, содержание продуктов износа в масле, погреш$ность обработки).Во многих случаях информация о состоянии системы

содержится в виде записи значений диагностического па$раметра KJ и его отклонений от нормального или первона$чального уровня в различные моменты времени. Резуль$таты контроля представляются в виде непрерывных вре$менных функций или совокупности дискретных значенийKJ (t), где t — текущее время. Анализируя кривую KJ (t),можно во многих случаях сделать важное заключение отехническом состоянии системы. Установление соответ$ствия между состоянием системы и протеканием отобра$жающих состояние функций KJ (t) называется распозна)ванием (идентификацией) кривых. При этом в первуюочередь нужно уяснить, являются ли наблюдаемые во вре$мя эксплуатации изменения кривых KJ (t) следствием слу$чайных, несущественных изменений в системе или онивызваны какими$либо существенными причинами. В по$следнем случае выясняется, с каким из основных состоя$ний системы эти изменения связаны. Если контролируе$мый параметр отклоняется за пределы допустимых уров$ней, то это свидетельствует о воздействии на системуисточника существенных возмущений.


Основными характеристиками состояния и эффектив$ности оборудования (параметрами состояния) являютсяфункциональные и структурные параметры, но посколь$ку первые из них не дают возможности конкретизироватьместо дефекта, а определение вторых обычно требует ос$тановки и разборки оборудования, то для диагностикишироко используют параметры сопутствующих процес$сов. В этом случае диагностический параметр (K) должениметь достаточно высокую чувствительность к изменениюинтересующего параметра состояния Q (высокое значениеdK/dQ). Это означает, что при существенном изменениипараметра состояния технического объекта изменениезначения диагностического параметра должно быть суще$ственно больше случайного разброса результатов его за$меров.

Сопоставление значения диагностического параметрас его предельным значением KКР, соответствующим опре$деленному состоянию объекта диагностирования, форми$рует диагностический признак. Диагностический при$знак с одним предельным значением параметра и харак$теризуемый только двумя значениями (+/– или есть/нет)называется простым. Например, есть шум/нет шума илиесть вибрация/нет вибрации. Если в процессе диагности$рования учитывается n предельных значений диагности$ческого параметра и числовое значение признака или но$мер интервала (разряда), в который попало его значение,то такой признак называется сложным или n$разрядным.Например, температура электродвигателя находится водном из интервалов (10...50, 50...100, 100...200�С) илиуровень шума составляет 102 дБ. Диагностическая цен)ность диагностического признака определяется его инфор)мативностью и контролепригодностью.

В зависимости от типа используемой модели объектаи методов диагностирования существуют два основныхподхода к задаче распознавания: вероятностный (ста)тистический) и детерминистический. Их разделениевесьма условно и зависит от степени осознания и исполь$зования причинно$следственных связей между явления$ми и вызывающими их процессами. При вероятностном


подходе происходящие в объектах процессы поврежденийрассматриваются как случайные, связь определенного ихсостояния с некоторой комбинацией диагностических при$знаков — случайной. Подход основан на поиске статисти$ческих связей между диагностическими параметрами ипараметрами состояния объекта контроля без выясненияфизических закономерностей. Его применение обуславли$вается невозможностью использования адекватных физи$ческих моделей. Диагностическая информация поступаетв виде случайных функций (вибрационная, акустическаядиагностика), а изменение статистических характеристикслучайного процесса связывается с появлением неисправ$ностей или других отклонений от нормального состояниямашины.

В алгоритмах распознавания систему удобно характе$ризовать параметрами KJ, образующими n$мерный век$тор, или точку n$мерного пространства. Оценку состоя$ния технического объекта производят как априорно (доопыта, от лат. a priori — из предшествующего), основы$вая ее на статистике отказов, так и по результатам оценкидиагностических параметров. Значения этих параметровподставляются в регрессионные уравнения их связи с па$раметрами состояния, получаемые в результате предва$рительных экспериментальных исследований подобныхобъектов. Априорная информация может сопоставлятьсяс информацией диагностической, которая рассматривает$ся при этом как дополнительная, позволяющая уточнитьсостояние объекта.

При детерминистическом подходе в процессах деструк$ции выявляются закономерности, описываемые функ$ционально. Из регистрируемого потока на фоне помехвыделяют полезные сигналы, несущие диагностическуюинформацию о конкретном дефекте. Параметры детер$минированных функций сопоставляются с параметрамисостояния и диагностическими параметрами, что являет$ся основой выбора наиболее информативных из них. В лю$бом случае для обоснования приемлемости полученныхрешений целесообразно привлекать методы теории стати$стических решений, теорию вероятности и математиче$


скую статистику. Знание или использование для распо$знавания объекта каких$либо закономерностей (статисти$ческого закона распределения, действия физического за$кона) существенно снижает необходимый для диагнозаобъем дополнительной информации, однако выявлениеили установление этих закономерностей требует проведе$ния фундаментальных исследований.

Диагностирование технического состояния любогообъекта осуществляется теми или иными средствами ди)агностирования. Средства и объект диагностирования,взаимодействующие между собой, образуют систему ди)агностирования. Средства могут быть аппаратурными илипрограммными; в качестве средств диагностирования мо$жет выступать человек. Средства диагностирования вос$принимают и анализируют ответы объекта на входные(тестовые или рабочие) воздействия и выдают результатдиагностирования, т. е. ставят диагноз: объект исправенили неисправен, работоспособен или неработоспособен,функционирует правильно или неправильно, имеет дефектили поврежденную часть и т. п. Специфика целей, задачи объектов диагностирования на различных этапах жиз$ненного цикла изделий обусловливает специфику алгорит$мов и средств диагностирования, а также критериев вы$бора режимов, обеспечивающих требуемые показателидиагностирования.

Средства диагностирования узлов машин и механиз$мов подразделяются на группы, характеризуемые специ$фикой назначения и предъявляемых требований. К первойгруппе относятся средства, предназначенные для научныхисследований. Основные требования — универсальность,полнота диагностирования, возможность оценки ряда ди$агностических параметров, реализации различных алго$ритмов получения и обработки данных. Такие средства вы$полняются в виде диагностических комплексов и систем,базирующихся на ЭВМ и обеспечивающих сбор, хранениеи обработку информации. Ко второй группе относятсясредства, предназначенные для решения различных за$дач диагностирования, контроля и прогнозирования со$стояния объектов при их изготовлении, техническом


обслуживании и ремонте. Основные требования — воз$можность эксплуатации в производственных условиях,простота, надежность и портативность.

В основе работы любой диагностической системы ле$жит процесс измерения. Этот процесс характеризуется, содной стороны, восприятием измеряемой физической ве$личины, а с другой — присвоением ей определенного чи$слового значения. Измерение — процедура определениячисленного значения некоторой величины посредствомсравнения с эталоном в определенных единицах измере$ния. Данная процедура дает количественно определенныесведения.

Контроль — процесс сбора и обработки информации сцелью определения событий. Если событием являетсяфакт достижения некоторым параметром объекта опре$деленного заданного значения, то говорят о контроле па)раметров. Если фиксируемое событие — установлениефакта пребывания объекта в исправном или неисправном,работоспособном или неработоспособном состоянии или со$стоянии правильного или неправильного функционирова$ния, то говорят о контроле технического состояния объ)екта. В это понятие можно также включать задачи поис$ка дефектов, если событие определить как факт указанияместоположения в объекте дефекта.

Прогнозирование — предсказание технического со$стояния, в котором окажется объект в некоторый будущиймомент времени. К задачам технического прогнозированияотносятся, например, задачи, связанные с определениемсрока службы объекта или с назначением периодичностиего профилактических проверок и ремонтов. Эти задачирешаются путем определения возможных или вероятныхэволюций состояния объекта. Решение задач прогнозиро$вания весьма важно для организации технического обслу$живания объектов по состоянию.

Дефектоскопия — это совокупность знаний и взглядово методах и средствах неразрушающего контроля, предна$значенных для обнаружения в деталях дефектов. Сущест$вует множество методов дефектоскопии, предназначенныхдля различных изделий и условий применения.


Диагностические системы состоят из отдельных рас$четно$измерительных устройств и приборов. Работа любо$го прибора основана на его способности улавливать какие$либо изменения параметров состояния объектов контроля.Эффекты, используемые для первичного преобразованияизмеряемой физической величины, основаны на упругих,пьезоэлектрических, электродинамических, термоэлек$трических, фотоэлектрических, электромагнитных, опти$ческих и других закономерностях.

Приборами называются устройства, осуществляющиефункции измерения, контроля, счета, учета, вычисления,регистрации, блокировки, защиты, настройки, регулиро$вания, управления и т. п. с целью получения информации,облегчения труда человека и повышения его производи$тельности.

Измеряемая (первичная) величина в общем случае из$меняется во времени. Это изменение воспринимают чув$ствительные элементы средств измерений и преобразу$ют их во вторичную (механическую, электрическую илиоптическую) величину на основе физического закона, од$нозначно определяющего связь между первичной и вто$ричной величинами. Вторичная величина обычно непри$годна для непосредственной выдачи в виде источника из$мерительной информации, поэтому она усиливается илипреобразуется в другую величину, пригодную к выдачеили дальнейшей обработке. Методы измерения, а такжеметоды выполнения приборами других функций, входя$щих в функции диагностической системы, можно клас$сифицировать с различных точек зрения. Ниже во внима$ние приняты наиболее важные отличительные признаки.

По назначению приборы разделяются на:� измерительные приборы, служащие для прямого или

косвенного сравнения измеряемой величины с едини$цей измерения (манометры, термометры, гальваномет$ры, тахометры);

� контрольные приборы, при помощи которых определя$ется, находится ли значение контролируемой величи$ны в заданных пределах или нет (приборы контроля веса,размеров, величины электрического сопротивления);


� регулирующие приборы, служащие для автоматиче$ского поддержания значений регулируемой величиныв заданных пределах (регуляторы скорости, давления,температуры);

� управляющие приборы, служащие для изменения ве$личины какого$либо параметра по заранее заданнойпрограмме;

� счетные приборы и вычислительные устройства, осу$ществляющие автоматические операции (счетчики,интеграторы, суммирующие устройства);

� специальные приборы, применяющиеся при научныхисследованиях в экспериментальных установках и вустановках специального назначения.По методам измерения приборы разделяются на при$

боры прямого, косвенного, аналогового и цифрового из$мерения.

По принципу измерения, т. е. совокупности физическихявлений, на использовании которых основано измерение,приборы разделяются на механические, оптические, элек$трические, пневматические, комбинированные и др.

По точности передачи информации приборы класси$фицируются на:� приборы технической точности с ошибкой в положе$

нии ведомого звена до 0,2 мм при поступательном егоперемещении или до 30� при угловом перемещении;

� приборы высокой точности с ошибкой в положенииведомого звена до 0,05 мм при поступательном его пе$ремещении или до 20� при угловом перемещении;

� приборы сверхвысокой точности с ошибкой в положе$нии ведомого звена до 0,001 мм при поступательномего перемещении или до 1� при угловом перемещении.По характеру применения приборы разделяются на

лабораторные, цеховые, военные, космические, шахтные,предназначенные для работы в условиях повышенной ра$диации.

Получение данных о каком$либо процессе составляеттрадиционную задачу измерения физических величин,которая в ходе научно$технического прогресса расшири$лась до задачи автоматического управления, устраняюще$


го непосредственное участие человека из производствен$ного процесса и оставляющего ему ключевые рычагиуправления, требующие творческого подхода и приня$тия решения. Сегодня приборы используются во всех об$ластях человеческой деятельности. В обрабатывающейпромышленности, например, около 15% живого труда за$трачивается на измерения, в электронной промышленно$сти эта доля превышает 60%.

Структура приборов включает следующие основныепоследовательно соединенные функциональные элементы(рис. 7):� чувствительные элементы, преобразующие измене$

ние какого$либо параметра состояния или процесса(первичной величины) в выходной сигнал (вторичнуювеличину), способный быть переданным с наименьши$ми искажениями;

� передаточные элементы, которые усиливают или пре$образуют выходной сигнал чувствительного элементак виду, пригодному для выдачи или к дальнейшей об$работке. При механической форме сигнала даннуюфункцию выполняют передаточные механизмы, осу$ществляющие кинематическую связь между подвиж$ными звеньями чувствительного элемента и средства$ми отображения информации;

� средства отображения информации, сообщающие че$ловеку данные об измеряемой величине.Если прибор включается в автоматическую систему, то

к перечисленным структурным элементам добавляютсяусилитель, предназначенный для усиления полученногоот чувствительного элемента сигнала с целью воздействияна регулируемый объект, и исполнительное устройство,

Рис. 7Функциональная схема прибора


предназначенное для изменения взаимного расположениядеталей и регулирования параметрами контролируемогообъекта.

Работа приборов осуществляется с использованиемразличных механических, оптических и электрическихэффектов, поэтому теоретической базой приборостроенияявляются механика, оптика, электроника и электротех$ника.

Для эффективного функционирования системы диаг$ностики необходимо, чтобы, с одной стороны, выбранныедиагностические параметры были достаточно представи)тельны, а с другой — объекты диагностики обладали свой$ством контролепригодности, т. е. были приспособлены краннему обнаружению (предупреждению) признаков от$казов и неисправностей. Количественную оценку целе$сообразности использования выбранного параметра в ка$честве диагностического осуществляют с учетом количе$ственных показателей контролепригодности объектовдиагностирования (ГОСТ 26656$85). Информативностьвыбранного диагностического параметра K оценивают повиду функции K = f(Q), где Q — параметр состояния объ$екта диагностирования (структурный параметр), и, в ча$стности, по величине производной dK/dQ. Оценивают так$же степень нелинейности f(Q). Предпочтительной явля$ется прямолинейная зависимость, наличие экстремумову функции f(Y) нежелательно.

Для выполнения своих функций система техническо$го диагностирования должна иметь информационное, тех)ническое и математическое обеспечения, на основе кото$рых коллектив специалистов должен принимать реше$ние о состоянии объекта, возможности его дальнейшейэксплуатации, необходимости замены или ремонта.

Информационное обеспечение — способы получениядиагностической информации, ее хранение и системати$зация. Содержит необходимый массив восполняемыхтехнических сведений (обучающие последовательности,обучающие эксперименты и др.). При этом очень важноезначение имеет описание объекта в системе признаков,обладающих большой диагностической ценностью. Ис$


пользование неинформативных признаков снижает эф$фективность самого процесса диагностики, создавая по$мехи при распознавании.

Техническое обеспечение — совокупность устройств по$лучения и обработки информации (приборы, датчики, ЭВМ).

Математическое обеспечение — алгоритмы и програм$мы распознавания.

Коллектив исполнителей, ответственных за принятиерешений. В разработке средств диагностирования и самомдиагностировании участвуют эксперты в предметной об$ласти решаемой проблемы, специалисты по неразрушаю$щему контролю (НК), разработке экспертных систем и ин$струментальных средств. Лица, входящие в коллективэкспертов, должны обладать необходимой квалификаци$ей, получаемой и подтверждаемой в соответствии с опре$деленными международными правилами.

Аттестуемые лица должны получить в соответствии сосвоей квалификацией один из трех уровней (разрядов):

I уровень позволяет проводить НК по инструкции подконтролем персонала II и III уровней. Специалист этогоуровня должен уметь настраивать и регулировать прибо$ры, проводить неразрушающий контроль, записывать ре$зультаты контроля и проводить их оценку на основаниизаданных оценочных критериев, составлять отчет о полу$ченных результатах. Этот специалист не может отвечатьни за выбор метода и средств НК, ни за оценку результа$тов контроля.

II уровень позволяет руководить НК по утвержден$ным инструкциям. Специалист должен правильно выби$рать средства для проведения НК, знать возможноститого или иного метода НК, понимать стандарты по НК иправила контроля (спецификации), относящиеся к прак$тике его работы, налаживать приборы, осуществлять кон$троль и наблюдение за ним, представлять результаты НКи проводить их оценку по стандартам, другим норматив$ным документам и правилам контроля, составлять пись$менные инструкции по НК, выполнять и контролироватьвсю работу специалистов I уровня, документировать ре$зультаты НК.


Специалист III уровня должен уметь управлять любойработой в НК, нести ответственность за персонал и выборсредств для НК, давать правильную оценку и интерпрета$цию результатов НК, знать возможности различных ме$тодов НК и использовать их для контроля продукции, ру$ководить работой персонала с уровнем ниже III, иметь до$статочный практический опыт работы.

Квалификацию специалиста определяют с помощьюпяти признаков: профессионального обучения, практиче$ского опыта работы по методу НК, физической пригодно$сти, прохождения курса обучения, сдачи квалификаци$онных экзаменов.

1.4. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИСИСТЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Разработка систем диагностирования основанана использовании принципов информационной оптими)зации и связана с решением вопросов построения и иссле$дования диагностических моделей объектов контроля ипроцессов, приводящих к их отказу, выбора методов об$работки и анализа информации, отстройки от мешающихфакторов, информативных параметров диагностирования.Разработка средств диагностирования включает следую$щие основные этапы:� изучение объекта, принципа его функционирования

возможных дефектов, их признаков проявления и кри$териев работоспособности. При этом изучаются общаяхарактеристика проблемы, подпроблемы, выделяемыевнутри данной проблемы, входные данные, предполо$жительный вид решения;

� концептуализация, содержательный анализ проблем$ной области, при котором выявляются основные по$нятия и их взаимосвязи, физические принципы и ме$тоды решения задач, производится построение физи$ческой модели системы диагностирования;

� формализация проблемы, выбор или построение мате$матической модели поведения объекта или процессов,приводящих к его отказу, анализ математической мо$


дели с целью получения реализуемого системой алго$ритма диагностирования;

� создание одного или нескольких прототипов системыдиагностирования, выбор или разработка средств диаг$ностирования по оценке диагностического параметра;

� тестирование и внесение при необходимости измене$ний в структуру и конструкцию объекта для обеспече$ния требуемых условий диагностирования;

� опытная эксплуатация, рассмотрение и расчет харак$теристик системы диагностирования в целом с провер$кой точности диагностирования.Задача выбора физического метода контроля тесно свя$

зана с выбором информационных параметров и техниче$ских средств контроля, а эта задача решается комплекснои в общем случае распадается на ряд подзадач.

1. Изучение свойств объекта контроля как источникаинформации.

2. Выбор информативных параметров.3. Установление связей информационных параметров

с состоянием объекта.4. Создание или выявление условий, при которых из$

менения информативных параметров будут наиболее яв$ными.

На выбор того или иного метода контроля влияют сле$дующие факторы:� агрегатное состояние объекта контроля (газовое, жид$

кое, твердое);� физическое состояние объекта (диэлектрик, провод$

ник, магнетик);� вид структуры материала (аморфное, монокристалли$

ческое или поликристаллическое, изотропное или ани$зотропное строение);

� способность взаимодействия с проходящим излучени$ем (слабое или сильное поглощение, слабое или силь$ное рассеяние или отражение);

� условия контроля (в вакууме, в жидкости, при какойтемпературе, при каком давлении);

� размеры и конфигурация объекта контроля, его кон$структивные особенности;


� вид решаемой задачи (дефектоскопия, толщиномет$рия, интроскопия, структуроскопия и т. д.).Кроме этого, выбранный метод контроля необходимо

оценить по следующим критериям:� безопасность для обслуживающего персонала;� чувствительность контроля;� точность и воспроизводимость результатов контроля;� возможность механизации и автоматизации;� обеспечение высокой производительности;� сравнительная простота методики контроля;� наличие и возможность использования серийной ап$

паратуры;� стоимость контроля;� возможность использования обслуживающего персо$

нала невысокой квалификации.

1.5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Для оценки эффективности диагностированияиспользуется шесть частных показателей.

1. Показатели достоверности диагностирования:� вероятность ошибки диагностирования;� вероятность правильного диагностирования.

2. Показатели затрат на диагностирование:� средняя продолжительность диагностирования — ма$

тематическое ожидание продолжительности однократ$ного диагностирования;

� средняя стоимость диагностирования;� средняя трудоемкость диагностирования.

3. Глубина поиска дефекта.Оценка достоверности диагностирования базируется

на методах теории вероятности. Технический объект мо$жет находиться только в одном из m состояний D1, D2,..., Dj, ..., Dm, обладающих свойствами полноты и несо$вместности. Тогда

�

��1

( ) 1.m

jj

P D (1)


Построение диагноза производится при некоторойфиксированной наработке t, поэтому вероятности в по$следней формуле суть фиксированные числа.

Рассмотрим случай, когда для определения состояниятехнического объекта производится наблюдение за диаг$ностическим параметром K и используется простой диаг$ностический признак. Положим, что из прошлых наблю$дений известны вероятности, с которыми встречается этотпризнак при различных состояниях технического объек$та. То есть для каждого состояния Dj известна условнаявероятность P(K|Dj) диагностического наблюдения призна$ка K > KКР.

Используя теорему умножения вероятностей, найдемвероятность совместного появления диагноза Dj и собы$тия K > KКР, которую можно представить в виде двух ва$риантов произведения

P(DjK) = P(Dj)P(K|Dj) = P(K)P(Dj|K), (2)

где P(K) — вероятность появления диагностического при$знака K > KКР; P(Dj|K) — условная вероятность реализа$ции состояния Dj, найденная при условии, что признакK > KКР действительно наблюдается.

Отбросив в вышеприведенном выражении его левуючасть, найдем условную вероятность появления некото$рого состояния Dj, т. е.

�

� �

�1

( ) ( | ) ( ) ( | )( | ) ,

( )( ) ( | )

j j j jj m

j jj

P D P K D P D P K DP D K

P KP D P K D

(3)

где вероятность P(K) появления признака K > KКР найде$на как сумма вероятностей появления этого признака со$вместно с каждым состоянием D1, D2, ..., Dm, т. е.

� �

� �� 1 1

( ) ( ) ( ) ( | ).m m

j j jj j

P K P KD P D P K D (4)

Соотношение (3) есть формула апостериорной вероят)ности диагноза, или формула Байеса. Здесь исходнымиявляются априорные вероятности P(D1), P(D2), ..., P(Dm),а также частоты (вероятности) наблюдения признака


K > KКР в каждом из диагнозов, т. е. P(Dj|K). Таким обра$зом, величина P(Dj) является предварительной оценкойвероятности состояния Dj, сделанной на основании апри)орной информации, а P(Dj|K) есть уточненная (апостери$орная) оценка вероятности состояния Dj, учитывающаядополнительную информацию — факт наличия признакаK > KКР.

В большинстве случаев для диагностирования исполь$зуется не один признак, а комбинация нескольких при$знаков. Например, системы диагностики машин для ли$тья под давлением, станков с ЧПУ, роботов предусматри$вают измерение целого ряда параметров и характеристик.При диагностике машин для литья под давлением фикси$руются скорость и ускорение при подводе пресс$формы,скорость прессования, давление в гидросистеме, усилиянатяжения колонн, скорость и ускорение пресс$штокамеханизма подачи расплавленного металла, подача насо$са и др. В зависимости от степени изменчивости процессаих контроль производится с разной периодичностью (по$стоянно, через несколько недель или месяцев).

Таким образом, в этих случаях диагностическая ин$формация представляет собой комбинацию признаковk1 > kKР1, k2 > kKР2, ..., ki > kKРi, ..., kn > kKРd, каждый изкоторых может принимать два (комплексный диагности$ческий признак, состоящий из ряда простых признаков)или несколько значений (комплексный диагностическийпризнак, состоящий из ряда сложных признаков). Трак$туя любую комбинацию значений этих признаков как ком$плексный диагностический признак K > KКР, т. е.

�

��1

( | ) ( | ),n

j i ji

P K D P k D (5)

можем вычислить вероятность состояния Dj, используяформулу Байеса,

�

� �

��

1

1 1

( | )

( | ) ( ) .

( ) ( | )

n

i ji

j j nm

j i jj i

P k D

P D K P D

P D P k D(6)


При выводе этой формулы предполагалось, что все ди$агностические признаки статистически независимы и об$разуют полную группу событий, т. е.

�

� ��1

( ) 0 и ( ) 1,n

i l ii

P k k P k

поэтому вероятность P(K|Dj) появления комбинации зна$чений признаков K > KКР при условии фактического со$стояния Dj найдена как произведение вероятностей появ$ления каждого признака при тех же условиях, т. е.

� �

� ��

� ��

1 1

( ) ( ) ( | ) .nm

j i jj i

P K P D P k D (7)

Как видно из приведенных выражений, для их прак$тического использования необходимо иметь достаточнобольшой объем статистических данных. В частности, тре$буется знать вероятности P(ki|Dj) появления каждого при$знака ki > kKРi при каждом состоянии объекта Dj.

Для простых признаков ki, имеющих значения (+/–)или (да/нет), вероятности появления этих значений свя$заны очевидным равенством

� �( | ) ( | ) 1.i j i jP k D P k D (8)

Для простых диагностических признаков при опреде$лении вероятностей диагнозов удобно использовать диаг)ностическую матрицу в виде таблицы:

Как отмечалось выше, диагностические признаки долж$ны быть не только контролепригодны, но и информатив)ны. Информативность признака определяется количест$вом информации, которую он вносит в систему диагно$зов, причем учитывается информация, связанная как

��

�


с наблюдением, так и с ненаблюдением диагностическогопризнака в каждом из состояний.

Диагностическая ценность обследования для просто$го признака согласно К. Шеннону:

� ��

� � 2 2

( | ) ( | )( ) ( | )log ( | )log ,

( ) ( )j

i j i jD i i j i j

i i

P k D P k DC k P k D P k D

P k P k (9)

где ( )iP k — вероятность проявления признака k, равнаясумме вероятностей его проявления совместно с каждымдиагнозом. Таким образом, для определения диагности$ческой ценности обследования не требуется определенияаприорных и апостериорных вероятностей диагнозов, адостаточно иметь статистические данные о вероятностяхнаблюдения (ненаблюдения) диагностических признаковв ансамбле состояний.

Информативность используемого диагностического при$знака связана с вероятностью совершения ошибок при ди$агностировании, которые можно разделить на две катего$рии. Ошибкой 1$го рода, или пропуском цели (ПЦ), явля$ется случай, когда принимается решение об отрицаниидиагноза, но действительное состояние объекта диагности$рования соответствует этому диагнозу. Ошибка 2$го рода,или ложное срабатывание (ЛС), — принятие решения о под$тверждении диагноза, в то время как действительное состоя$ние технического объекта не соответствует этому диагнозу.

Отсутствие ошибок 1$го и 2$го рода будет иметь местотогда, когда произведена правильная оценка диагнозов.Возможные исходы в случаях принятия или отклонениягипотез приведены в табл. 1.

Обозначим события О1 — пропуск цели (ошибка 1$города), О2 — ложное срабатывание (ошибка 2$го рода). Р(О1)и Р(О2) — соответственно вероятности ошибок 1$го и 2$го

� � � � � � � � ��

��

��

�


рода. Здесь первый индекс соответствует действительно$му состоянию, второй — принятому. Вероятность пропус$ка цели Р(О1) равна вероятности произведения двух собы$тий: технический объект априорно считается находящим$ся в диагнозе D1 с вероятностью P(D1), и по результатамдиагностического обследования он отнесен к другому ди$агнозу D2 с вероятностью P(D2|K).

Р(О1) = P(D1)P(D2|K). (10)

Подобным же образом находится вероятность ложно$го срабатывания

Р(О2) = P(D2)P(D1|K). (11)

По результатам диагностического обследования оши$бочное решение будет принято, если имеет место пропускцели или ложное срабатывание. Таким образом, вероят)ность ошибочного решения (суммарного риска) по прави$лу сложения вероятностей равна

O = Р(О1) + Р(О2) = P(D1)P(D2|K) + P(D2)P(D1|K). (12)

Эта вероятность часто называется также уровнем зна)чимости ошибки диагностирования.

Доверительная вероятность правильного решенияпри диагностировании определяется по формуле

Р = P(D1)P(D1|K) + P(D2)P(D2|K) (13)

как вероятность правильного диагностирования каждогоиз диагнозов. Рассмотрим несколько примеров оценкидостоверности диагностирования.

Пример 1. На основании ранее выполненных наблю$дений установлено, что после наработки t часов подшип$никовый узел шпинделя может быть в работоспособномсостоянии D1 с вероятностью P(D1) = 0,8 или в состояниипредельного износа D2 с вероятностью P(D2) = 0,2. В ка$честве простого диагностического признака используетсяповышение температуры масла выше допустимого уров$ня при установившемся рабочем режиме. Статистическиеданные для этого признака показывают, что вероятностьего наблюдения при работоспособном состоянии подшип$


никового узла составляет P(K|D1) = 0,15, при неработоспо$собном — P(K|D2) = 0,9. Определить апостериорные веро$ятности диагнозов D1 и D2 при наблюдении диагностиче$ского признака (наличие перегрева масла).

Р е ш е н и е.Диагностическая матрица этой задачи имеет вид

��

�Воспользуемся формулой Байеса для апостериорных

вероятностей диагнозов с учетом диагностической инфор$мации. Подставляя соответствующие значения в общуюформулу, найдем вероятность того, что подшипник нахо$дится в работоспособном состоянии:

� ��

��

1 11

1 1 2 2

( ) ( | )( | )

( ) ( | ) ( ) ( | )

0,8 0,15 0,4.0,8 0,15 0,2 0,9

P D P K DP D K

P D P K D P D P K D

Искомая вероятность определяется как результат про$изведения всех чисел строки с соответствующим искомымдиагнозом на сумму таких произведений по всем строкам.

Вероятность того, что подшипник вышел из строя,равна

� ��

��

2 22

1 1 2 2

( ) ( | )( | )

( ) ( | ) ( ) ( | )

0,2 0,9 0,6.0,8 0,15 0,2 0,9

P D P K DP D K

P D P K D P D P K D

Таким образом, несмотря на то, что при наработке t от$каз узла не характерен (априорная вероятность равна 0,2),дополнительная информация в виде диагностического при$знака позволяет с существенной уверенностью (с вероятно$стью 0,6) установить наличие отказа. Это говорит о суще$ственности влияния диагностирования на результаты ди$агноза, а информативность диагностического признакасущественно влияет на его достоверность.


Ответ. Апостериорная вероятность диагноза D1 рав$на 0,4; апостериорная вероятность диагноза D2 равна 0,6.

Пример 2. В условиях предыдущего примера оценитьвеличины апостериорных вероятностей диагнозов при не$наблюдении диагностического признака K.

Р е ш е н и е.Диагностическая матрица в данном случае примет вид

��

��

�Здесь по сравнению с диагностической матрицей 1$го

примера значения вероятностей наблюдения диагности$ческого признака в диагнозах заменены на противополож$ные. При этом

� ��

��

1 11

1 1 2 2

( ) ( | )( | )

( ) ( | ) ( ) ( | )

0,8 0,85 0,971.0,8 0,85 0,2 0,1

P D P K DP D K

P D P K D P D P K D

Вероятность того, что подшипник вышел из строя приненаблюдении диагностического признака K, равна

� ��

��

2 22

1 1 2 2

( ) ( | )( | )

( ) ( | ) ( ) ( | )

0,2 0,1 0,029.0,8 0,85 0,2 0,1

P D P K DP D K

P D P K D P D P K D

Ответ. Апостериорная вероятность диагноза D1 рав$на 0,971; апостериорная вероятность диагноза D2 рав$на 0,029.

Пример 3. Наблюдения за эксплуатацией редукторовопределенного типа показали, что после наработки t часовони могут находиться в одном из трех состояний:� D1 отказ зубчатой передачи с вероятностью P(D1) = 0,05

(априорная вероятность);� D2 отказ подшипников с вероятностью P(D2) = 0,15;� D3 исправное состояние с вероятностью P(D3) = 0,8.


В качестве диагностических признаков используютсяуровень шума и температура масла. Признаки рассматри$ваются как простые, т. е. оцениваются по двухбалльнойшкале (есть/нет или +/–). Это означает, что признак k1

имеет место, если шум превышает определенный уровень,и нет — в противном случае; признак k2 имеет место, еслитемпература превышает допустимое значение, и нет —в противоположном случае.

Из наблюдений также установлены вероятности появ$ления каждого признака при различных состояниях ре$дуктора.

P(k1|D1) = 0,2; P(k1|D2) = 0,4; P(k1|D3) = 0,1;P(k2|D1) = 0,3; P(k2|D2) = 0,5; P(k2|D3) = 0,05.

Определить апостериорные вероятности диагнозов приусловии, что наблюдаются оба диагностических признака.

Р е ш е н и е.Диагностическая матрица для заданных условий за$

дачи:��

��

�Вероятность нахождения редуктора в состоянии D1:

� �� 1 1 2

0,05 0,2 0,3( | ) 0,081.0,05 0,2 0,3 0,15 0,4 0,5 0,8 0,1 0,05

P D k k

Искомая вероятность здесь также определяется какрезультат произведения всех чисел строки с соответствую$щим искомым диагнозом на сумму таких произведенийпо всем строкам.

Вероятность реализации диагноза D2:

� �� 2 1 2

0,15 0,4 0,5( | ) 0,811.0,05 0,2 0,3 0,15 0,4 0,5 0,8 0,1 0,05

P D k k

Вероятность нахождения редуктора в исправном со$стоянии D3:

� �� 3 1 2

0,8 0,1 0,05( | ) 0,108.0,05 0,2 0,3 0,15 0,4 0,5 0,8 0,1 0,05

P D k k


Таким образом, в случае наблюдения обоих признаковс большой уверенностью можно утверждать, что произо$шел отказ подшипника (диагноз D2), несмотря на то чтоаприорный диагноз этого состояния имел существенноменьшую вероятность (0,15).

Ответ. Апостериорная вероятность диагноза D1 равна0,081; апостериорная вероятность диагноза D2 равна 0,811;апостериорная вероятность диагноза D3 равна 0,108.

Пример 4. В условиях предыдущей задачи определитьапостериорные вероятности диагнозов в случае, если на$блюдается первый диагностический признак k1 (шум) и ненаблюдается второй диагностический признак k2 (отсут$ствует нагрев до температуры выше допустимой).

Р е ш е н и е.Диагностическая матрица в этом случае будет иметь вид

��

��

�Здесь по сравнению с диагностической матрицей 3$го

примера значения вероятностей наблюдения 2$го диагно$стического признака заменены на им противоположные.

Вероятность первого диагноза (состояние D1) вычис$лим как

� �� 1 1 2

0,05 0,2 0,7( | ) 0,092.0,05 0,2 0,7 0,15 0,4 0,5 0,8 0,1 0,95

P D k k

Аналогичным образом найдем вероятности диагно$зов D2 и D3:

� ��

� ��

2 1 2

3 1 2

0,15 0,4 0,5( | ) 0,265;0,05 0,2 0,7 0,15 0,4 0,5 0,8 0,1 0,95

0,8 0,1 0,95( | ) 0,673.0,05 0,2 0,7 0,15 0,4 0,5 0,8 0,1 0,95

P D k k

P D k k

Таким образом, при данном сочетании признаков k1 и k2

вероятность нахождения редуктора в состояниях D1 и D2

возросла в 2 раза, вероятность состояния D1 осталась срав$нительно мала. Аналогичным образом можно определить


вероятности нахождения редуктора в состоянии D1, D2 илиD3 при других сочетаниях признаков, когда отсутствуетпервый признак или оба вместе.

Ответ. Апостериорная вероятность диагноза D1 равна0,092; апостериорная вероятность диагноза D2 равна 0,265;апостериорная вероятность диагноза D3 равна 0,673.

Кроме показателей достоверности диагностированияхарактеристиками его эффективности являются:� универсальность системы технического диагностиро$

вания;� продолжительность и трудоемкость монтажа оборудо$

вания;� быстродействие системы технического диагностирова$

ния;� степень автоматизации системы технического диагно$

стирования характеризуется коэффициентом

��

,i

i i

A

A H

TK

T T

где � iAT — суммарная продолжительность неавтома$тизированного (ручного) выполнения автоматизиро$ванных операций; � iHT — то же, но неавтоматизиро$ванных операций;

� форма предоставления информации (аналоговая, циф$ровая, визуальная, звуковая и т. д.);

� надежность, стоимость, масса, размеры.В значительной мере эффективность диагностирова$

ния определяется его метрологическим обеспечением.

1.6. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Метрологическое обеспечение диагностирова$ния представляет собой установление и применение науч$ных и организационных основ, технических средств, пра$вил и норм, необходимых для достижения единства и тре$буемой достоверности контроля (измерений), а такжеправильного применения алгоритмов при определении па$раметров качества контролируемой продукции. Цельюметрологического обеспечения является выполнение:


� достоверного и объективного контроля качества;� требуемого уровня безопасности и безаварийности ра$

боты;� снижение металло$ и энергоемкости;� прогнозирование надежности и долговечности изде$

лий, машин, механизмов и сооружений.Основные задачи метрологического обеспечения:

� разработка научно$методических, технико$экономиче$ских, правовых и организационных основ метрологи$ческого обеспечения;

� установление и обоснование метрологических харак$теристик средств неразрушающего контроля;

� стандартизация терминов и определений метрологи$ческих характеристик;

� создание и совершенствование эталонов, образцовыхисходных.Метрологическими характеристиками системы техни$

ческого диагностирования являются:1. Функция преобразования входной величины в вы

ходную. Идеальная — прямолинейная зависимость меж$ду сигналами на входе и выходе. В нелинейных преобра$зователях всегда можно выделить небольшой участок,близкий к прямолинейному, и нормировать в этих усло$виях коэффициент пропорциональности. Для приборов всоответствии с ГОСТ 12223$70 нормируют чувствитель$ность, равную отношению соответствующих измененийпараметров на выходе и на входе.

2. Диапазоны показаний и измерений характеризуют$ся величиной отношения максимальных и минимальныхзначений измеряемой величины, несущей информацию осостоянии объекта диагностирования. Препятствием дляизмерения малых значений этих величин являются поме$хи и шумы, нестабильность нулевых уровней сигналовпервичных и промежуточных преобразователей. Верхнийпредел диапазона показаний в приборах обычно опреде$ляют нелинейностью преобразователей и устанавливаютограничителем шкал в стрелочных приборах.

Отношение максимальной Хmax и минимальной Хmin

измеряемой величины характеризует диапазон показаний,


а часть этого диапазона, в которой установлены нормы напогрешности, называется диапазоном измерений. Шири$на диапазона зависит от заданной погрешности, выражаютее в относительных и в логарифмических единицах.

Dп = Хmax/Хmin или Dп = 20lg(Хmax/Хmin) [дБ].

3. Порог чувствительности — значение измеряемойвеличины, равное абсолютному значению погрешности из$мерения. Изменение показаний можно установить толькопосле того, как минимальная измеряемая величина станетбольше флуктуаций (случайных отклонений) выходногосигнала.

4. Точность средств измерения. Точность — это сте$пень приближения истинного значения рассматриваемо$го параметра процесса, вещества, предмета или измеряе$мой величины к их идеальным значениям.

Для оценки точности измерения или диагностированияв настоящее время существует два подхода. Первый — тра$диционный, опирающийся на курсы теории вероятно$стей и математической статистики, использует понятиепогрешности (ошибки). При этом оцениваются среднее зна$чение, среднеквадратичное отклонение, дисперсия, коэф$фициент вариации (отношение дисперсии к среднему), до$верительные интервалы, надежность оценки и т. д. Этотподход требует информации о виде закона распределениярезультатов измерений, что не всегда возможно. Крометого, здесь не всегда обоснованно складываются ошибкиразличной природы, погрешность как отклонение от ис$тинного, никогда не известного значения измеряемой ве$личины фактически никогда не может быть определена.

Первым фактором, определяющим погрешность из$мерения, является обратное воздействие измерительно$го устройства на контролируемый процесс. Обратное воз$действие, например, пружины вновь устанавливаемогоиндикатора на деформируемую при изменении темпера$туры биметаллическую пластину может существенно по$влиять на величину деформации последней и изменитьустановленную ранее ее связь с измеряемой температу$рой. Погрешность работы механических элементов при$


боров связана с отклонениями от номинальных размеров,формы и состояния поверхности их деталей, приводящи$ми к изменению характера взаимодействия сопрягаемыхдеталей, погрешностям позиционирования звеньев меха$низма.

Погрешности приборов разделяются на погрешности,связанные с процессом измерения и с обработкой воспри$нятой величины. Погрешности измерения, вызванныебольшим числом незначительных факторов, называютсяслучайными, так как они возникают в результате случай$ной комбинации множества отдельных воздействий. Еслиизмерение многократно повторять при известных и неиз$менных условиях, то измеряемые значения будут колебать$ся около не зависящего от случайных погрешностей сред$него значения результата бесконечно многих измерений.Погрешности, которые нельзя исключить повторением из$мерений, называются систематическими. Их можноусловно разделить на три группы.

1. Погрешности известной природы, значение кото$рых может быть найдено достаточно точно. Такие погреш$ности устраняются введением соответствующих поправок.

2. Приборная погрешность указывается в паспортеприбора.

3. Методическая погрешность. В основе каждого экс$периментального метода лежит теоретическое обоснова$ние интерпретации результатов наблюдений. Создаваясредство диагностирования, определяющего состояниеобъекта процесса, разработчик стремится обеспечить воз$можность экспериментального определения параметровмодели. Поскольку любая модель проще реального про$цесса и в определенной степени от него отличается, этоприводит к методической погрешности. Данная группапогрешностей проявляется в косвенных измерениях.

Характеристиками погрешностей приборов являются:� порог реагирования — значение входной величины,

при котором начинает изменяться выходная;� вариация показаний — разность показаний, получае$

мая при одном и том же значении измеряемой величи$ны при ее уменьшении и увеличении;


� разрешающая способность — минимальное измене$ние входной величины, необходимое для изменениявыходной;

� стабильность нуля и др.Часто повторяющимися причинами погрешностей при$

боров являются внешние аддитивные помехи, влияниекоторых на результаты измерений не зависит от значенияизмеряемой величины. Примерами аддитивных помехмогут служить ошибки в размерах звеньев механизма,погрешности сборки его узлов, люфты в кинематическихпарах, трение в опорах. Погрешности измерений, связан$ные со значением измеряемой величины или скоростьюее изменения в процессе измерения, вызываются помеха$ми мультипликативными. Примером мультипликатив$ных помех являются температурные и силовые деформа$ции звеньев механизмов во время его работы.

Погрешность показания измерительного прибора вы$звана погрешностями работы всех его блоков: чувствитель$ного элемента, передаточного механизма и средства ото$бражения информации. Критериями точности работыкаждого из этих блоков являются величины отклоненийконкретных параметров работы блока от идеальных. Ве)личина допускаемых отклонений (допусков) обычно рег$ламентируется нормалями и стандартами.

Изготовление прибора с заданной точностью сопряже$но с большими трудностями и не всегда возможно. Болеереально решение обратной задачи: на основе выбраннойсхемы, разработанных чертежей, назначенных допусковна изготовление и сборку деталей и узлов механизма уста$навливается его реальная точность, которая может бытьдоведена до максимальной с помощью регулирования при$бора или его самоустановки. Расчет механизмов и прибо$ров на точность позволяет обоснованно назначать допус$ки на размеры деталей, судить о целесообразности введе$ния в конструкцию механизма регулируемых звеньев икомпенсаторов, методах обеспечения взаимозаменяемостидеталей при их серийном или массовом производстве и т. д.

С появлением средств измерений нового поколения, вчастности интеллектуальных, а также виртуальных ком$


пьютерных систем чаще для оценки точности измеренийиспользуется второй подход, основанный на понятиях«информативность», «неопределенность» и «оцененноезначение измеряемой величины». Согласно этому подхо$ду, степень достоверности сведений об объекте контроляопределяется количеством получаемой информации и ха$рактеризуется информативностью оцениваемого диагно$стического параметра.

По ГОСТ 23563$79 информативность выбранного ди$агностического параметра Y оценивают по виду функции

Y = f(F),

где F — параметр состояния объекта диагностирования(структурный параметр).

Характеристикой информативности является произ$водная dY/dF. Оценивают также степень нелинейностиf(F). Предпочтительной является прямолинейная зависи$мость, наличие экстремумов у функции f(F) нежелатель$но. Для оценки информативности диагностического пара$метра Y удобно также использовать отношение I производ$ной dY/dF к абсолютной погрешности �Y его определения,которое обратно пропорционально абсолютной погрешно$сти измерения �F

I = dY/(dF�Y) = 1/�F.

Зная диапазон �F изменения параметра состояния F,определяем число m квантований диагностической шка$лы, по которой определяется значение Y,

m = 2I�F + 1m = 2�F/�F + 1,

которое позволит определить количество получаемой приизмерении информации по формулам Хартли или Шен$нона и оценить информативность выбранного диагности$ческого параметра Y.

В качестве количественной характеристики неопреде$ленности могут быть выбраны дисперсия (на основе ин$формации о распределении вероятностей значений изме$ряемой величины), разброс значений, поделенный на 3или др., энтропия


� �� 2( )log ( ),I IH P X P X

где P(XI) — плотность вероятности распределения значе$ния измеряемой величины.

В частности, для равновероятностного распределенияв данном диапазоне измеряемой величины, измереннойN раз,

� � � ��( ) 1/ , 1/ log (1/ ) 1.I NP X N H N N

При абсолютно достоверном измерении Н = 0. Наи$более информативным является параметр с наименьшейнеопределенностью или наибольшим отношением коэф$фициента корреляции диагностического параметра с па$раметром состояния и энтропией (коэффициент предста$вительности диагностического параметра, см. табл. 9).

5. Диагностические характеристики средств изме)рений. К таковым относятся:� амплитудно$частотные характеристики (АЧХ) — зави$

симость чувствительности S (или коэффициента пре$образования) системы от частоты f входного сигнала.Чувствительностью называется величина отношенияизменения выходной величины к изменению входнойвеличины. Рекомендуемая полоса пропускания (час$тотный диапазон) — в области максимальной посто$янной чувствительности с некоторым допуском на не$линейность 2�;

� фазово$частотная характеристика (ФЧХ) — зависи$мость времени запаздывания выходного сигнала отчастоты моногармонического сигнала;

� переходная характеристика показывает реакцию пре$образователя или прибора на воздействие скачкообраз$но измененного входного сигнала6. Входные и выходные параметры преобразователей

и приборов.

2. МЕХАНИЧЕСКИЕПРИБОРЫ И СРЕДСТВАИЗМЕРЕНИЙ

Механика — часть физики, наука о перемеще$ниях тел в пространстве и взаимодействии между ними.Соответственно, механические средства получения инфор$мации — это устройства, информационные системы, тео$рии и методы, позволяющие дать качественную и количе$ственную информацию о перемещениях тел и их частей впространстве, вызывающих эти перемещения силах и вре$мени прохождения.

Механические устройства для передачи и переработ$ки информации в приборах представляют собой те илииные механизмы: трансформирующие, изменяющие виддвижения (поступательного или вращательного), переда$точные с постоянным или переменным передаточным от$ношением, исполнительные, используемые для движенияточки по заданной траектории. Механические узлы ис$пользуются главным образом на «периферии» прибора вузлах, непосредственно обслуживаемых человеком: присборе данных измерений, выдаче данных об измеренныхпараметрах. То же самое относится к оптическим функ$циональным узлам. Оптические средства применяютсядля изменения соответствующим образом хода световыхлучей в системе.

Обработка полученной при измерениях информацииведется в приборе преимущественно с помощью электрон$ных средств. Доля механических средств в изделиях при$боростроения в настоящее время в 1,5 раза превышаетдолю электронных. Предполагается, что в ближайшие


годы это соотношение не изменится. Поэтому основнымнаправлением развития в области конструирования при$боров является поиск новых механических конструкцийс использованием достижений микроэлектроники.

Развитие приборостроения идет по пути углубленияизучения микро$ и макроструктур материалов, техниче$ских и биологических систем. В настоящее время к вновьразрабатываемым приборам и экспериментальным установ$кам предъявляются требования по повышению быстродей$ствия приборов, их точности и надежности, экономии цвет$ных металлов, облегчению конструкции, экономии потреб$ляемой энергии, по повышению доли унифицированных,типизированных и стандартных деталей в приборах, повы$шению требований технической эстетики.

2.1. МЕХАНИЧЕСКИЕЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Измеряемая (первичная) механическая величи$на в общем случае изменяется во времени. Это изменениевоспринимают первичные измерительные преобразовате$ли (чувствительные элементы) средств измерений и преоб$разуют их во вторичную механическую величину на основефизического закона, однозначно определяющего связьмежду первичной и вторичной величинами. В качествепервичного преобразователя при измерении механическихвеличин используются:� при измерении перемещения — преобразователи дви$

жения (преобразуют скорость движения);� при измерении сил — механические упругие элемен$

ты и противовесы (преобразуют силу в перемещение);� при измерении времени — механические маятники

(преобразуют время в число колебаний);� при измерении температуры — биметаллические пла$

стины.Например, у часов со стрелочным циферблатом вход$

ным сигналом (первичной, измеряемой величиной) явля$ется время t (рис. 8), вторичным — количество n колеба$ний маятника, информативными параметрами — положе$ние часовой и минутной стрелок на циферблате.

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ 51

Принцип действия механических чувствительных эле$ментов основан на связи величины механического воздей$ствия на элемент и положения в пространстве какой$либоточки элемента. Изменение величины воздействия при$водит к перемещению частей элемента друг относительнодруга. При силовом воздействии такое перемещение свя$зано с деформированием элемента, а для однозначностисвязи воздействий и деформаций чувствительные элемен$ты должны быть упругими, т. е. обладать способностьюполностью устранять деформации после прекращения дей$ствия нагрузки.

Наиболее распространенными упругими чувствитель$ными элементами являются следующие:� цилиндрические винтовые пружины сжатия и растя$

жения;� прямые пружины, работающие на кручение;� прямые пружины, работающие на изгиб;� спиральные и винтовые пружины, работающие на за$

кручивание;� биметаллические пружины, изгибающиеся при изме$

нении температуры;� гофрированные трубки или сильфоны;� мембраны;� анероидные коробки;� трубчатые пружины;� резиновые упоры и амортизаторы;� динамометрические кольца и балки.

Габариты упругих элементов не должны быть больши$ми. Деформация большинства структурных элементов пря$мо пропорциональна усилиям и моментам, создаваемым

Рис. 8Принцип измерения времени


ими, и не зависит от положения их в пространстве. Пред$варительное деформирование элемента позволяет запасатьв нем механическую энергию.

Характеристикой упругого элемента называется за$висимость между деформацией и величиной силового воз$действия на элемент (например, между прогибом f и си$лой Р, углом закручивания и моментом М). Характери$стика может быть линейной и нелинейной.

Жесткостью упругого элемента называется пределотношения приращения величины силового воздействияк приращению величины деформации. Величина, обрат$ная жесткости, называется чувствительностью упруго)го элемента.

Необходимая для работы упругих элементов устойчи$вость их характеристик достигается выбором соответст$вующих материалов с удовлетворительными упругимисвойствами, технологией их изготовления, ограничениемзначения предельно допустимой для данного элемента на$грузки. Упругие элементы выходят из строя вследствиепластического деформирования. Для его предотвращенияупругие элементы подвергают стабилизации — техноло$гической операции, заключающейся в длительном илимногократном нагружении элемента, иногда при повы$шенной температуре.

При работе упругого элемента всегда имеет место яв)ление упругого последствия, или упругий гистерезис, за$ключающееся в продолжении деформирования после пре$кращения изменения нагрузки и несовпадении характе$ристик упругого элемента, снимаемых при увеличенииили при уменьшении нагрузки на элемент.

Максимальная величина несовпадения деформаций нарассматриваемом участке деформирования называетсясуммарной абсолютной погрешностью элемента, а отно$шение этого несовпадения к величине наибольшей дефор$мации, выраженное в процентах, называется относитель)ной погрешностью (гистерезисом) чувствительного эле$мента.

На характеристику упругого элемента влияет и изме$нение температуры �t, изменяющее значение модуля упру$


гости материала. Степень влияния оценивают относитель$ной приведенной температурной погрешностью

�t = �Е�tP/Pmax100%,

где �Е — температурный коэффициент модуля упругости;Р, Pmax — действующее и максимально воспринимаемоеэлементом значение силы.

При выборе материала пружины необходимо учиты$вать устойчивость во времени упругих свойств материалаготовой пружины (после термообработки), прочность исопротивление ударным нагрузкам, а также электропро$водность, коэффициент расширения, стойкость противкоррозии и другие свойства, которые определяются назна$чением и условиями работы пружины. Размеры сечений,марки и свойства материалов для изготовления пружинрегламентируются ГОСТами и ОСТами и приводятся всправочной литературе.

Для изготовления винтовых пружин, которые нави$ваются в холодном состоянии и не подвергаются закалке,применяется пружинная стальная холоднотянутая угле$родистая проволока диаметром 0,14...8 мм. Для пружин,работающих при повышенных температурах под действи$ем ударной и циклической нагрузки, применяется сталь$ная хромованадиевая проволока диаметром 0,5...14 мм.Пружины после навивки подвергаются термообработке.В тех случаях, когда пружина должна работать в магнит$ном поле, обладать хорошей электропроводностью илииметь высокую стойкость про$тив коррозии, рекомендуетсяприменять бронзы БрКМц3$1,БрОФ6,5$0,15 и БрОЦ4$3, адля ответственных пружин —бериллиевую бронзу БрБ2.

У винтовых пружин, рабо)тающих на сжатие (рис. 9), всвободном состоянии междувитками должны быть зазо$ры, обеспечивающие требу$емую деформацию пружин.

Рис. 9Винтовая пружина сжатия


При отношении H/D � 3 во избежание выпучивания пру$жина сжатия должна работать в направляющих. Конце$вые витки пружин сжатия подгибаются и шлифуются.У винтовых пружин, работающих на растяжение, в сво$бодном состоянии витки обычно прижаты друг к другу.Жесткость винтовых пружин уменьшается с увеличени$ем отношения D/d = С, которое называется индексом пру)жины.

Цилиндрические винтовые пружины рассчитываютсяиз условия прочности витка пружины на кручение. Диа$метр проволоки находится по формуле

�� 38 /( [ ]),d P Ck

где Р3 — предельно допустимая нагрузка; С — индекс пру$жины; k� — коэффициент, учитывающий увеличение на$пряжений на внутренней стороне витка при уменьше$нии С; �� — допускаемые касательные напряжения.

По расcчитанному значению d подбирают ближайшеестандартное значение диаметра. Деформация (ход) всейпружины, по которой судят о величине действующей напружину силе:

f = 8С3Рn/(Gd),

где n — число витков пружины; Р — осевая нагрузка напружину; G — модуль упругости второго рода (модульсдвига).

Жесткость пружины

K = Р/f = Gd4/(8D3n).

Прямые измерительные пружины (подвесы, растяж)ки), работающие на кручение, применяются в точных из$мерительных приборах для создания противодействую$щих моментов и выполнения функций опор подвижныхсистем приборов.

Подвесы (рис. 10а) представляют собой свободно ви$сящую (строго вертикально) упругую нить (прямую пру$жину), на нижнем конце которой укреплена подвижнаясистема прибора.


Растяжки (рис. 10б) представляют собой металличе$ские упругие нити (прямые пружины), которые растягива$ются и прикрепляются к корпусу приборов посредствомпружин$рессор. На растяжках подвешивается подвижнаясистема прибора. Крепление на рессорах предохраняет под$весы и растяжки от обрывов при ударах, толчках и вибра$ции и позволяет путем изменения растягивающей силырегулировать величину противодействующего момента.В случаях, когда при нагружении пружина должна иметьнебольшой прогиб, используются прямые и изогнутые пру)жины, работающие на изгиб. Обычно они имеют прямо$угольное сечение, реже — круглое. Применяются в элек$трических контактных устройствах (реле), в качестве рес$сор для растяжек и подвесов точных приборов, а также вслучаях, когда требуется получить большой прогиб и поло$гую характеристику чувствительного элемента.

Цилиндрические винтовые пружины кручения (рис. 11)применяются для создания крутящего момента М при за$кручивании свободного конца пружины на угол . Мате$риал таких пружин в основном испытывает напряженияизгиба, поэтому диаметр проволоки определяется из усло$вия прочности на изгиб

� �3 /(0,1[ ]),d Pa

Рис. 10Подвесы (а) и растяжки (б)

Рис. 11Цилиндрическая винтовая

пружина кручения


где [�� — допускаемые изгибные напряжения. Принима$ется ближайшее по сортаменту значение d (по ГОСТу) иопределяется диаметр пружины D = (6...12)d.

Спиральные пружины применяются в часовых меха$низмах, самопишущих, измерительных и других приборахв качестве пружинных двигателей (заводные пружины),для создания противодействующего момента, подвода токак подвижным рамкам электроизмерительных приборов(моментные пружины).

Для изготовления спиральной пружины тонкая ме$таллическая лента плотно (виток к витку) навиваетсяна цилиндрическую оправку и в таком состоянии вы$держивается от 2 до 10 дней. В результате такой опера$ции, называемой заневоливанием пружины, в ней воз$никают остаточные деформации изгиба и она приобрета$ет спиралеобразную форму. Внутренний конец пружиныприкрепляется к валику, а наружный — к корпусу меха$низма. При вращении валика пружина закручивается,радиус кривизны витков уменьшается и в ее материалевозникают напряжения изгиба, создающие пропорцио$нальный углу закручивания противодействующий мо$мент.

Задачей расчета пружины является определение основ$ных ее размеров (толщины, ширины и длины ленты илидиаметра проволоки) по заданным противодействующе$му моменту и рабочему числу оборотов барабана или углузакручивания пружины.

Биметаллические пружины деформируются при изме$нении температуры. Они изготавливаются из двух спаян$ных, сваренных или совместно прокатанных тонких метал$лических пластин с толщинами h1 и h2, материалы кото$рых должны иметь близкие значения модулей упругости Е1

и Е2 и допускаемых напряжений на изгиб, наибольшуюразность между значениями коэффициентов линейногорасширения �1 и �2, хорошую свариваемость. В качествеслоя с малым температурным расширением чаще всего при$меняется инвар ЭН$36 (ферромагнитный сплав железа с36% никеля, �2 = 1,5�10–6 1/�C), а с большим — латунь илинемагнитная сталь (�1 = 13...17,5�10–6 1/�C).


На рис. 12 показаны примеры конструкций биметал$лических пружин. При нагревании пружина изгибается всторону пластины с меньшим коэффициентом линейногорасширения.

Для получения наибольшей чувствительности биме$таллической пружины к изменению температуры необхо$димо соблюдать условие

1 2

2 1.

h Eh E

При изменении температуры от t1 до t2 наибольшийпрогиб f свободного конца прямой пружины, закреплен$ной одним концом как консоль (рис. 12а), определяетсяпо формуле

f = 0,75(�1 – �2)l2(t1 – t2)/(h1 + h2).

Сила Р, которая создается биметаллической пружи$ной, нажимающей на упор А (рис. 12а), находится по фор$муле

Р = (Е1 + Е2)bh3(f – fуп)/(8l3),

Рис. 12Принципы действия

биметаллическихпластин:

а — силовая схема; б — компенсация прогиба; в — компенсация усилия; г — ки$нематическая схема термометра: 1 — биметаллическая пластина; 2 — передаточ$ный механизм; 3 — стрелка.


где h = h1 + h2; f — прогиб свободной пружины; fуп — про$гиб пружины при наличии упора; l — длина пружины.

В случаях когда биметаллические пружины нагрева$ются током, проходящим непосредственно через них иличерез обмотку, для устранения ошибок, возникающих отколебаний температуры среды, в конструкцию устрой$ства термочувствительного элемента вводится вторая би$металлическая пружина, которая компенсирует прогибосновной пружины (см. рис. 12б) или компенсирует уси$лие (см. рис. 12в).

Биметаллические пружины надежны в работе, имеютпростую конструкцию и малую стоимость. Они применя$ются в приборах в качестве измерительных, движущих ирегулирующих элементов терморегуляторов, термокомпен$саторов, температурных реле, автоматических предохра$нителей, термографов, термометров, электроизмеритель$ных приборов (вольтметров и амперметров). На рис. 12гприведена схема термометра с плоской пластиной.

Сильфоном (рис. 13) называется тонкостенная цилинд$рическая трубка, стенки которой имеют глубокие волнооб$разные складки (гофры). Под действием внутреннего иливнешнего давления газа или жидкости, а также сил, прило$женных к крайним сечениям сильфона, его стенки дефор$мируются. При этом изменяются длина и внутренний объ$ем сильфона, а иногда и расположение его оси (при изгибе).

Все основные параметры, кон$струкция и размеры прибор$ных бесшовных однослойныхсильфонов стандартизирова$ны. В ГОСТах для каждого ти$поразмера сильфона приведе$ны величины эффективнойплощади Fэф = Fн – Fв, жест$кости по сосредоточенной си$ле Q, наибольший ход, соот$ветствующий наибольшемудавлению жидкости или газа.

Мембраны представляютсобой тонкую круглую пло$

Рис. 13Сильфон и его основные

параметры


скую, выпуклую или гофри$рованную пластинку, заде$ланную (слегка зажатую) илижестко закрепленную (пай$кой или сваркой) по контуру.Под действием осевой сосре$доточенной силы или силыдавления р газа или жидко$сти мембрана прогибается.

Применяются плоские,хлопающие (в форме сфериче$ского купола) и гофрированные металлические мембраны.

Для повышения чувствительности (увеличения сум$марного прогиба) упругого элемента прибора из двух мем$бран путем сварки или пайки изготовляют гофрирован$ные мембранные коробки (рис. 14). Существуют:� манометрические коробки, внутренняя полость кото$

рых соединяется с контролируемой средой с изменяю$щимся давлением (применяют в манометрах, варио$метрах, указателях скорости и других приборах);

� анероидные коробки, из внутренней полости которыхвыкачан воздух (до 0,1 мм рт. ст.), служат для измере$ния абсолютного давления, применяются в высотоме$рах и вакуумметрах;

� наполненные коробки, внутренняя область которых за$полнена газом (азотом) или насыщенными парами эфи$ра (применяются в некоторых типах терморегулято$ров и термометров).В приборах часто применяются групповые блоки, со$

бранные из нескольких мембранных коробок. Характери$стика мембраны зависит от ее материала, размера и про$филя гофров.

Материалом для мембран служат нержавеющие ста$ли, бронзы, резина, прорезиненный шелк и кожа, а кон$струкция, основные параметры и размеры измерительныхгофрированных мембран стандартизированы.

Профили мембран бывают трапецеидальными, угловы$ми, синусоидальными с постоянной и переменной глуби$ной. Выбор мембран производится по требуемому значению

Рис. 14Манометрическая коробка


давления и соответствующему ему перемещению центрамембраны.

Трубчатые манометрические пружины (трубки Бур$дона) представляют собой тонкостенные металическиетрубки эллиптического или овального вытянутого сечения(рис. 15), изогнутые по дуге окружности, по винтовой ли$нии или по спирали. Один конец трубки должен быть запа$ян наглухо, а второй припаян к держателю (штуцеру). Че$рез держатель во внутреннюю полость трубки подается газили жидкость. При повышении внутреннего давлениявследствие упругой деформации стенок радиус кривизнытрубки увеличивается и запаянный ее конец перемещаетсятем больше, чем больше разность давлений внутри и внетрубки. Материалом для изготовления трубчатых пружинслужат латунь, фосфористая бронза, бериллиевая бронза.

Чувствительностью трубчатой пружины называет$ся величина отношения перемещения ее конца к единицеизменения давления. Поскольку она существенно ниже

Рис. 15Традиционная конструкция механического манометра


чувствительности сильфонов имембранных коробок, трубчатыепружины применяют для измере$ния больших давлений от 0,05 до40 МПа. В приборах с трубками,изогнутыми по дуге окружности270�, для передачи движения отконца трубки к стрелке маномет$ра применяются множительныепередаточные механизмы.

Для того чтобы на стрелку при$бора (рис. 15) передать полное пе$ремещение конца трубки, тягу (на$страиваемое звено) передаточногомеханизма следует располагать понаправлению этого перемещения.

При проектировании трубчатой пружины необходимовыбирать оптимальные размеры трубки, при которых труб$ка обладала бы высоким пределом пропорциональности идостаточной чувствительностью. Рекомендуется прини$мать стандартные значения размеров.

Примером неупругих механических чувствительныхэлементов является рычажный чувствительный элемент,перемещение одной из точек (точка А, рис. 16) рычага ко$торого связано с величиной F измеряемого усилия, при$кладываемого в этой точке, момент от которого уравнове$шивается силами тяжести Fg звеньев механизма.

2.2. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Выходные сигналы чувствительных элементовкрайне неудобны для непосредственного измерения илирегистрации. Поэтому они должны быть преобразованы квиду, поддающемуся прямому измерению и способномубыть воспринятым органами чувств человека. В общемслучае такое преобразование является усилением, т. е.увеличением сигнала, подлежащего измерению.

Преобразование величин осуществляется на основе ис$пользования различных физических и физико$химических

Рис. 16Схема рычажныхчувствительных

элементов


эффектов: механических, тепловых, магнитных, электри$ческих, оптических и др. Эти эффекты могут быть исполь$зованы как в отдельности, так и в комбинации друг с дру$гом. Выбор эффекта зависит главным образом от природыи значения измеряемой величины. В настоящее время при$меняется большое число измерительных преобразователейразличных принципов действия, а в результате разработ$ки новых методов усиления выбор физических эффектов,применяемых в приборах, существенно расширяется. В ка$честве преобразователей и усилителей механических сиг$налов используются передаточные механизмы.

Кинематическую основу приборов составляют меха$низмы, предназначенные для преобразования движенияодного или нескольких твердых тел в требуемое движе$ние других твердых тел. В процессе проектирования, кон$струирования и точностного исследования механизмовприборов необходимо определиться с их структурой, тра$екторией, скоростями и ускорениями движения звеньевмеханизмов и их точек, установить силы взаимодействиязвеньев, методику определения и величину погрешностейих позиционирования. Перечисленные задачи решаютсяспециальными методами структурного, кинематического,динамического и точностного исследования механизма.

В действительных механизмах поло$жения звеньев и их точек в конкретныймомент времени могут иногда сущест$венно отличаться от теоретического, чтоприводит к приборной погрешности исвязывается с погрешностями изготов$ления звеньев, с искажениями их форми размеров в процессе эксплуатации, атакже с наличием зазоров в кинемати$ческих парах (рис. 17).

В большинстве случаев точность ме$ханизма характеризуется ошибками по$ложения и ошибками перемещения егорабочих (ведомых) звеньев.

Ошибкой положения механизма на$зывается разница в положении ведомых

а

б

Рис. 17Траектория

движения центратяжести шатуна

кривошипно$ползунногомеханизма:

а — без зазора в па$ре кривошип$шатун;б — с зазором там же.


звеньев действительного и соответствующего идеального(выполненного без ошибок) механизмов при одинаковыхположениях ведущих звеньев.

Ошибкой перемещения механизма называется разни$ца перемещений ведомых звеньев действительного и иде$ального механизмов при одинаковых перемещениях ихведущих звеньев.

Ошибкой мертвого хода механизма называется отста$вание ведомого звена при изменении движения ведущегозвена. Мертвый ход является следствием наличия зазо$ров в кинематических парах и деформаций звеньев.

Ошибки механизма возникают из$за:1) приближенного осуществления требуемого закона

движения ведомого звена (обычно это закон линейной свя$зи движений ведущего и ведомого звеньев) в связи с откло$нением от идеально соответствующей этому закону схемымеханизма (теоретические ошибки, ошибки схемы);

2) погрешностей размеров, геометрических форм, вза$имного расположения элементов кинематических пар зве$на (первичные ошибки), возникающих как в процессе из$готовления деталей и сборки механизма (технологическиепервичные ошибки, аддитивные помехи измерения), таки во время работы механизма (эксплуатационные первич$ные ошибки, мультипликативные помехи измерения).

Суммарная ошибка механизма представляет собой ре$зультат действия всех частичных ошибок — ошибок, вы$званных единичной первичной ошибкой.

Допуск на точность механизма определяет границыполя допустимых значений суммарной ошибки механиз$ма. Поле допуска располагается симметрично относитель$но номинального значения координаты положения ведо$мого звена. Во всех случаях предельное значение полнойсуммарной ошибки механизма не должно превышать до$пуска на точность механизма.

Первичные ошибки, определяемые только величиной,относятся к скалярным, а величиной и направлением —к векторным первичным ошибкам. Первичные ошибкибывают систематическими и случайными. При расче$те механизма на точность все систематические ошибки


суммируются алгебраически, случайные — по вероятно$стным характеристикам рассеяния с учетом нормально$го закона статистического распределения их значений.К случайным ошибкам относятся и отклонения от сред$них значений зазоров и натягов пар сопряженных дета$лей. Влияние первичных ошибок на точность механизманеобходимо ограничивать рациональным конструирова$нием и технологией изготовления механизма.

Определение теоретической ошибки ведется, как пра$вило, на основе сравнения положений выходного звенарассматриваемого механизма с положением выходногозвена некоторого эталонного механизма, реализующеголинейную связь между входным и выходным сигналами.Выражая эту ошибку через геометрические параметры ме$ханизма (например, размеры звеньев), определяют опти$мальные значения этих параметров, соответствующие ми$нимальной величине теоретической ошибки.

Для определения ошибок положения и перемещения ме)ханизмов, вызванных первичными ошибками, разработа$ны различные аналитические, графические и графоана$литические методы, один из которых получил названиеметода планов малых перемещений.

Данный метод основан на построении планов малыхперемещений точек, вызванных первичными ошибкамизвеньев. Принимается, что малым перемещением любойточки механизма является отклонение положения этойточки от положения, занимаемого ею в идеальном меха$низме (выполненном без первичных ошибок), что приво$дит к дефектным перемещениям всех других точек. Так$же принимается, что направление звеньев реального ме$ханизма совпадает с идеальным. Для любого звена АВточка В может иметь перемещения относительно точки Ав двух направлениях: вдоль звена вследствие ошибки дли$ны звена (нормальное малое перемещение )n

BAS и перпен$дикулярно звену — из$за ошибки углового положения зве$на (тангенциальное малое перемещение ).t

BAS Величина инаправление нормального перемещения всегда известны(это заданное отклонение в длине звена), тангенциальноеперемещение обычно известно только по направлению.


Выражая абсолютное малое перемещение точки В каквекторную сумму малых перемещений переносных движе$ний, содержащих точку В звеньев АВ и DО2В вместе с по$люсами (точки А и О2) и относительного движения точки Вотносительно этих полюсов, определяем ошибку положе$ния точки В графическим путем (аналогично построениюплана ускорений, рис. 18):

2 2 2

.n t n tB A OBA BA BO BOS S S S S S S

При этом

� �� 2 2

, , , .n t n tBA BA BO BOS BA S BA S BD S BD

Малое перемещение точки А

1 1 1 1

,n t nA O AO AO AOS S S S S

поскольку положение точки О1

в данном случае принято сов$падающим с теоретическим

�1

( 0),OS и 1

0,tAOS так как

кривошип О1А не имеет угло$вой погрешности,

1 1|| .nAOS O A

Для определения ошибки вположении точки D использу$ется пропорция

2 2 2 2/ / .t t

DO BOS S DO BO

При построении плана малых перемещений положе$ние «последнего» элемента кинематической пары стойки,которым стойка связана с выходным звеном механизма,всегда считают совпадающим с теоретическим �

2( 0).OS

Аналогичным образом определяют погрешность механиз$ма в различных его положениях. В результате строитсяграфик зависимости величины ошибки механизма от по$ложения его ведущего звена.

При сложных и температурных деформациях, мно$гофакторности и изменчивости первичных ошибок дляопределения погрешности механизма используется экспе$риментальный метод, основанный на сравнении его по$ложения с положением эталона. Для устранения ошибки

Рис. 18План малых перемещенийточек звеньев механизма


измерения замеры погрешностей при этом производят не$сколько раз.

Основными причинами, влияющими на точность ки)нематических цепей с зубчатыми колесами и червячны)ми передачами, являются зазоры в кинематических па$рах, погрешности изготовления деталей и сборки меха$низма, силовые и температурные деформации деталей.

Точность изготовления зубчатых колес регламентиру$ется стандартами, в соответствии с которыми установле$ны 12 степеней точности изготовления цилиндрическихи конических зубчатых колес и передач (1$я степень —наивысшая, 12$я — наименьшая). Для каждой степениточности определены нормы кинематической точности,характеризующие степень согласованности вращения ко$лес, нормы плавности работы, характеризующие погреш$ности шага, профиля зубьев, нормы контакта зубьев, ха$рактеризующие действительную площадь контакта междувзаимодействующими зубьями. Стандартами установленыразмеры и допуски бокового зазора между зубьями, допус$ки на межосевые расстояния и другие геометрические па$раметры передач. Выбор степени точности определяетсяусловиями работы и назначением колес. В механизмах при$боров используют передачи 3$й, 4$й, 5$й и 6$й степеней точ$ности. В зависимости от назначения и конструкции меха$низма выполняется либо расчет кинематической ошибкиведомого звена, либо расчет ошибки мертвого хода.

Кинематическая ошибка ведомого звена цепи харак$теризует точность механизмов приборов с ограниченнымуглом поворота колес, работающих одной стороной зубь$ев. Постоянное направление момента обычно создаетсяпружинами.

Мертвым ходом механизма называется свободное пе$ремещение ведущего звена при неподвижном ведомом зве$не. Мертвый ход является следствием наличия зазоров вкинематических парах механизма и упругих деформацийего деталей.

Ошибкой мертвого хода механизма называется отста$вание ведомого звена при изменении направления движе$ния ведущего звена. Она равна разнице в положениях ве$


домого звена при одинаковых положениях ведущего вовремя прямого и обратного движения механизма.

Повышение точности механизмов производится вы$бором схемы механизма с меньшим числом кинематиче$ских пар и звеньев; путем рационального выбора посадок,классов точности и шероховатости сопряженных поверх$ностей деталей; путем правильного выбора степени точно$сти и вида сопряжения для зубчатых и червячных передач,рационального распределения передаточного отношениямежду ступенями механизма, применения конструкций,допускающих регулировку зазоров при сборке механиз$мов, применения пружинных устройств для устранениязазоров и мертвого хода, уменьшением упругих деформа$ций кручения и изгиба путем увеличения жесткости дета$лей и сокращения их линейных размеров, применениемматериалов с близкими по величине коэффициентами ли$нейного расширения (для уменьшения ошибок от темпе$ратурных деформаций).

2.2.1. РЫЧАЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫИ МЕХАНИЗМЫ ПРЕРЫВИСТОГО ДЕЙСТВИЯ

В приборах наиболее широкое распространение полу$чили трех$ и четырехзвенные рычажные механизмы.К ним относятся синусный, тангенсный, поводковый,кривошипно$ползунный, четырехшарнирный, кулисныйи другие механизмы.

Синусный и тангенсный механизмы служат обычно дляпреобразования прямолинейного поступательного переме$щения толкателя 1 во вращение рычага 2 (см. рис. 19). В си$нусном механизме (рис. 19а) на торцевую плоскость толка$теля 1 опирается рычаг 2 с шаровой рабочей поверхностью.

Длина рычага остается практически постоянной, по$этому характеристика передачи (соотношение между вход$ной и выходной величинами) имеет вид

S = r(sin� – sin�0),

где �0 = const — угол между прямой ОВ и начальным по$ложением рычага; � — угол между прямой ОВ и конеч$ным положением рычага.


Рис. 19Синусный (а) и тангенсный (б) механизмы

Кольцо последеформации

Кольцо додеформации

Рычажно�зубчатаяголовка

F

F S2

S1

F = k S – S = kS( )1 2

в)

Z1

Z2

Z3

Z4

3

2

1

rРис. 20

Схема преобразования си$лы F в деформацию S дина$мометрического кольца (а),общий вид измерительногоустройства (б) и кинемати$ческая схема рычажно$зуб$чатой головки (в)

а б

а

б

в


Передаточное отношение от толкателя 1 к рычагу 2 на$ходим как первую производную от S по �, т. е. u12 = rcos�.

В тангенсном механизме (рис. 19б) толкатель 1 име$ет закругленный конец, а рычаг 2 имеет плоскую поверх$ность. В этом механизме расстояние а остается неизмен$ным, поэтому характеристика механизма и его передаточ$ное отношение имеют вид

S = a(tg� – tg�0),u12 = dS/d� = a/cos2�.

Таким образом, передаточные отношения в синусном итангенсном механизмах являются переменными, а регули$ровка их значений осуществляется изменением начальныхразмеров r и a и начальных углов �0 наклона рычага 2.

Синусный и тангенсный механизмы совместно с зуб$чатыми применяются в микроскопических измеритель$ных головках (индикаторах), общий вид и кинематиче$ская схема одной из которых представлена на рис. 20 вме$сте с функциональной схемой упругого элемента. В схемемеханизма имеются две зубчатые пары, с одним из зубча$тых колес жестко связана стрелка 3 длиной L, а переда$точное отношение, связывающее линейное перемещениеконца стрелки с углом поворота второго рычага 2,

u2–5 = Lz1z3/(zz4).

Связь между углом поворота второго рычага дли$ной r2 и перемещением S толкателя описывается харак$теристикой

= arcsin[lS0/(rr2)] – arcsin[l(S0 – S)/(rr2)] ++ arcsin(S/r) – arcsin[(S0 – S)/r].

Поводковый механизм относится к пространственныммеханизмам. На рис. 21а показан поводковый механизм,состоящий из двух валиков 1 и 2, к которым жестко при$креплены поводки 3 и 4. Чаще других применяются по$водковые механизмы с валиками и поводками, располо$женными под углом 90� друг к другу. Траекторией точкикасания поводков будет прямая NЕ, являющаяся следомпересечения двух взаимно перпендикулярных плоскостей,


в которых происходит движение поводков. Характеристи$ка поводкового механизма имеет вид

S = NE = atg� = btg�.

Иногда для получения заданного характера шкалы при$бора ведущий поводок наклоняют под углом (рис. 21б).В этом случае ось поводка 3 будет описывать коническуюповерхность, а траектория точек касания поводков будетгиперболой, являющейся следом пересечения плоскостидвижения поводка 4 с конической поверхностью.

Передаточное отношение поводковой передачи — ве$личина переменная, зависящая от угла � и длин а и b. Еслиa = b и = 0, то u = 1 при всех значениях �.

На рис. 22 показана схема передаточного механизмаманометра, у которого звенья 1 (мембранная коробка) и 8образуют тангенсный механизм, валики 4 и 7 с поводка$ми 5 и 6 образуют поводковую передачу и зубчатый меха$

низм типа сектор$шестерня —звенья 2 и 3. Такая схема даетвозможность получить значи$тельный угол поворота на вы$ходном звене 2 при небольшомугле поворота вала 7.

Кривошипно ползунныймеханизм. Кинематическаясхема и принцип работы ме$ханизма рассмотрены ранее.Параметрами, определяющи$

а б

Рис. 21Схемы поводковых механизмов

Рис. 22Схема передаточного

механизма манометра


ми кинематику этих механизмов, являются отношениядлин кривошипа, шатуна и эксцентриситета. Наибольшееприменение в самопишущих и других приборах получи$ли выпрямляющие рычажные механизмы, у которыходна из точек выходного звена на некотором участке сво$его движения описывает траекторию, близкую к прямой.На рис. 23 приведены примеры схем таких механизмов спрямолинейным движением точки D.

Механизмы прерывистого действия служат для пре$образования вращательного, обычно равномерного, иликолебательного непрерывного движения в движение вра$щательное или поступательное с периодическими останов$ками определенной продолжительности. Применяютсямеханизмы с мальтийским крестом, цевочные, кулачко$вые, с неполными зубчатыми колесами, храповые и др.

Мальтийские механизмы применяются для преобра$зования обычно равномерного вращательного движенияведущего звена$кривошипа в периодические повороты состановками определенной продолжительности ведомогозвена$креста. КПД механизма — 0,75...0,85. Механизм свнешним зацеплением и четырехпазовым крестом пока$зан на рис. 24. Ведущим звеном всегда является криво$шип 1, ведомым — крест 2. Число радиальных пазов z мо$жет быть от 3 до 12. При вращении кривошипа 1 цевка Авходит в паз креста 2 и поворачивает его на угол 2�/z.

а б в

Рис. 23Кинематические схемы выпрямляющих рычажных механизмов:

а — кривошипно$ползунный механизм, АВ = ВС = ВD; б — лямбдообразный ме$ханизм Чебышева с размерами звеньев АЕ = 2ВЕ, АС = ВС = DC = 2,5BE; в — ку$лисный механизм, АС = АВ; ВD = 3,4AB.


Когда цевка А выходит из паза, крест останавливается ификсируется секторным замком. Выпуклая цилиндриче$ская поверхность замка входит в соприкосновение с во$гнутой поверхностью креста и препятствует повороту по$следнего до тех пор, пока цевка А кривошипа не войдет вследующий паз креста.

За один полный оборот кривошипа с одной цевкойкрест делает 1/z оборота и остановку.

Основные геометрические параметры мальтийскихмеханизмов (рис. 24): межосевое расстояние L, радиускривошипа R1, число пазов z креста, расчетные радиусыкреста R2max, R2min, углы �0 = �/z и 0 = �/2 – �0.

Кинематические параметры мальтийских механизмов:� период цикла движения Т, равный времени одного обо$

рота кривошипа;� коэффициент движения K = tд/Т = 0/�, где tд — вре$

мя движения креста за один период его цикла дви$жения;

� угловые скорости и ускорения движения креста.

Рис. 24Мальтийский механизм

с внешним зацеплением и четырехпазовым крестом


Наибольшая угловая скорость креста соответствуетположению механизма, при котором цевка А находитсяна линии центров О1О2. При этом

�2max = �1R1/R2min = �1umax = �1sin�0/(1 – sin�0).

Угловые ускорения креста в начальный и конечныймоменты его движения

� � � � �� 2 22нач 2кон 1 2max 01 1/ tg .R R

Из анализа формул видно, что угловое ускорение кре$ста тем меньше, чем меньше угловая скорость движениякривошипа, меньше �0 (или больше число пазов креста z).Следовательно, для уменьшения сил инерции масс, свя$занных с крестом, и динамических нагрузок на деталимеханизма целесообразно увеличивать z.

Критериями работоспособности мальтийских механиз$мов являются:� точность изготовления и сборки;� прочность и жесткость оси ролика цевки;� износостойкость рабочих поверхностей пазов креста,

ролика и оси цевки.Конструктивно узел оси и ролика цевки кривошипа мо$

жет выполняться в виде пары с трением скольжения или стрением качения. Размеры узла устанавливаются из кон$структивных соображений. Длина В полоски контакта ро$лика цевки и креста проверяется на соответствие условиюконтактной прочности по формуле Герца — Беляева

� � � �H max пр p H0,418 /( ) [ ],P E Br

где Епр — приведенный модуль упругости материалов ро$лика и креста; rp — радиус ролика цевки; ��Н� — допускае$мое контактное напряжение, для закаленных поверхностейиз стали 50 или 40Х ��Н� = 1000...1200 МПа; Рmах — наи$большая сила, действующая на ось ролика цевки криво$шипа при положении ее на линии центров О1О2, определя$ется по формуле

Рmах = М1mах/R1,

где М1mах — максимальный момент на валу кривошипа,складывается из статического момента сил сопротивления


и динамического момента, связанного с инертностью дета$лей. Наибольший статический момент на валу кривошипа

М1mах = М1ст max + М1дин mах = М2u max/� + I2�2maxumax/�,

где � — КПД механизма; I2 — момент инерции креста ме$ханизма.

Для обеспечения износостойкости рабочих поверхно$стей пазов креста, ролика и оси цевки проверяется усло$вие ограниченности давления р

р = Рmах/(ld0) � [p],

где l, d0 — длина и диаметр трущихся поверхностей оси иролика, мм; [p] = 15...20 МПа — допускаемое давление.

Ось цевки кривошипа проверяется на прочность приизгибе:

� = Ми/W = Pmax(h + 0,5B)/(0,1d3) � [�],

где h — длина оси цевки, d — ее диаметр.Храповые механизмы (рис. 25) используются для

преобразования колебательного движения ведущего зве$на 1 во вращательное (или поступательное) движение состановками ведомого звена 2. Кроме того, они приме$няются как механизмы, препятствующие движению ве$домых звеньев в одном направлении и допускающие сво$бодное движение их в противоположном направлении.Число зубьев колеса 2 определяется наименьшим углом

поворота его за один ход со$бачки 3.

Критерием работоспособ$ности храповых механизмовявляются прочность оси собач$ки и контактная прочностьсобачки в местах ее контактас осью и зубьями храповогоколеса. Исходя из этого рас$считывается длина зуба коле$са, равная отношению окруж$ной силы к допускаемомуудельному давлению на еди$ницу длины контакта зуба ко$леса и собачки.

Рис. 25Храповой механизм


2.3. СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ.ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА

Средства отображения информации приборовпредназначены для преобразования уловленных чувстви$тельным элементом и усиленных усилителем или переда$точным механизмом изменений состояния контролируе$мого объекта в воспринимаемую человеком форму. В ихкачестве из механизмов чаще всего используют отсчетныеустройства — совокупность деталей, предназначенныхдля зрительного определения измеряемой величины по$средством наблюдения за положением указателя относи$тельно системы штрихов и цифр, расположенных на шка$ле. Иногда отсчетное устройство связано с самописцем.

Основными деталями отсчетных устройств являютсяшкалы и указатели. Шкала — совокупность отметок(штрихов, цифр, букв), расположенных по прямой ли$нии или по дуге окружности и изображающих ряд после$довательных чисел, соответствующих значениям изме$ряемой величины. Деталь, на которую нанесена шкала,называется циферблатом. Указатель — приспособление(стрелка, световое пятно и т. п.), которое занимает опре$деленное положение относительно шкалы и тем самым от$мечает численное значение измеряемой величины.

Носитель шкалы — линия, на которой штрихами (от$метками шкалы) отмечают определенное значение изме$ряемой величины.

Цена деления (Н) — число единиц измеряемой вели$чины, соответствующее одному делению (участку шкалымежду двумя соседними отметками).

Цена оборота шкалы (Аш) — число единиц измеряе$мой величины, соответствующее одному обороту шкалы.

Масштаб шкалы (Мш) — отношение длины деленияшкалы к цене деления.

Пределы шкалы (нижний Хmin и верхний Хmax) — со$ответствующие пределам изменения измеряемой величи$ны пределы шкалы.

Шкала считается равномерной (линейной), если вели$чина отношения максимальной длины деления шкалы кминимальной не превышает 1,3. Длина деления шкалы


лабораторных приборов находится в пределах 0,5...2,5 мм,щитовых — 3...10 мм.

Длина шкалы Lш — произведение длины деления наколичество делений. Если в результате расчета эта длинапролучается слишкам большой, то деления шкалы распо$лагают на диске по архимедовой спирали, а на барабане —по винтовой линии. Иногда применяют две шкалы: одну —для точного отсчета (шкала точного отсчета ШТО), а дру$гую — для грубого отсчета (шкала грубого отсчета ШГО).Согласованные движения ШТО и ШГО обеспечиваютсяотсчетным механизмом с передаточным отношением, рав$ным числу делений ШГО. Обе шкалы должны иметь оди$наковое направление отсчета.

Угол шкалы — угол, соответствующий длине дуги но$сителя шкалы между первой и последней его отметками.

Характеристика шкалы — функция зависимости по$казателя положения указателя прибора от значения изме$ряемой величины. Ее первая производная по этой величи$не называется чувствительностью прибора.

Отсчетные устройства классифицируются:� по подвижности шкалы и указателя;� по количеству шкал (одношкальные, многошкальные);� по форме носителя и поверхности, на которой нано$

сятся шкалы (плоские — прямые, дуговые, круговые,дисковые, спиральные, а также пространственные —цилиндрические, конические, винтовые);

� по расположению нулевой отметки на шкале (односто$ронние, безнулевые, двухсторонние).Абсолютная погрешность отсчета �� зависит от по$

грешности снятия отсчета (примерно равна половине ценыделения прибора), погрешности механизмов приборов инеустойчивости измеряемого параметра.

Относительная погрешность прибора, %,

� = 100��/(Хmax – Xmin).

Допускаемая относительная погрешность прибораопределяет его класс точности. Классы точности быва$ют следующими (в порядке убывания точности): 0,005;0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0. Лаборатор$


ные приборы имеют классы точности от 0,005 до 0,5, про$изводственные — от 0,5 до 1,5, щитовые — от 1,0 до 6,0.

В задачу расчета отсчетных устройств входит опре$деление:� цены деления Н шкалы;� числа делений шкалы Nш = (Хmax – Xmin)/Н;� расчетной длины шкалы Lш, мм;� передаточного отношения отсчетного механизма (при

наличии такового).Исходными данными для расчета отсчетных устройств

являются:� пределы изменения измеряемой величины (Хmax – Xmin);� соответствующий этим пределам угол поворота ва$

лика исполнительного элемента (ИЭ) прибора (вы$ходного звена передаточного механизма, кинемати$чески соединенного с входным звеном отсчетного ме$ханизма);

� назначение и класс точности прибора с соответствую$щими значениями относительной и абсолютной по$грешности;

� длина деления шкалы в миллиметрах, соответствую$щая типу прибора;

� ориентировочные значения угла и диаметра шкалы.Механизмы отсчетных устройств:1. Механизмы со спиральными и винтовыми шкала$

ми. Служат для увеличения угла и длины шкалы.2. Механизм с двумя шкалами, у которых валик шка$

лы грубого отсчета соединен с валиком исполнительногоэлемента. Различают три вида механизмов:� механизм отсчетного устройства с двумя соосными

цилиндрическими шкалами и планетарным механиз$мом (см. рис. 26а);

� механизм с параллельными осями двух дисковых шкал(рис. 26б);

� червячный механизм с цилиндрической шкалой точ$ного отсчета и дисковой шкалой грубого отсчета(рис. 26в).3. Микрометрические двухшкальные механизмы (мик$

рометры, рис. 26г).


Рис. 26Схемы механизмов отсчетных устройств

Рис. 27Схема четырехдекадного счетчика

с последовательно соединенными мальтийскими механизмами:1 — мальтийский крест; 2 — входной валик; 3 — оцифрованный барабан; 4 —зубчатое зацепление.

а б

вг


Счетчики делятся на две группы:1. Одноциферблатные с непосредственным суммарным

отсчетом. На рис. 27 приведена схема четырехдекадногосчетчика с последовательно соединенными мальтийски$ми механизмами, у которых каждый крест 1 имеет 10 па$зов. На входном валике 2 закреплен только один поводок.Каждый крест соединен со следующим поводком и оциф$рованным барабанчиком 3 парой одинаковых зубчатыхколес 4. За один оборот поводка крест поворачивается на1/10 оборота. Аналогичные четырехдекадные счетчикиконструируются на основе цевочных механизмов.

2. Многоциферблатные счетчики с раздельным отсчетом.Функции счетчиков могут выполнять и двухшкальные

механизмы отсчетных устройств (рис. 26), если валикшкалы точного отсчета соединить с валиком прибора, чис$ло оборотов которого требуется отсчитывать.

3. МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГОКОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОГОДИАГНОСТИРОВАНИЯ

3.1. СИСТЕМАНЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯИ ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯЕЕ РАЗВИТИЯ

Обеспечение промышленной безопасности наопасных производственных объектах с каждым годом ста$новится все более актуальным. Отсутствие средств на за$мену или реконструкцию износившегося оборудованияобусловливает повышение роли неразрушающего контро$ля как одного из направлений в решении задачи продле$ния ресурса технических объектов, обосновании возмож$ности их дальнейшей эксплуатации.

Неразрушающий контроль — контроль, при которомне должна быть нарушена пригодность технических уст$ройств, зданий и сооружений к применению и эксплуа$тации.

Система неразрушающего контроля — совокупностьучастников, которые в рамках регламентирующих норм,правил, методик, условий, критериев и процедур осуще$ствляют деятельность в области одного из видов экспер$тизы промышленной безопасности, связанной с приме$нением неразрушающего контроля. Элементами систе$мы являются персонал, подразделения, лаборатории,методические документы, средства неразрушающего кон$троля.

Средство неразрушающего контроля — техническоеустройство, вещество и/или материал для проведения не$разрушающего контроля.

Управление системой неразрушающего контроля ос$новано на аттестации персонала, лабораторий, методиче$ской документации и средств неразрушающего контроля.

3. МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 81

Применение неразрушающего контроля рекомендованоРостехнадзором для таких объектов, как:� объекты котлонадзора: паровые и водогрейные котлы,

сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа,трубопроводы пара и горячей воды с рабочим давлени$ем пара более 0,07 МПа и температурой свыше 115�С;

� системы газоснабжения (газораспределения): наруж$ные и внутренние газопроводы, детали и узлы, газо$вое оборудование;

� подъемные сооружения: грузоподъемные краны, подъ$емники, канатные дороги, фуникулеры, эскалаторы,лифты;

� оборудование нефтяной и газовой промышленности:резервуары для хранения газонефтепродуктов, газо$нефтепродуктопроводы;

� оборудование взрывоопасных и химически опасныхпроизводств:– оборудование химических, нефтехимических и не$

фтеперерабатывающих производств, работающеепод давлением или вакуумом;

– резервуары для хранения взрывопожароопасных итоксичных веществ;

– изотермические хранилища;– криогенное оборудование;– оборудование аммиачных холодильных установок;– компрессорное и насосное оборудование;– цистерны, контейнеры, баллоны для взрывопожа$

роопасных и токсичных веществ;– котлы, технологические трубопроводы, трубопро$

воды пара и горячей воды.Основными видами (методами) неразрушающего кон$

троля являются:� акустический (ультразвуковая дефектоскопия и уль$

тразвуковая толщинометрия, акустико$эмиссионный);� радиационный (рентгенографический, гаммаграфиче$

ский, радиоскопический);� магнитный (магнитнопорошковый, магнитнографиче$

ский, метод эффекта Холла);� вихретоковый;


� проникающими веществами (капиллярный, течеис$кание);

� электрический;� оптический;� вибродиагностичекий;� тепловой;� визуально$измерительный.

3.2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ СРЕДСТВНЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯИ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Методы испытаний средств неразрушающегоконтроля и аппаратура для их проведения с указаниемметрологических и технических характеристик устанав$ливаются стандартами на методы испытаний, а также раз$делами стандартов на общие требования. Обязательныйдля всех средств неразрушающего контроля конкретныйряд нормируемых и подлежащих испытанию характери$стик и параметров, а также методы их оценки приведеныв типовых программах государственных приемочных ис$пытаний. Поскольку контроль часто является неотъемле$мой частью технологического процесса и планового обслу$живания, методы контроля должны быть взаимосвязанысо стандартизацией объектов контроля. Методы контро$ля стандартизированы в основном для сварных и паяныхсоединений, металлоконструкций, металлопродукции,строительных материалов и конструкций. Методы и сред$ства контроля для различных этапов технологическогоцикла определяются стандартами на методы испытанийили стандартами на продукцию. В соответствии с этимистандартами применение неразрушающего контроля мо$жет носить как обязательный, так и рекомендательныйхарактер. В ряде стандартов оговаривается, что контрольизделий проводят по требованию потребителя или по со$гласованию между изготовителем и потребителем.

Для определения работоспособности изделия, поискадефектов и прогнозирования состояния машин необходи$мо измерять диагностические параметры. Их выбираютиз множества принципиально возможных параметров для


исследования информативности признаков, на основе ко$торой определяют окончательный состав измеряемых фи$зических параметров, используемых в дальнейшем длядиагноза неисправных состояний.

Физические параметры разделяют на группы: кинема$тические, геометрические, статические, динамические, те$пловые, акустические, электрические и магнитные, меха$нические и молекулярные, излучений, атомной физики,универсальные физические постоянные. Измерение физи$ческих параметров положено в основу различных методови средств технического диагностирования, с помощью ко$торых анализируют и оценивают сложное техническое со$стояние объекта. Для исследования этого состояния приме$няют все известные виды электромагнитного излучения —низкочастотное (0...103 Гц), радиоволны (104...1010 Гц), ин$фракрасное (1011...4�1014 Гц), видимое (4�1014...7,5�1014 Гц),ультрафиолетовое (7,5�1014...3�1016 Гц), рентгеновское(3�1016...3�1020 Гц), гамма$лучи (3�1019...3�1022 Гц), космиче$ские лучи (более 3�1022 Гц). Широкое применение получи$ли многочисленные акустические и вибрационные методыисследования, а также корпускулярные излучения (нейтро$нов, протонов, электронов, позитронов) и электростатиче$ские поля. Диапазон частот звуковых волн — 20...20 000 Гц,низкочастотных ультразвуковых — 20...200 кГц, средне$частотных ультразвуковых — 0,2...10 МГц, высокочастот$ных — 107...109 Гц, сверхвысокочастотных ультразвуко$вых — свыше 109 Гц. Наиболее существенными и частовстречающимися в практике технического диагностирова$ния машин являются следующие виды измерений: ультра$звуковой, акустико$эмиссионный, электрометрия, вибро$акустика, дефектоскопия, структуроскопия, интроскопия,измерение механических свойств, состава вещества, разме$ров, сил, деформаций, давления, температуры, времени,массы, влажности, расхода и уровня.

Выбор метода и прибора неразрушающего контроля длярешения задач дефектоскопии, толщинометрии, структу$роскопии и технической диагностики зависит от парамет$ров контролируемого объекта и условий его обследова$ния. В соответствии с назначением приборов измеряемые


и определяемые параметры и дефекты разделяют на че$тыре группы:

1) дефекты типа нарушения сплошности;2) отклонения размеров;3) отклонение свойств материала;4) изменение свойств материала или размеров во вре$

мени.При любом методе неразрушающего контроля о дефек$

тах судят по косвенным признакам. Характеристики, из$меряемые при выявлении дефекта данным методом и всовокупности позволяющие с определенной достоверно$стью оценить образ дефектов и идентифицировать их потипам и видам в соответствии с заданными граничнымизначениями этих характеристик, образуют измеряемыехарактеристики дефектов. Измеряемую характеристи$ку дефекта, по значению которой при данном методе не$разрушающего контроля принимают решение об отсутст$вии или о возможном обнаружении дефекта, называютглавной измеряемой характеристикой.

Стандартизация средств неразрушающего контроляобеспечивает:� повышение их технического уровня, качества и надеж$

ности;� снижение затрат;� единообразие и достоверность результатов измерений,

испытаний и контроля.При стандартизации решаются задачи установления

оптимальных методов контроля, разработки методов не$разрушающего контроля, классификации дефектов и уста$новления критериев их допустимости, развития унифи$кации и типизации технологических процессов контро$ля, определения основных показателей качества средствнеразрушающего контроля, метрологического обеспече$ния методов.

Одним из основных объектов стандартизации являют$ся термины, применяемые в области неразрушающегоконтроля. Для различных видов контроля на термины иопределения созданы ГОСТы: 24450$80 (магнитный кон$троль), 25315$82 (электрический контроль), 24289$80


(вихретоковый контроль), 25313$82 (радиоволновой кон$троль), 25314$82 (тепловой контроль), 24521$80 (опти$ческий контроль), 24034$80 (радиационный контроль),23829$85 (акустический контроль), 18442$80 (контрольпроникающими веществами). Стандартизованы такжеосновные параметры методов контроля и способы оцен$ки этих параметров. Общие положения и требования ксредствам неразрушающего контроля регламентируют$ся ГОСТами: 21104$75, 21105$87, 23480$79, 23483$79,23479$79, 20426$82, 20415$82 и 18442$80.

В стандартах на область применения установлена воз$можность применения конкретного вида неразрушающе$го контроля. Их относят к основополагающим стандар$там, поскольку они позволяют эффективно использоватьметоды контроля. Область применения видов и методовнеразрушающего контроля отражена в стандартах на об$щие требования (ГОСТы: 23479$79, 23480$79, 23483$79,18442$80, 20415$82). Отдельный стандарт на область при$менения создан только для радиационного вида контроля(ГОСТ 204126$82).

Комплекс требований к конкретным типам средств не$разрушающего контроля в зависимости от метода нераз$рушающего контроля и контролируемого параметра опре$делен ГОСТами общих технических требований: 24732$81, 25335$82, 22238$76, 21397$81, 23349$78, 22555$77,18061$80.

Стандарты на технические условия и основные пара$метры регламентируют основные потребительские харак$теристики средств неразрушающего контроля, их ком$плектность, правила приемки, маркировки, упаковки идругие требования (ГОСТы: 23048$78, 23702$79, 25113$82,23764$79, 22556$77, 16002$76 и 7512$75).

3.3. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Акустические методы контроля основаны наанализе параметров волн упругих колебаний, возникаю$щих (пассивные методы) или возбуждаемых (активные ме$тоды) в объекте контроля. По характеру взаимодействия


упругих волн с объектом контроля различают методы про$шедшего и отраженного излучения, резонансный, импе$дансный, собственных колебаний, акустико$эмиссионныйи некоторые другие модификации.

Упругая волна представляет собой процесс распростра$нения возмущений в среде в результате действия механи$ческих сил, происходящих благодаря упругому взаимо$действию частиц среды (рис. 28). В жидкостях и газах рас$пространяются лишь продольные волны. В безграничныхтвердых телах могут распространяться только продоль$ные и поперечные волны. В ограниченных твердых телахмогут распространяться также волны других типов: по$верхностные волны (волны Релея), нормальные волны(волны Лэмба), изгибные волны, нормальные стержневыеволны (волны Похгаммера).

Колебания частиц обусловлены звуковым давлением р,которое является разностью между мгновенным ра и ста$тическим ро давлениями в данной точке среды:

р = ра – ро.

Скорость продольных, поперечных и поверхностныхволн в большинстве материалов не зависит от частоты.

Рис. 28Физические основы акустических методов:

а — продольная волна; б — волновой процесс; в — поперечная волна. Путь, прой$денный волной за время t: S = vt, где v — скорость распространения волны.

а

б

в


Скорость волн в пластинах и стержнях зависит от произ$ведения толщины изделия на частоту. Это явление назы$вают дисперсией скорости.

Скорость распространения волн всех типов определя$ется плотностью среды и ее упругими составляющими.

Акустические волны представляют собой колебанияупругой среды (жидкости, газа или твердого тела), кото$рые могут восприниматься специальными приборами иорганами слуха человека. Колебания, воспринимаемыечеловеческим ухом, имеют частоту 16...20 000 Гц и на$зываются звуковыми. Колебания с частотами, бо ´льши$ми 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, меньшими16 Гц — инфразвуковыми. При прохождении в упругойсреде акустические волны ослабляются из$за расхожде$ния энергии в пространстве и затухания в среде. Затуха$ние волны характеризуется коэффициентом затухания �,который складывается из коэффициентов поглощения ирассеивания:

� = �п + �р.

При поглощении звуковая энергия переходит в тепло$вую, при рассеянии остается звуковой, но уходит из на$правленно распространяющейся волны в результате отра$жений от неоднородностей среды.

Малая длина ультразвуковой волны обусловливает от$носительную легкость получения направленных ультра$звуковых пучков.

3.3.1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

В ультразвуковой дефектоскопии применяют высокиечастоты (f > 0,5 МГц), когда отношение поперечного раз$мера преобразователя 2а больше длины волны �. В этомслучае излучение характеризуется наличием относитель$но узкого пучка, несущего основную энергию излучения(основной лепесток), и нескольких боковых лепестков(см. рис. 29).

Для возбуждения и приема упругих колебаний исполь$зуют электроакустические преобразователи. Наиболеераспространены пьезоэлектрические преобразователи.


В таких преобразователях дляизлучения и приема упругихволн используются отдельныепьезоэлементы или один пьезо$элемент.

Для передачи и приема упру$гих волн необходимо наличиематериальной среды, создаю$щей акустический контакт. Этотконтакт реализуется через:� тонкий слой жидкости (кон$

тактный способ);� слой жидкости толщиной h порядка длины волны �

в ней (щелевой способ);� толстый слой жидкости h� � (иммерсионный способ);� слой эластичного пластика (сухой способ).

На низких частотах (до 100 кГц) применяют сухой то$чечный контакт через выпуклую поверхность наконечни$ка преобразователя.

Рис. 29Диаграмма направленного

поля излучения

Рис. 30Классификация

акустических методовконтроля


Классификация акустических методов неразрушаю$щего контроля представлена на рис. 30.

Активные методы основаны на изучении взаимодей$ствия контролируемого объекта и искусственно созданныхупругих колебаний. Пассивные методы основаны на изу$чении упругих колебаний, создаваемых самим объектомконтроля.

Методы прохождения используют излучающие и при$емные преобразователи, расположенные по разные или поодну сторону контролируемого изделия (рис. 31а). Приме$няют импульсное или (реже) непрерывное излучение и ана$лизируют сигнал, прошедший через контролируемый объ$ект. Информативными параметрами являются: изменениеамплитуды волны, время запаздывания волны и т. д.

Методы собственных частот основаны на измеренииэтих частот (или спектров) колебаний контролируемых объ$ектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении визделиях как вынужденных, так и свободных колебаний.

Импедансные методы используют зависимость импе$дансов изделий при их упругих колебаниях от парамет$ров этих изделий и наличия в них дефектов. Импедансомволны z называется соотношение комплексных амплитудзвукового давления р* к колебательной скорости v* в гар$монически бегущей волне:

z = р*/v*.

Около 90� объектов акустического контроля в настоя$щее время контролируются ультразвуковыми эхо$метода$ми. Зеркально$теневой метод применяется в дополнение

Рис. 31Ультразвуковой метод:

а — схема теневого метода;б — схема эхо$метода: 1 — ге$нератор импульсов; 2 — из$лучатель; 3 — объект кон$троля; 4 — приемник; 5 —усилитель; 6 — измерительамплитуды; 7 — индикатор;8 — синхронизатор.

а б


к эхо$методу для выявления дефектов, дающих слабое от$ражение ультразвуковых волн. Теневой и эхо$сквознойметоды используют только при двустороннем доступе кизделию для автоматизированного контроля изделий про$стой формы.

Данные виды контроля применяют для следующихслучаев:

1. Контроль отливок. Проводят эхо$ и зеркально$тене$вым методами. Дефекты литья (поры, раковины, шлако$вые включения) обнаруживаются эхо$методом при прозву$чивании с разных сторон. Волосовидные дефекты плохоотражают ультразвук, и о наличии таких дефектов судятпо ослаблению донного сигнала, применяя зеркально$те$невой метод.

2. Контроль поковок и штамповок. Поковки (типа ро$торов и дисков турбин, заготовок штампов, станин, валов,деталей самолетов и т. п.) контролируют эхо$ и зеркаль$но$теневым методом. Для ответственных деталей преду$сматривается прозвучивание каждого объема в трех вза$имно перпендикулярных направлениях.

3. Контроль проката и проволоки. Листы и плиты кон$тролируют теневым, эхо$, эхо$сквозным и зеркально$те$невым методами. Трубы, прутки и заготовки круглого ипрямоугольного сечения контролируют эхо$методом. Приконтроле труб обеспечивают взаимное перемещение пре$образователя и трубы по винтовой линии.

4. Контроль сварных соединений. В большинстве слу$чаев проводят эхо$методом. При контроле угол ввода ко$лебаний выбирают таким образом, чтобы расстояние отпреобразователя до шва было минимальным, а направле$ние луча — возможно близким к нормали по отношениюк сечению, в котором площадь ожидаемых дефектов мак$симальна.

В методах отражения используют один или два преоб$разователя (см. рис. 31б). Применяют импульсное излу$чение и анализируют посланный (зондирующий) I, отра$женный от противоположной поверхности (дна) изделия(донный) III сигнал и эхо$сигнал от дефекта II. На рис. 32показаны блок$схема и принцип работы эхо$дефектоско$


Рис. 32Блок$схема

ультразвуковогоэхо$дефектоскопа:

1 — генератор электриче$ских импульсов; 2 — пье$зоэлектрический преоб$разователь (искательнаяголовка); 3 — приемно$усилительный тракт; 4 —хронизатор; 5 — генера$тор развертки; 6 — экрандефектоскопа; Н — на$чальный сигнал; Д — дон$ный эхо$сигнал; ДФ —эхо$сигнал от дефекта.

Рис. 33Нелинейная акустика:

нелинейно$модуляционная диагностика микротрещин в осях железнодорожныхколесных пар: зеленый — спектр модуляции для оси без дефекта, красный — дляоси с одиночной трещиной (контраст уровней модуляции составляет 45 дБ).

па, на рис. 33 — принцип обнаружения дефектов по ам$плитудно$частотному анализу акустических сигналов.

Ультразвуковой контроль является одним из самых ис$пользуемых при диагностировании, а рынок приборов уль$тразвукового контроля — одним из самых широких. Появ$ляются установки для контроля проката, труб, трубопро$водов, рельсов, бетона, композиционных материалов.


3.3.2. МЕТОДАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

3.3.2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Наиболее характерным пассивным методом являетсяакустико$эмиссионный (АЭ). Этот метод основан на ана$лизе акустических волн, возникающих в материале в ре$зультате пластических деформаций (перемещение дисло$каций) и повреждений структуры (образование, рост инакопление микротрещин). Это позволяет формироватьадекватную систему классификации дефектов и критерииоценки состояния объекта, основанные на реальном влия$нии дефекта на объект. Кроме этого, источниками АЭ мо$гут быть процессы трения и износа, радиационного, хи$мического и электрохимического взаимодействия, утеч$ки жидкости или газа, фазовые превращения.

Характерными особенностями метода АЭ$контроля,определяющими его возможности и область применения,являются следующие:� метод АЭ$контроля обеспечивает обнаружение и реги$

страцию только развивающихся дефектов, что позво$ляет классифицировать дефекты не по размерам, а постепени их опасности;

� метод АЭ$контроля обладает весьма высокой чувст$вительностью к растущим дефектам и позволяет вы$явить в рабочих условиях приращение трещины по$рядка долей мм. Предельная чувствительность акусти$ко$эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкамсоставляет порядка 10(–6) мм2, что соответствует выяв$лению скачка трещины протяженностью 1 мкм навеличину 1 мкм;

� свойство интегральности метода АЭ$контроля обеспе$чивает контроль всего объекта с использованием од$ного или нескольких преобразователей АЭ$контроля,неподвижно установленных на поверхности объекта;

� метод АЭ$контроля позволяет проводить контроль раз$личных технологических процессов и процессов изме$нения свойств и состояния материалов;

� положение и ориентация объекта не влияет на выяв$ляемость дефектов;


� метод АЭ$контроля имеет меньше ограничений, связан$ных со свойствами и структурой материалов. Особен$ностью метода АЭ$контроля, ограничивающей его при$менение, является в ряде случаев трудность выделениясигналов АЭ из помех. Это объясняется тем, что сигна$лы АЭ являются шумоподобными, поскольку АЭ естьстохастический импульсный процесс. Поэтому, когдасигналы АЭ малы по амплитуде, выделение полезногосигнала из помех представляет собой сложную задачу.При развитии дефекта, когда его размеры приближа$

ются к критическому значению, амплитуда сигналов АЭи темп их генерации резко увеличиваются, что приводитк значительному возрастанию вероятности обнаружениятакого источника АЭ.

Метод АЭ$контроля может быть использован для кон$троля объектов при их изготовлении, в процессе приемоч$ных испытаний, при периодических технических освиде$тельствованиях, в процессе эксплуатации.

Целью АЭ$контроля является обнаружение, опреде$ление координат и слежение (мониторинг) за источни$ками акустической эмиссии, связанными с несплошно$стями на поверхности или в объеме стенки объекта кон$троля, сварного соединения и изготовленных частей икомпонентов. Все индикации, вызванные источникамиАЭ, должны быть при наличии технической возможно$сти оценены другими методами неразрушающего контро$ля. Метод АЭ$контроля может быть использован такжедля оценки скорости развития дефекта в целях заблаго$временного прекращения испытаний и предотвращенияразрушения изделия.

АЭ$контроль технического состояния обследуемыхобъектов проводится только при создании в конструк$ции напряженного состояния, инициирующего в мате$риале объекта работу источников АЭ. Для этого объектподвергается нагружению силой, давлением, температур$ным полем и т. д. Выбор вида нагрузки определяется кон$струкцией объекта и условиями его работы, характеромиспытаний и приводится в «Программе работ по АЭ$кон$тролю объектов».


Рис. 34Зависимость амплитуды единичных событий

акустической эмиссии от времени и давления:а — участок с опасными питтинговыми коррозионными повреждениями; б — без$дефектный участок.

Связь параметров АЭ с дефектностью показана нарис. 34, 35. Акустические волны (сигналы) принимаютсячерез контактирующие с изделием пьезопреобразователи.Метод акустической эмиссии позволяет не только обнару$живать существование дефектов, но и определять кине$тику микротрещинообразования. Также данный методпозволяет определять координаты нахождения дефекта(источника сигнала).

а

б


Главным преимуществом метода акустической эмиссииявляется возможность получения информации не только оналичии микротрещин в материале, но и о кинетике мик$ротрещинообразования. Это дает возможность прогнозиро$вания развития процесса разрушения материала. Схемапрочностного АЭ$контроля изображена на рис. 36. Однакодля данного метода затруднено выявление универсальныхинформативных показателей надежности и составлениематематических моделей параметров акустической эмис$сии. В данном пособии подробно изложен один из подхо$дов к решению этой проблемы.

Рис. 35Распределение событий акустической эмиссии по энергетическим

параметрам амплитуды и длительности:а — участок с опасными питтинговыми коррозионными повреждениями; б — без$дефектный участок.

Рис. 36Схема прочностного АЭ$контроля

а б


3.3.2.2. МОДЕЛИ ИСТОЧНИКОВИ ИНФОРМАТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ РАЗРУШЕНИИГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основными источниками АЭ конструкционных мате$риалов при их нагружении являются структурные элемен$ты, разрушающиеся вблизи микродефектов. По резуль$татам электронно$микроскопических исследований воз$никающие вокруг пор сварных соединений источники АЭпроявляют себя в диапазоне напряжений 90...160 МПа вдокритический период разрушения. Вольфрамовые вклю$чения приводят к появлению коротких низкочастотныхнизкоэнергоемких сигналов АЭ на всем времени нагруже$ния, что объясняется множеством суб$ и микротрещин укромок, разрушением самого включения и нарушением ко$гезионной связи на границе с матрицей сварного шва. Не$провар является наиболее опасным дефектом и приводит кпоявлению при нагружении нескольких сигналов АЭ боль$шой мощности, поскольку здесь идет развитие макротре$щины. Окисные плены приводят к появлению импульсовАЭ полигармонического типа, регистрируемых с малыминтервалом между событиями. Высокая интенсивность АЭв начальный момент развития окисной плены происходитввиду разрушения по многочисленным точкам прикрепле$ния ее к металлу шва, образования и роста трещины. Воз$никающую при нагружении металлов акустическую эмис$сию связывают с локальной динамической перестройкойструктуры материала и ростом повреждаемости на обеихстадиях двухстадийной модели разрушения. Лежащая в ос$нове АЭ$диагностирования количественная связь между па$раметрами АЭ и характеристиками прочности устанавли$вается с позиций либо динамического (физического, индук$тивного), либо статистического (дедуктивного) подходов.

Основой неразрушающего контроля прочности являют$ся представления о том, какие процессы перестройки струк$туры материала выделяются в качестве основных источни$ков упругого излучения. К таким процессам относятся:� процессы образования, движения и аннигиляции еди$

ничных дефектов кристаллической решетки (дисло$каций);


� процессы, сопровождающие пластическое деформиро$вание материала;

� процессы микротрещинообразования;� процессы образования и развития усталостных трещин.

Акустическая эмиссия представляет собой суперпози$цию испускаемых актами каждого из перечисленных про$цессов упругих волн с соответствующими их источникамамплитудно$частотными и временными характеристика$ми. Факторы, влияющие на параметры АЭ со стороны ма$териала при его нагружении, представлены в табл. 2.

Результаты исследований образцов металлов на рас$тяжение с применением метода АЭ$контроля связываютв основном с закономерностями пластического деформи$рования и дислокационной природой АЭ. Закономерно$сти АЭ на участке упругого деформирования не рассмат$риваются и отмечается, что у пластичных металлов ак$тивность АЭ быстро увеличивается при деформации 1%,

� � � � � � � � ��

��

��

��

�� ! �� "#��$�� #��$�� %��$�� $�� $��&��

'�� $�� %��

#�� (��)� ��

*��$��$�� +�� $��$��+�$ �� &��


при деформации 2% она достигает максимума (рис. 37).Энергия упругого импульса АЭ, приходящаяся на еди$ницу длины дислокации, связывается со скоростью ихдвижения и размером кристалла, а число импульсов АЭили суммарная АЭ определяются также плотностью по$движных дислокаций, объемом материала, находящего$ся в стадии пластического деформирования, и скоростьюего изменения. Эти представления используются в меха$нике разрушения при анализе энерговыделения в моментроста трещины. Энергия q акустического импульса в рай$оне вершины трещины пропорциональна полной вели$

Рис. 37Зависимости активности �

�N АЭ от деформации � и кривыенагружения �(�) для алюминиевого сплава 7075$Т6 (а)

и активности ��N АЭ и деформации от числа циклов

нагружения металлов (б)

а

б


чине энергии, выделяющейся при скачке трещины раз$мером а (рис. 38а):

q = � ((1 – �2)/Е)�2а�а,

где � учитывает поглощение энергии релаксацией; —коэффициент формы трещины; � — коэффициент Пуассо$на; Е — модуль упругости; � — нормальные напряжения;�а — размер пластической зоны у вершины трещины,

�а = (ka/2�)(�/�0,2)2,

где k — коэффициент пропорциональности; �0,2 — пределтекучести материала.

Рис. 38Схематизация продвижения трещины

и зон пластической деформации:V0 — объем зоны пластической деформации трещины размером а; V1 — увеличе$ние зоны пластической деформации, вызванное ростом коэффициента интенсив$ности KI.

а

б


Тогда��

24 2 4 2 4

120,2

(1 ),

2 Ik

q a B a BKE

где � � �IK a — коэффициент интенсивности напряжений.На основе описанных представлений устанавливается

связь между суммарным количеством N� регистрируемыхпри нагружении импульсов АЭ и приращением объемаобласти пластической деформации, вызванным ростомкоэффициента интенсивности напряжений

� � � � �� 2 4 4 4T0( )/(16 ),IN ab K K

где �a, b — приведенные размеры области пластическойдеформации (см. рис. 38); � — плотность источников АЭ,т. е. среднее количество импульсов АЭ, излучаемых еди$ницей объема при его пластическом деформировании(�1 мм–3); � — толщина листа; KI, K0 — значения коэф$фициента интенсивности напряжений до и после нагру$жения; �Т — предел текучести материала.

Рост трещины обнаруживает себя отклонением кри$вой увеличения числа импульсов АЭ от данной степеннойзависимости (превышением показателя значения 4). Ги$потеза о пропорциональной связи суммарного счета АЭ ипластически деформируемого объема используется дляконтроля усталостных трещин.

Подобную связь параметров АЭ с параметрами разру$шения на этапе роста усталостной трещины получают изформулы Периса, связывающей скорость V роста трещи$ны с коэффициентом KI интенсивности напряжений илиего размахом соотношением

� ,nC IV A K

где АС, n — константы.Дунеган с сотрудниками связали скорость счета N� аку$

стической эмиссии с коэффициентом интенсивности на$пряжений аналогичным соотношением

� � ,mDN A K

где АD, m — эмпирические коэффициенты.


Описанные представления используются для обосно$вания формулы, связывающей суммарную АЭ с напряже$ниями � и длиной а трещины

N = АD�4�2а2,

где АD — константа материала и условий АЭ$измерений.Данная взаимосвязь используется в акустико$эмиссионнойдиагностике при классификации источников АЭ по локаль$но$динамическому критерию (классификатору Иванова —Быкова) — значению показателя функции N(�).

В некоторых работах в качестве акта пластической де$формации принимается сдвиг хаотически ориентирован$ных фрагментов поликристалла (например зерен со сред$ним размером D) по их границам. С количеством этих ак$тов в единицу времени связывается скорость счета АЭ

�� 2

0( , ) exp ,2 ( )E

UN t U ft

где f0 — резонансная частота пьезопреобразователя; U —пороговый уровень регистрации сигналов (порог дискри$минации аппаратуры АЭ); ФЕ(t) — плотность распределе$ния сигналов АЭ по энергии или амплитуде.

Данные модели отражают современное состояние наи$более развитого в настоящее время механического подходак интерпретации результатов АЭ$измерений и оценки со$стояния конструкции на этапе развития очага разрушения.Следует отметить, что устанавливаемая в его рамках связьмежду параметрами АЭ и показателями трещиностойко$сти материала действительна при определенных условияхАЭ$испытаний, конфигурации трещин, структурных и аку$стических характеристик материала. Установленные зави$симости позволяют прогнозировать развитие аварийных си$туаций по данным АЭ$наблюдений в случаях, когда пове$дение объекта может быть описано уравнениями механики.Для реальных изделий и конструкций, содержащих мно$жество дефектов и работающих в условиях существеннойструктурной и силовой неоднородности, механический под$ход к решению задач АЭ$диагностики не всегда дает же$лаемые результаты, что отмечается самими исследовате$


лями. Дополнительные возможности здесь появляются наоснове использования микромеханического подхода.

Влияние процессов пластического деформирования наакустическую эмиссию не всеми исследователями прини$мается таким определяющим. В некоторых работах от$мечается, что характер зависимости Дунегана выполняетсятолько на стадии упругого деформирования. Процессы пла$стического деформирования и разрушения по$разному свя$заны с повреждаемостью и прочностью материала. Пласти$ческое деформирование состоит в перестройке структуры,при котором происходит как разрыв, так и восстановле$ние разорванных связей, разрушение связано только с ихразрывом. Соответственно и сигналы АЭ, вызванные ка$ждым из этих процессов, по$разному следует связывать спрочностью твердого тела. Поэтому при разработке мето$дов АЭ$оценки характеристик прочности сигналы АЭ отэтих процессов нужно отделять друг от друга по тем илииным признакам. Это частотные, амплитудные, временныехарактеристики сигналов. Установлено, что пластическиедеформации характеризуются потоком элементарных им$пульсов АЭ, которые могут перекрывать друг друга, обра$зуя непрерывный стохастический процесс, который полу$чил название непрерывной АЭ. Образование и рост трещин,как правило, сопровождается когерентным излучениемимпульсов АЭ, которые достаточно просто различаются.

Результаты микроструктурных исследований разви$тия очага разрушения в металлах показали, что в приле$гающей к очагу области происходит процесс микротрещи$нообразования, который характеризуется кинетикой пер$вой стадии разрушения. Большое количество работ помоделированию АЭ$излучения связывается с микроско$пическими аспектами разрушения и решением соответ$ствующих краевых задач деформирования. Процесс воз$никновения трещины идентифицируется здесь со скач$кообразным приложением напряжений на ее берегах, наосновании чего расчетным путем находится зависимостьпараметров АЭ от ориентации и длины новообразованныхтрещин, определяется значение коэффициента интенсив$ности напряжений. Локальное микроразрушение метал$


ла начинается перед вершиной макротрещины в зоне дей$ствия максимальных напряжений или деформаций, а ска$чок трещины происходит в результате слияния такогомикроразрыва с макротрещиной. При скачке трещиныдинамическое поле перемещений определяется методамилинейной теории упругости. В момент скачка трещины навсей ее новообразованной поверхности происходит мгно$венное падение напряжения от исходного уровня до нуля,сопровождающееся излучением упругих волн. Предполо$жив, что скорость счета АЭ за цикл нагружения пропор$циональна количеству скачков трещины, авторы находятсвязь между названным параметром АЭ и значениями ко$эффициента интенсивности напряжений за цикл.

Коэффициент пропорциональности при этом зависитот размеров испытуемого образца, уровня дискриминациии коэффициента усиления измерительного тракта, а так$же от частотного диапазона регистрации прибора АЭ. В не$которых работах в качестве образа трещины предлагает$ся суперпозиция элементарных точечных источников АЭ,названных квантами, а задача связи роста трещины с ха$рактеристиками упругих волн решается в упругой поста$новке без учета пластических деформаций. Иногда дис$кретный характер акустической эмиссии интерпретиру$ется как результат вовлечения в процесс разрушениябольшого количества элементов структуры материала.

В некоторых работах обработка АЭ$информации ведет$ся с позиции представлений об акустической эмиссии како совокупности действующих в пространстве точечныхисточников упругого излучения, расположенных в окре$стности устья усталостной трещины в процессе ее разви$тия (см. рис. 39). Установлено, что амплитуда импульсовАЭ определяется площадью поверхности, образовавшей$ся в результате скачка трещины, скоростью роста тре$щины, координатами источника АЭ и точкой наблюдения,упругими и прочностными характеристиками среды, глу$биной залегания трещины, типом излучаемых волн (про$дольная, поперечная, рылеевская).

При описании изменения активности АЭ в зависимо$сти от времени с позиций кинетической теории прочности


материал разбивался на ячейки, условием разрушения ка$ждой из которых являлось достижение в ней критическогонапряжения разрыва. Разрушение ячейки сопровождаетсяизлучением одного импульса, а активность АЭ приравнива$ется к числу разрушившихся в единицу времени ячеек.

Используемые для интерпретации результатов АЭ$на$блюдений микромеханические представления о природеявления АЭ и кинетические закономерности микротрещи$нообразования позволяют, в частности, связать выделяю$щуюся при образовании микротрещины энергию ЕС упру$гих колебаний с размерами микротрещины. Формула порасчету упругой энергии, выделяемой в поле нормальныхнапряжений � в результате появления зародышевой тре$щины, имеет следующий вид:

Ес = �(1 – �)�2Dа2,

где D — поперечный размер зародышевой трещины; а —ее продольный размер; � — коэффициент Пуассона.

Иногда результаты АЭ$наблюдений также отождест$вляются с результатами микротрещинообразования, ко$торое описывается уравнениями роста во времени t чис$ла C микротрещин:

dC(t) = [Cо – C(t)]р(t)dt,

где Cо — максимально допускаемая плотность трещин;р(t) — вероятность появления трещин в течение време$ни dt, зависящая от прочностных показателей структур$

Рис. 39Схема расположения точечных источников

в окрестности устья трещины


ных элементов и величины действующих в них напря$жений.

С микроструктурными представлениями также связа$на и следующая модель параметров АЭ. На начальной ста$дии разрушения, когда число микротрещин невелико, раз$рушение структурных элементов носит статистическийхарактер. С увеличением концентрации микротрещин про$исходит объединение их в ассоциации — макротрещины.Характер протекания процесса разрушения определяетсяпри этом соотношением между структурной неоднородно$стью материала и неоднородностью поля механическихнапряжений, а число единичных импульсов АЭ прирав$нивается к сумме всевозможных микротрещинообразова$ний и объединений их в макротрещины. С позиций этихпредставлений сделан вывод о возможности описания ам$плитудно$временного распределения скорости счета им$пульсов АЭ в виде

��

2

2

( )( , ) ( ) exp ( ),

o

t UN A t C t u l t

A

где С(t), (t) — функции, зависящие от степени повреж$денности объекта и его структурных характеристик; u —амплитуда импульсов; Ао — константа; l(t) — единичнаяфункция.

Позднее В. М. Барановым была получена математиче$ская модель суммарного счета АЭ

�

� ��

1

( )( ) 1 exp ,

MI

OI OIOII

t tN t B C

где M — число участков контроля; BOI — число импуль$сов АЭ, накопленных к моменту tI; COI, �OI — константы,определяемые параметрами аппаратуры, а также свойст$вами источника и объекта.

На основании последней формулы предложена рекур$сивная процедура анализа АЭ$данных. После накоплениячисла импульсов, достаточного для получения сколь$ни$будь надежной статистики, определяют значения константBOI, COI, tI, �OI, которые уточняются по мере поступленияданных. Вычисляя остатки и их разности, определяют


момент времени t2 появления нового источника. Получен$ные значения констант фиксируются, а по мере накопле$ния данных они постоянно уточняются. Рассмотренныйалгоритм использован при обработке экспериментальныхданных стендовых гидравлических испытаний трубопро$водов.

Статистический (дедуктивный) подход основан на по$иске статистических связей между параметрами АЭ и па$раметрами состояния объекта контроля без выясненияфизических закономерностей. Его развитие обусловлива$ется невозможностью использования адекватных физиче$ских моделей. Такая ситуация объективно складываетсяв случаях малой амплитуды и малого количества сигна$лов АЭ, сложности поведения параметров АЭ. Информа$тивными при этом являются плотности вероятности рас$пределения параметров АЭ, средние значения, дисперсиии другие их статистические характеристики. В качествеинформативных параметров сигналов АЭ используютсяплотности вероятностей амплитуд сигналов АЭ и времен$ны ´х интервалов между импульсами. Установлена связьвида амплитудного распределения импульсов АЭ с особен$ностями повреждения в структуре материала (рис. 40а),связь различных характеристик потока сигналов АЭ и ста$дии разрушения стальных образцов (рис. 40б...д). Иногдадля оценки стадии деформирования, разрушения, остаточ$ного ресурса или класса источника АЭ используется ана$лиз изменения энергетических и частотных распределенийвероятностей (эллипсов рассеяния), среднеквадратическиеотклонения энергетических показателей АЭ$сигналов.

Установлено, что при переходе от стадии упругого кстадии пластического деформирования, далее к стадиимикротрещинообразования и, наконец, к стадии макро$разрушения последовательно уменьшаются доминантные(наиболее вероятные) частоты и одновременно возраста$ют энергия сигнала и коэффициент вариации значенийамплитуд.

Проводилась оценка остаточного ресурса на образцахс отверстием и с заклепочным соединением из материалаД16Т толщиной 3 и 6 мм. К образцам прикладывалась


циклическая нагрузка в отнулевом режиме частотой 10 Гц.Определялось среднеквадратическое отклонение амплитудсигналов АЭ, максимальное значение которой во временисвязывалось с наработкой образца. Для оценки ресурса

Рис. 40Статистические закономерности АЭ металлов:

гистограммы плотностей амплитудного распределения импульсов АЭ стальныхбаллонов (а), временных интервалов следования сигналов АЭ на 120$й (б), 150$й (в)секундах нагружения стальных образцов и графики изменения инвариантного со$отношения I�t (г) и информативного параметра i�t (д) в процессе этого нагружения;1 — АЭ$распределение бездефектных баллонов; 2 — то же с производственным де$фектом; �tср — средний интервал между импульсами; ��t — среднеквадратичноеотклонение интервалов.


использовались параметры амплитудного распределения:степень корреляции спадающей части распределения иобратной экспоненты, относительная ширина амплитуд$ного распределения на полувысоте максимума, нормали$зованный максимум плотности амплитудного распределе$ния. Погрешность в оценке ресурса достигала 66%. В не$которых работах прогнозирование прочности ведется наоснове построения линейной регрессионной модели, свя$зывающей значения напряжений или длины трещины ипараметра АЭ, полученного в области пластического дефор$мирования материала. К недостаткам подхода следует от$нести необходимость пластического деформирования и про$ведения обучающего эксперимента, что весьма трудоемкои не всегда приемлемо для промышленных объектов.

Анализ работ показал, что существующие методы оцен$ки прочности металлов по сигналам АЭ в настоящее времяосновываются на статистическом подходе к распознава$нию состояния объекта и определении стадии разруше$ния. Выявленная связь параметров АЭ с параметрами ееисточников не позволяет определить механические харак$теристики материала (предел текучести, предел прочно$сти, коэффициенты запаса), оптимизировать процедурупоиска информативных параметров АЭ и формулироватьпредставительные АЭ$показатели механического состоя$ния объектов контроля. Покажем возможность решенияпроблемы на основе физического подхода.

3.3.2.3. МИКРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ,РЕГИСТРИРУЕМОЙ ПРИ РАЗРУШЕНИИГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основой моделирования является связь информатив$ных параметров АЭ � с параметрами С повреждаемостиматериала:

��

�

� �� 0

0

0 0

0

( ) ( ){1 exp[ / ( , ( ))]} ,t

AEt k C dt U t d

где � — информативный параметр АЭ (число импульсов,суммарная АЭ, суммарная амплитуда сигналов АЭ); t —текущее время; kAE — акустико$эмиссионный коэффици$


ент («звучащий» объем материала); С0 — начальная кон$центрация структурных элементов материала; � — па$раметр прочностного состояния структурного элементаматериала объекта; �(�) — функция плотности распреде$ления параметра � по структурным элементам контроли$руемого объема V материала (рис. 41); �0, �� — нижняяграница и диапазон рассеяния значений параметра �;

�

� � � �

��

��, ,

( , , ) ,

( )( ) ,

AE

t f u

k V t f u dudfd t

tt

KT

где � — активационный объем; � — растягивающие напря$жения на микроэлементе.

� �� ! " # � # $ %!&! � ' () �* � � +�, �,� � � � � " -, �* � +� � +� +��,.

# /!� �0 � " 1 $ %' (

23 2

33

0 0 11

0 1

0 1 0 1 22

00 0

1 1( , , ) exp (ln( ) ) ;22

0,99, [ , ],( , , , )

0,01, [ , ];

( )( , ( )) exp

U tU t

KT

— время разрушения микроэлемента (формула С. Н. Жур$кова), где U0 — энергия активации процесса разрушения.

Рис. 41Вид и структура функции �(�),

моделирующей прочностнуюнеоднородность материала

�(�)


Информативными параметрами могут быть число N�регистрируемых импульсов дискретной АЭ, суммарныйсчет N АЭ, суммарная амплитуда или комбинация этихпараметров. Соотношение входящих в формулы описанияфункции �(�) параметров характеризует степень неодно$родности механического состояния материала; парамет$ры �0 и U0 наиболее консервативны и не зависят от состоя$ния структуры, определяются характеристиками меж$атомного взаимодействия структурного элемента; значенияпараметра � 2 10–26...10–28 м3 (активационного объема) яв$ляются характеристикой наноструктуры материала, ко$торая слабочувствительна к его химической природе.

Акустико$эмиссионный коэффициент (АЭК) имеетсмысл «звучащего» объема и связан с долей сигналов АЭ,регистрируемых из общего потока импульсов, прошедшихвременную, частотную и амплитудную фильтрацию. Ма$тематическая модель АЭК:

�

� � � ��, ,

( , , ) ,AE

t f u

k V t f u dudfd t

где V — контролируемый методом АЭ объем материала;Ф(�t, f, u) — плотность вероятности распределения сигна$лов АЭ по интервалам �t (паузам) между ними, амплиту$де u и частоте f.

Учитывая стохастический характер упругого излуче$ния, входящему в данную формулу интегралу можно при$дать смысл вероятности регистрации, т. е. вероятностипопадания параметров упругих волн, пришедших от ис$точника АЭ, в диапазон регистрируемых измерительнойаппаратурой частот f, амплитуд u сигналов АЭ и времен$ных интервалов �t между ними. Вид и поведение опреде$ляющих функцию Ф(�t, f, u) распределений длительностипауз между сигналами, амплитудных распределений, рас$пределение сигналов по частоте, связь между скоростью на$гружения, температурой регистрации, видом контактнойжидкости и коэффициентом прохождения сигнала, ампли$тудой, частотой, длительностью сигналов, размером струк$турных элементов, расстоянием до источника АЭ и чис$лом регистрируемых сигналов изображены на рис. 42...45.


Рис. 42Плотность распределения временных интервалов АЭ для стали 95Х18

во время нагружения (а) и спектральная плотность акустическогоизлучения G при различной степени относительной деформации �

и скорости деформации �� (б)

Рис. 43Зависимость амплитуды сигнала

от скорости деформирования (а) и коэффициента прохождениясигнала � через контактные слои от температуры Т (б):

1 — полиметилсилоксановая жидкость ПМС$1000; 2 — силикатный клей с напол$нителем СаСО3; 3 — паста ПСВШ; u1 — амплитуда зондирующего; u0, u2, u3 — ам$плитуды первого$четвертого импульсов от прохождения отраженного сигнала АЭ.

�


Наиболее динамично во время АЭ$измерений ведет себяамплитудное распределение. Его вид связан с распределе$нием размеров разрывов сплошности (разрушенных струк$турных элементов) гетерогенных материалов, типом де$фекта и степенью его опасности, скоростью нагружения,

Рис. 44Влияние некоторых факторов на параметры АЭ:

а — зависимость коэффициента затухания �з от частоты f упругих колебаний встали продольной 1 и поперечной 2 волн; б — зависимость среднего количестваN� импульсов АЭ от уровня дискриминации Uн и нижней частоты среза (1...360,2...110 кГц); в — зависимость среднего значения амплитуды сигналов АЭ Uср отскорости деформирования � (по данным работы ); г — связь среднего размера Dзерна отожженного сплава АМГ6 и суммарного числа импульсов N�.


напряжениями на структурных элементах в момент раз$рушения и порогами дискриминации аппаратуры, а так$же с метрологическими аспектами АЭ$наблюдений. По$следние связаны с чувствительностью АЭ$измерений, ко$торая, в свою очередь, зависит от соотношения величинэнергии или амплитуды упругой волны и порога дискри$минации регистрирующей аппаратуры. Принимая гипо$тезу о нормальном распределении сигналов по амплитуде(согласно центральной предельной теореме и физическимпредпосылкам), становится очевидной связь доли регист$рируемых сигналов АЭ, прошедших временну´ю, частот$ную и амплитудную фильтрацию, и вида наблюдаемогоамплитудного распределения. Искажение этого вида прификсированном пороге дискриминации аппаратуры мо$жет быть связано только с изменением энергоемкостиупругого излучения и использовано при обнаружении кон$центратора напряжений.

Мелкодисперсное разрушение происходит в виде отдель$ных элементарных актов — образования микротрещин.

Рис. 45Связь параметров АЭ с расстоянием L

от преобразователя АЭ до ее источника:

а — зависимость числа N� импульсов АЭ, зарегистрированных различными дат$чиками за время релаксации напряжений, от расстояния L между сейсмоприем$ником и участком взрывной отбойки рудника «Таймырский» Норильского горно$металлургического комбината; б — зависимости значений амплитуды u сигналовАЭ от расстояния L до преобразователей с резонансными частотами 320 кГц (1) и180 кГц (2).


Очевидно, что этот акт затрагивает не одну материальнуюточку, а некоторый представительный объем — элементструктурной гетерогенности (для металлов это кристал$литы, зерна, группы зерен или их границы). Интересноотметить, что на сегодняшний день понятие о структур$ном элементе используют представители не только струк$турного, но и континуального подхода.

Рис. 46Микромеханическая модель источника сигнала АЭ (а)

и интерпретация значения акустико$эмиссионного коэффициента(б...д):

1...3 — распределения от разрушения структурных элементов граничной зоныадгезионных связей композита или материала сварного шва (1), волокна компо$зита или околошовной зоны, зоны нормализации и основного металла сварногосоединения (2), матрицы композита или элементов разупрочненной зоны сварно$го соединения (3); 4 — � � �* * 2

упр /2 ,uE F D u � �* 2 *упр ,F D � � �* *

у/ ;D D E

5 — � �*2 3у/2 ;uE D F 6 — � ��

�

� �, ,

Ф( , , ) ;AE

t f u

k V t f u dudfd t РU, � ,UP ��UP — веро$

ятности попадания амплитуды сигнала АЭ в регистрируемый амплитудный диа$пазон [Uн; Uв] при равномерном, экспоненциальном (показательном) и с наличиеммаксимума наблюдаемом амплитудном распределении сигналов АЭ соответствен$но; P��, Pf — вероятности регистрации сигналов в заданном временно ´м и частот$ном диапазоне соответственно.


Высвобождающаяся в связи с образованием микротре$щины потенциальная энергия Еи упругой деформацииструктурного элемента зависит от его размера D и напря$жений �* на нем в момент разрушения (рис. 46а):

Еи = �*2D3/2Еу � u2,

где Еу — модуль упругости материала элемента. Это соот$ношение, согласующееся с результатами целого ряда ра$бот, учитывает зависимость Еи от размеров и скорости рос$та напряжений �� в момент нагружения, поскольку

�

� ��

�ln ln.

oo

KTU KT KT

Часть энергии Еи переходит в энергию упругой волны,которая по мере приближения к поверхности материалазатухает в зависимости от частоты f волны, коэффициен$та ее затухания и величины расстояния, пройденного доместа регистрации АЭ. Из всей совокупности испускае$мых из материала упругих волн энергией Ес акустико$эмиссионной аппаратурой регистрируется только частьпопадающих в некоторый амплитудный диапазон, огра$ниченный верхним Uв и нижним Uн уровнями дискрими$нации. Разнообразие дефектов, неоднородность структу$ры и напряженного состояния гетерогенных материалов,выражающаяся в вариации значений D, �* и ��, приводитк разбросу значений амплитуд сигналов АЭ. Это, в сово$купности со случайностью процесса разрушения, являет$ся причиной вариации значений вероятности РU попада$ния амплитуды сигнала АЭ в регистрируемый амплитуд$ный диапазон [Uн; Uв] (рис. 46б):

��в

н

( ) ,U

U

U

P u du

где Uн, Uв — нижний и верхний амплитудные пороги дис$криминации измерительной аппаратуры; Ф(u) — плот$ность вероятности распределения сигналов АЭ по ампли$туде u.


Вариация РU, а значит, и АЭК становится существен$ной в условиях дефицита сигналов даже при стабильныхскорости нагружения, порогах дискриминации аппарату$ры, коэффициентах усиления и затухания сигнала АЭ.Данная ситуация часто наблюдается при промышленномАЭ$контроле с существенно завышенным (с целью устра$нения помех) нижним порогом регистрации Uн или придиагностировании металлоконструкций, работающих сбольшим запасом прочности. Нестабильность АЭК в мо$мент проведения АЭ$измерений нарушает подобие процес$сов разрушения и упругого излучения, а неопределенностьзначения АЭК приводит к погрешностям оценки парамет$ров трещинообразования и понижению точности оценкипрочности. Это обстоятельство необходимо учитывать приобработке первичной АЭ$информации.

Предложенная модель АЭ объединяет физический истатистический подходы к исследованию и использованиюявления АЭ, так как описывает процесс случайной регист$рации детерминированно накапливаемых повреждений вматериале на первой стадии, изменение звучащего объемаи связанной с напряжением возле трещины амплитуды сиг$нала АЭ на второй стадии разрушения. Определив парамет$ры этой модели, можно определить состояние или различ$ные показатели прочности исследуемого объекта. Задачаоценки параметров модели АЭ относится к классу обрат$ных задач. Поскольку входной информацией в обратныхзадачах являются экспериментальные данные, определяе$мые с некоторой погрешностью, которую не всегда можнооценить, решение обратной задачи с «испорченными» вход$ными данными может привести к существенной погреш$ности. В этой ситуации на первый план выходят способыматематической обработки входной информации.

3.3.2.4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫАКУСТИКО$ЭМИССИОННОЙ ОЦЕНКИПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предложенная микромеханическая модель парамет$ров АЭ включает в себя модели процессов, связанных спрочностью, распространением и регистрацией сигнала(рис. 47). Точность оценки технического состояния объ$


екта контроля определяется диагностической ценностьюили представительностью выбранного диагностическогопараметра. Представительность прочностного АЭ$пока$зателя зависит от тесноты его связи с определяющимпрочность процессом, которая, в свою очередь, зависитот информативности модели АЭ, ее первичных парамет$ров и их статистической устойчивости к помехам регист$рации.

Доля помех при регистрации сигналов АЭ в условияхпромышленного АЭ$контроля может достигать 80%. От$браковка акустических помех по признаку «сигнал/шум»ведется с помощью пространственной, частотной или ам$плитудной фильтрации сигналов. Такие методы устране$ния шумов влияют на значения первичных параметров АЭ,которое становится зависимым от уровня шума. Оценимпогрешности неразрушающей оценки прочности предло$

Рис. 47Структура микромеханической модели АЭ


женными диагностическими АЭ$показателями с позицийиспользуемой методологии и построенной модели АЭ.

Погрешности АЭ$измерений можно связать с помехамиаддитивными (акустические и электромагнитные шумы,разброс порога чувствительности из$за невоспроизводимо$сти характеристик акустического контакта между объ$ектами контроля и преобразователями АЭ, нестабильно$сти АЭК при переходе от испытания к испытанию и т. д.)и мультипликативными, связанными с флуктуацией АЭКв процессе измерения (может быть вызвана неравномер$ностью амплитудно$частотных характеристик сигналовАЭ, нестабильностью коэффициента усиления аппарату$ры АЭ при регистрации сигналов). Аддитивные помехименее опасны, поскольку процедура их устранения невлияет на результаты оценки диагностических парамет$ров (см. гл. 4).

Более существенными могут оказаться погрешности отвоздействия мультипликативных помех, особенно в случае,когда большинство регистрируемых в процессе нагруже$ния образца сигналов АЭ имеют малые амплитуды, едвапревышающие порог чувствительности аппаратуры. Приэтом даже незначительный их рост, часто наблюдаемый впроцессе нагружения, может привести к резкому скачкуАЭК и активности АЭ, что отразится на точности оценкидиагностических параметров. Поэтому не следует чрезмер$но завышать нижний порог дискриминации аппаратурыАЭ, а в случае сильных шумов или слабости полезных сиг$налов АЭ точность оценки прочности будет невысокой.Рассмотрим влияние нестабильности АЭК на вид времен$ных зависимостей числа импульсов N�(t) АЭ. Для этогоиспользуем физический смысл АЭК и графический смыслпроизводных.

При переменном во времени t значении АЭК модельвременных зависимостей числа импульсов АЭ, ее первойи второй производных принимает вид

�

� �

� �

�� 2 2

( ) ( ) ( );

( )/ ( ) ( ) ( ) ( ) ( );

( )/ ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( ),

AE

AE AE

AE AE AE

N t k t C tdN t dt N t k t C t k t C t

d N t dt N t k t C t k t C t k t C t


где С(t) — концентрация микротрещин в материале. Аб$солютные значения входящих в данные уравнения пара$метров kAE(t), C(t), � ( ),AEk t C�(t), �� ( ),AEk t C�(t) не могут бытьопределены, однако из физических соображений ясно, чтоkAE(t) 3 0, C(t) 3 0, C�(t) 3 0.

При �� ( ) 0N t кривая N�(t) изогнута выпуклостьювниз, что соответствует росту активности АЭ. Рост активно$сти должен наблюдаться при �� ( ) 0,AEk t � �( ) 0,AEk t C�(t) � 0.При стабильных порогах дискриминации аппаратуры си$туация �� ( ) 0AEk t возможна, если начинает расти средняяамплитуда сигнала АЭ и определенным образом меняетсявид амплитудного распределения: равновероятностноераспределение переходит в экспоненциальное, степенноеили в распределение с максимумом, что свидетельствует оразвитии дефекта или росте трещины, состояние конструк$ции должно быть признано опасным. Ситуация � �( ) 0AEk tэкспериментально наблюдается при росте средней ампли$туды сигналов АЭ, который происходит при росте напря$жений в контролируемом объеме материала. Особенно ве$лико значение � ( )AEk t может быть при малых амплитудахв начале регистрации. Если рост напряжений происходитиз$за роста внешней нагрузки и не связан с ростом трещи$ны, то увеличение АЭК не является признаком опасностисостояния. Если же � �( ) 0AEk t при постоянной нагрузке,то это свидетельствует о росте трещины, состояние конст$рукции должно быть признано опасным. Анализ ситуа$ции с C�(t) � 0 также проведем раздельно для постояннойнагрузки и для равномерного нагружения с постояннойскоростью. При постоянной нагрузке, когда номинальныенапряжения постоянны, рост концентрации микротре$щин C в материале может быть либо затухающим (C�(t) � 0,кинетически неоднородное разрушение), либо постоян$ным (C�(t) = 0, кинетически однородное разрушение, ко$торое наблюдается, как правило, при наличии непрогрес$сирующего концентратора напряжений). Таким образом,ситуация C�(t) � 0 возможна только при росте напряже$ний в контролируемом объеме, что при нагружении по$стоянной нагрузкой свидетельствует о росте трещиныили прогрессировании дефекта, состояние конструкции


должно быть принято аварийным. При нагружении с по$стоянной скоростью ситуация C�(t) � 0, а значит, и �� ( ) 0,N tинтерпретируется не так однозначно и может свидетельст$вовать:� о развитии дефекта при d2lnC(t)/dt2 � 0;� о присутствии непрогрессирующего концентратора

при d2lnC(t)/dt2 2 0;� о кинетически неоднородном разрушении и отсутст$

вии существенной концентрации напряжений приd2lnC(t)/dt2 4 0.При �� ( ) 0N t кривая N�(t) изогнута выпуклостью

вверх. Достаточным для этого является выполнение ус$ловий �� ( ) 0,AEk t � �( ) 0,AEk t C�(t) 4 0. Ситуация �� ( ) 0AEk tвозможна при уменьшении во время испытаний среднейамплитуды сигнала АЭ и наличии амплитудного распре$деления сигналов, не содержащего максимума, а такжепри росте средней амплитуды сигнала и содержащем мак$симум амплитудном распределении. Рост средней ампли$туды сигнала противоречит условию � �( ) 0,AEk t поэтомуего не рассматриваем. Само условие � �( ) 0AEk t означаетуменьшение доли регистрируемых сигналов из$за выходаих амплитуд за регистрируемый диапазон или временно$го перекрытия сигналов. Это уменьшение может сопрово$ждаться либо уменьшением средней амплитуды сигнала,которое наблюдается при уменьшении скорости нагруже$ния (контролируется показателями нагрузки), либо уве$личением средней амплитуды и ростом коэффициентаперекрытия сигналов при увеличении скорости нагруже$ния. Поскольку верхний порог дискриминации Uв, какправило, достаточно высок, а рост коэффициента перекры$тия противоречит условию C�(t) � 0, уменьшение АЭК бу$дем связывать только с уменьшением средней амплитудысигнала. Ситуация C�(t) � 0 как при постоянной нагрузке,так и при равномерном нагружении соответствует стадиикинетически неоднородного разрушения и свидетельству$ет об отсутствии опасного дефекта, состояние конструк$ции является работоспособным.

Таким образом, если регистрируемая при выдержкепод постоянной нагрузкой временна ´я зависимость числа


импульсов АЭ имеет форму кривой с выпуклостью вниз

�� ( ( ) 0),N t то состояние диагностируемой конструкциитолько по этому признаку должно быть признано опасным.Амплитудный анализ здесь не обязателен. Если регистри$руемая при постоянной нагрузке или при равномерномнагружении объекта временна ´я зависимость числа им$пульсов АЭ имеет форму кривой с выпуклостью вверх

�� ( ( ) 0),N t то состояние диагностируемой конструкциитолько по этому признаку должно быть признано не опас$ным, амплитудный анализ здесь также не обязателен. Вовсех остальных случаях АЭ$контроля, при которых наблю$дается изменение средней амплитуды сигнала и вариациязначений АЭК, число регистрируемых импульсов и еговременна´я зависимость недостаточно информативны, длядиагностики состояния требуется дополнительный анализамплитудного распределения. Этот вывод согласуется сидеологией ведущих АЭ$технологий контроля и, в част$ности, с системой классификации источников АЭ в техно$логии MONPAC.

3.3.2.5. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯАКУСТИКО$ЭМИССИОННАЯ СИСТЕМАИ МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ

Для регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ)и обработки информации, полученной от объекта контро$ля, используются различные измерительные акустико$эмиссионные системы (ИАЭС). Блок$схема системы изо$бражена на рис. 48. Регистрация акустической эмиссиипроисходит следующим образом: акустические волны рас$пространяются от источника к датчику (одному или не$скольким), где они преобразуются в электрические сиг$налы и далее через аналого$цифровой преобразователь(АЦП) обрабатываются средствами вычислительной тех$ники. Кратко опишем структуру информационной систе$мы. На данный момент в ней выделяются три модуля.Первый модуль предназначен для получения потока им$пульсов с выхода платы АЦП в практически реальном вре$мени. В нем задаются характеристики работы платы АЦПи базовые параметры ожидаемого импульсного потока —


нулевой уровень сигнала, величина минимального откло$нения. Второй модуль служит для анализа потока импуль$сов и предназначен для работы как с данными, поступаю$щими в реальном времени, так и с сохраненными данны$ми (режим постобработки). В этом модуле происходитвыделение из импульсного потока отдельных сигналовакустической эмиссии и расчет их базовых характеристик.Выделение сигналов акустической эмиссии производитсяс учетом «зоны молчания» — статистического критерия,позволяющего определять принадлежность последова$тельных импульсов к одному событию акустической эмис$сии. Этот критерий рассчитывается для конкретного ма$териала и условий нагружения заранее. В системе такжепредусмотрена возможность для расчета этого критерияпо заранее сохраненным сигналам акустической эмиссии.Дельнейшие разработки в этом модуле заключаются в рас$ширении пространства признаков за счет расчета допол$нительных коэффициентов как отдельных импульсов, таки всего импульсного потока в целом. Полученные во вто$ром модуле данные используются как для отображенияграфической информации пользователю, так и в качествевходных данных для третьего модуля, осуществляющего

Рис. 48Блок$схема измерительнойсистемы (а) и конструкция

датчика АЭ (б):а: 1 — образец; 2 — датчик АЭ;3 — предварительный усилитель;4 — основной усилитель; 5 — блокобработки сигналов; 6 — анализа$тор импульсов; 7 — принтер; 8 —ЭВМ; б: 1 — активный элемент;2 — корпус; 3 — разъем; 4 — изо$ляционные прокладки; 5 — упру$гая шайба; 6 — плато эмиттерно$го повторителя.

а

б


экспертную оценку обрабатываемого акустического про$цесса. Экспертная оценка строится на основе набора пра$вил, описывающих соотношения характеристик. Пред$полагается использование в экспертном модуле класси$фицирующих нейронных сетей на основе расширенногопространства признаков. Также в информационной сис$теме реализована возможность импорта полученных дан$ных во внешние программы для дальнейшего анализасредствами стандартных математических пакетов.

Возникающие микротрещины при образовании излу$чают ультразвуковые волны, которые имеют форму зату$хающей синусоиды (рис. 49а). Такая волна доходит до дат$чика АЭ, представляющего собой пьезокерамическую таб$летку цирконата$титонатасвинца ЦТС$19, помещеннуюв латунный корпус (рис. 48б),и преобразуется в электриче$ский сигнал. Преобразованиеупругой волны в электриче$ский сигнал осуществляетсяза счет пьезометрического эф$фекта, заключающегося в по$явлении электрических заря$дов противоположных знаков на гранях пьезокристалловпри их механическом деформировании. Для улучшенияакустического контакта датчика с образцом он предвари$тельно должен смазываться маслом. С датчика сигнал по$ступает на предварительный усилитель 3, функция ко$торого заключается в согласовании высокого выходногосопротивления датчика с кабелем связи, а также в пред$варительном усилении с целью улучшения соотношения«сигнал — шум».

После дополнительного усиления основным усилите$лем сигнал поступает в блок обработки сигналов (БОС) 5,где из сигнала сложной формы выделяется сигнал, ампли$туда которого пропорциональна максимальной амплиту$де огибающей сигнала (рис. 49б). После окончания работывсю накопленную информацию можно наблюдать на эк$ране 7. Программная обработка информации позволяла

Рис. 49К пояснению принципаобработки сигналов АЭ


построить зависимость числа N� импульсов АЭ от време$ни и определить параметры этой зависимости.

При помощи двухканальных измерений в образце мо$гут быть определены координаты образующихся микро$трещин. Рабочий частотный диапазон регистрируемыхсигналов составлял 20...1000 кГц, эффективное значениенапряжений собственных шумов усилительного тракта,приведенное к входу предварительного усилителя, — неболее 5 мкВ, точность определения времени прихода сиг$нала АЭ — 0,8 мкс, программируемый коэффициентусиления основного усилителя задавался в пределах 20...40 дБ, предварительное усиление — 34 дБ, диапазон изме$рения максимальной амплитуды сигнала — 20...134 дБ сточностью 51 дБ, максимальное количество регистрируе$мых каждым каналом за одну секунду сигналов АЭ —1500. Нижний уровень порога дискриминации системыопределялся необходимостью устранения электромагнит$ных помех и составлял 47 дБ на каждом канале, времяблокировки составляло 48 000 мкс, что позволяло регист$рировать микротрещины размером более 100 мкм. Упру$гая волна регистрировалась пьезоэлектрическими прием$никами АЭ, сигналы из которых усиливались предвари$тельным усилителем и поступали на блок анализа. Отсюдаряд цифровых параметров, характеризующих поступаю$щие из предварительного усилителя сигналы, передавалисьпо интерфейсу CAN2.OB в компьютере. Активный элементприемников АЭ с частотным диапазоном 20...200 кГц из$готавливался из пьезокерамики ЦТС$19.

Блок$схема двухканальной измерительной системыизображена на рис. 50. Принцип ее работы заключался вследующем (рис. 51). Упругая волна, распространяющая$ся от источника АЭ, последовательно возбуждает распо$ложенные на поверхности образца пьезопреобразователи.Сигнал, возникающий на преобразователях при каждомакте излучения, проходит через усилители и поступает вблоки 4, 5 обработки и управления сигналов, к функциямкоторых при этом добавляется операция измерения вре$менных интервалов между сигналами, воспринятыми ка$ждым из каналов в отдельности.


Сигнал, воспринимаемый системой первым, запуска$ет временной отсчет в другом канале, который продол$жается до тех пор, пока на него не придет этот же сигнал.Если за время максимально возможного ожидания t = B/v,определяемого наибольшим расстоянием В между преоб$разователями и скоростью v распространения звука, хотя

Рис. 50Блок$схема двухканальнойизмерительной системы АЭ:

1 — датчики АЭ; 2 — предварительныеусилители; 3 — блоки регулирования уси$ления; 4 — блок обработки сигналов АЭ;5 — блоки управления; 6 — компьютер;7 — вход внешнего параметра.

Рис. 51Принцип определения координаты источника АЭ:

1 — преобразователь АЭ (приемник 1); 2 — преобразователь АЭ (приемник 2); 3 —центральный блок сбора и обработки на базе индустриального компьютера; 4 —объект контроля; t1 — время прихода сигнала на первый приемник; t2 — времяприхода сигнала на второй приемник.


бы один из оставшихся сигналов группы не придет, про$изводится общий сброс временно ´го отсчета и сигнал нерегистрируется. В противном случае по разности временприхода сигнала АЭ на датчики различных каналов припомощи компьютера определяется координата источни$ка АЭ.

По зарегистрированному времени прихода сигнала ti

на i$й приемник (датчик) системой определяется разностьвремени прихода Т (Т = t2 – t1) на разнесенные преемники.Затем по известной скорости звука в материале и извест$ным координатам приемников программой вычисляютсякоординаты источника (дефекта). Схемы расположениядатчиков могут быть различными (рис. 52). Программноеобеспечение (ПО) измерительной акустико$эмиссионнойсистемы разделено на четыре взаимодействующие междусобой части. Это обусловлено как конструктивными осо$бенностями системы, так и условиями, накладываемымиоперационной системой на функционирование программ$ного обеспечения.

Схема обработки информационного потока, поступаю$щего от предусилителей датчиков, регистрирующих сиг$налы АЭ, изображена на рис. 53а. Аналоговая информа$ция 1, поступающая в основной модуль прибора от преду$силителей, обрабатывается программой 2, загруженной вофлеш$память этого модуля. Эта программа преобразуетаналоговую информацию в цифровой поток 3, который по$

Рис. 52Локация источников сигнала АЭ на поверхности


ступает в компьютер по высокоскоростной линии связи.Этот канал связи предоставляет возможность обмена ин$формацией со скоростью до 1 Мбит/с. Работа с каналом обес$печивается полностью программируемым контроллеромМ167$1, встроенным в компьютер. Данная плата, спроек$тированная на базе 16$разрядных микроконтроллеров фир$мы Siemens (Infineon) C167 и STMicroelectronics (Thomson)ST10R167, предназначена для построения промышленныхцифровых систем реального времени. Взаимодействие при$кладной программы с контроллером обеспечивает драй$вер 4 этого устройства. Он представляет собой программу,обладающую набором функций для изменения настроекконтроллера и получения приходящих по каналу данных.Результаты 5, возвращаемые драйвером, обрабатываютсяприкладной программой 6 в реальном времени. После окон$чания испытаний программа создает выходные файлы, вкоторых сохраняется вся информация 7, полученная отосновного модуля системы. Эти файлы используются длядальнейшей обработки с помощью программ, реализую$щих альтернативные методы анализа 8. Выходные дан$ные 9 этих программ сохраняются в файлах 10, исполь$зуемых в дальнейшем для построения отчетов.

Диаграмма взаимодействия описанных выше частейпрограммного обеспечения изображена на рис. 53б. Рас$смотрим механизм взаимодействия частей ПО более по$дробно. Программа предварительной обработки 2, физи$

Рис. 53Схема обработки информационного потока (а)

и диаграмма взаимодействия частей ПО (б)


чески размещенная в памяти основного модуля (блока ана$лиза) измерительной системы, передает цифровую инфор$мацию в компьютер, взаимодействуя, таким образом, сдрайвером 4. Программа 2, в свою очередь, может настраи$ваться прикладной программой 6, используя драйвер 4как промежуточный программный слой при передаче ко$манд. Взаимодействие драйвера и прикладной програм$мы осуществляется при возвращении в прикладную про$грамму 6 информации от контроллера.

Прямое взаимодействие прикладной программы 6 ипрограмм постобработки 8 не предусмотрено. Возмож$на только передача данных в одном направлении черезпромежуточный файл. Программа 2 реализует основнуюфункциональность блока анализа системы на основаниипервичных измеряемых параметров АЭ: время приходасигнала АЭ с начала испытания; время нарастания сигна$ла АЭ; длительность сигнала АЭ; число выбросов сигналаАЭ; амплитуда импульса АЭ; энергия импульса АЭ. Про$грамма определяет: момент регистрации сигнала с точно$стью 0,8 мкс; момент окончания сигнала АЭ с точностью0,8 мкс; момент максимума огибающей сигнала АЭ с точ$ностью 0,8 мкс; максимальную амплитуду огибающейсигнала АЭ с точностью 2%; выделяет огибающую сиг$нала; осуществляет фильтрацию сигнала АЭ от низко$частотных помех, вызванных вибрацией контролируемо$го объекта при работе. Драйвер программируемого кон$троллера М167$1 позволяет изменять отдельно для каждогоканала такие параметры системы, как коэффициент пере$дачи (дБ), уровень порога дискриминации (дБ), время бло$кировки канала (мкс).

Прикладная часть программного обеспечения 6, 8 сис$темы служит для сохранения и визуализации полученныхот блока анализа результатов. Программа 6 представляетсобой средство, предназначенное для работы в режиме ре$ального времени. Основными функциями этой программыявляются: удобная настройка прибора; сбор и сохранениеАЭ$информации, полученной от блока анализа системы;числовое представление на экране полученных данных; по$строение графиков зависимостей различных регистрируе$


мых и расчетных характеристик; определение линейнойкоординаты источника сигнала.

Во время испытания в реальном масштабе временистроятся графики, количество и отображаемые зависимо$сти которых легко настраиваются. Графики можно про$смотреть, переключая страницы. Все результаты работыпрограммы сохраняются в файлах различных форматов,таких как файл данных ASCII, файл данных Excel, бинар$ный файл данных. Получаемая информация выводится наэкран монитора и печать в цифровом виде (табл. 3) и при$емлема для дальнейшей компьютерной обработки прилюбом режиме нагружения и для любого объекта контро$ля. После завершения работы программы 6 полученныефайлы с данными можно обрабатывать другими програм$мами 8, такими как, например, MS Excel. Это позволяетприменять альтернативные методики обработки, не преду$смотренные программой 6.

Контроль процесса разрушения проводят на образцах ипромышленных объектах. Используемые при проведениилабораторных занятий образцы представляли собой сварен$ные встык и внахлест стальные пластины, выполненныеиз листового проката, материал пластин — Ст3пс, сваркаручная электродами Э46А марки УОНИ$13/45Ф$4,0$УДГОСТ 9466$75, ГОСТ 9467$75, ТУ1272$014$11142306$97и автоматическая, выполненная в среде углекислого газас применением проволоки СВ$08Г2С. На нагружающем

� � � � � � � � � ��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

! � ��

� ��

"� ��#$

��#��

% ��

&'��

��

�


устройстве проводилось нагружение образцов в режиме ди$агностического нагружения сосудов давления, в процессекоторых регистрировались сигналы АЭ.

Типовыми промышленными объектами АЭ$контроляявляются сосуды давления, трубопроводы, металлокон$струкции подъемно$транспортных машин. Подробноеописание результатов их АЭ$испытаний будет представ$лено в главе 4.

3.4. ВИХРЕВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

3.4.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫИ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯМЕТОДА ВИХРЕВЫХ ТОКОВ

Вихревые методы контроля основаны на анализе из$менения в месте дефекта поля вихревых токов (в диапа$зоне от 10 Гц до 6 МГц), наводимых в электропроводя$щем объекте электромагнитным полем преобразователя(рис. 54). Интенсивность и распределение вихревых то$ков в объекте зависит от его геометрических размеров,электромагнитных параметров и от взаимного расположе$ния преобразователей и объекта. Это позволяет осуществ$лять многопараметровый контроль.

Рис. 54Функциональная схема вихретокового метода

неразрушающего контроля


Метод применим только для контроля объектов, хотябы частично состоящих из электропроводящих материа$лов. По характеру взаимодействия внешнего электромаг$нитного поля с полем, наведенным в объекте контроля,метод может быть разделен на метод прошедшего и методотраженного поля. Метод предусматривает измерение приразных настройках измерительной схемы двух условныхвеличин U и С, отражающих изменение параметров ка$тушки преобразователя за счет изменения электросопро$тивления и магнитной проницаемости поверхностногослоя на участках расположения дефектов. Измерительнаясхема (рис. 55а) представляет собой схему параллельногоколебательного контура, образованного индуктивностьюкатушки преобразователя L1, магазином емкостей С и ак$тивным сопротивлением контура R1. Контур питается то$ком I от высокочастотного генератора Е через добавочныйрезистор Rq таким образом, что схема работает в режимепостоянства величины тока I. Условно участок поверхно$стного слоя, в котором циркулируют вихревые токи, изо$бражен контуром с эквивалентной индуктивностью L2 иактивным сопротивлением R. Между катушкой преобра$зователя и участком детали существует электромагнитнаясвязь М. Резонансная кривая измерительного контурапоказана на рис. 55б. Схема предусматривает резонансныйрежим работы, а также режим работы на склоне левой(точка А) и правой (точка Б) ветвей резонансной кривой.Определение изменений параметров катушки преобразо$вателя за счет дефектов производится путем измерения

Рис. 55Измерительная схема (а) и резонансная кривая (б)

измерительного колебательного контура

а б


на данной испытательной частоте напряжения на катуш$ке и емкости параллельного колебательного контура, вкоторый включена катушка. С целью увеличения чувст$вительности не изменяющуюся за счет дефектов часть на$пряжения на катушке отсекают напряжением Еk, а остав$шуюся часть усиливают. Емкость контура разделяют напостоянную и переменную части. Усиленную часть напря$жения U и переменную часть емкости С измеряют в услов$ных единицах.

Аналитическое рассмотрение этой схемы на основе тео$рии связанных контуров приводит к сложным формулам,которые в практике контроля нельзя использовать, таккак в местах расположения дефектов магнитная прони$цаемость и удельное сопротивление изменяются по неиз$вестным законам. Однако во многих случаях контроляэкспериментальным путем можно установить, что припрочих равных условиях с увеличением удельного сопро$тивления поверхностного слоя резонансное напряжение Uвозрастает, а с увеличением магнитной проницаемостирезонансная емкость С уменьшается. При проведении ис$пытаний на величины U и С могут оказать влияние ме$шающие факторы: случайное поднятие датчика, неиден$тичность его ориентации, приближение датчика к краюили выступу детали, изменение чистоты поверхности, ко$лебание размеров детали в пределах допусков.

Плотность вихревых токов в объекте зависит от гео$метрических и электромагнитных параметров объекта, атакже от взаимного расположения измерительного вих$ретокового преобразователя и объекта. В качестве преоб$разователя используют обычно индуктивные катушки.Синусоидальный или импульсный ток, действующий вкатушках, создает электромагнитное поле, которое воз$буждает вихревые токи в электропроводящем объекте.Электромагнитное поле вихревых токов воздействует накатушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изме$няя их полное электрическое сопротивление. Регистри$руя напряжение на зажимах катушки или сопротивление,получают информацию о свойствах объекта и о положе$нии преобразователя относительно него.


Как ЭДС, так и сопротивление преобразователя зависятот многих параметров объекта контроля, что определяеттрудности реализации вихретоковых методов: требуютсяспециальные приемы для разделения информации об отдель$ных параметрах объекта. При контроле одного из парамет$ров влияние остальных на сигнал преобразователя служитисточником помех. Применяется разностная или сравни$тельная расшифровка; для каждого контролируемого пара$метра или типа дефекта требуется эталонный образец.

Вихретоковый контроль проводится без контакта пре$образователя и объекта, их взаимодействие обычно проис$ходит на расстояниях, достаточных для свободного движе$ния преобразователя относительно объекта (до несколькихмиллиметров). Поэтому контроль дает хорошие результа$ты даже при высоких скоростях движения объекта.

На сигналы преобразователя практически не влияютвлажность, давление и загрязненность газовой среды, ра$диоактивные излучения, загрязнение поверхности объек$та контроля непроводящими веществами. Преобразовате$ли отличаются простотой конструкции и устойчивы к ме$ханическим и атмосферным воздействиям, могут работатьв агрессивных средах в широком интервале температур идавлений.

Несмотря на ограничения по электропроводимости,вихревой контроль применяется для дефектоскопии, опре$деления размеров и структуроскопии различных материа$лов и изделий.

Вихретоковую дефектоскопию применяют:� для обнаружения поверхностных дефектов — трещин,

раковин, волосовин глубиной более 0,1 мм на метал$лических изделиях (трубах, прутках, листах и др.), атакже для обнаружения более грубых подповерхност$ных дефектов, расположенных на глубине до 8...10 мм;

� для измерения размеров и метрологии толщины сте$нок и толщины покрытий;

� для определения физико$механических свойств;� для определения компонентного и химического состава;� для определения динамических характеристик и влия$

ния термообработки.


Вихретоковый контроль размеров применяют для из$мерения:� диаметра проволоки, прутков и труб;� толщины металлических листов и стенок труб при од$

ностороннем доступе к объекту;� толщины электропроводящих (например, гальваниче$

ских) и диэлектрических (например, лакокрасочных)покрытий на электропроводящих основаниях;

� толщины слоев многослойных структур, содержащихэлектропроводящие слои.Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от

микрометров до десятков миллиметров. Погрешность из$мерения обычно составляет 2...5%. Вихревой контрольпозволяет измерять зазоры, перемещения и вибрации вмашинах и механизмах.

Электрические и магнитные характеристики металлови сплавов связаны со структурным состоянием, что позво$ляет применять вихревые методы для контроля этого со$стояния, а также определять механические напряжения.Примером использования служит сортировка металличе$ских материалов и графитов по маркам, контроль качест$ва термической и химико$термической обработки, меха$нической обработки (шлифование, наклеп), обнаружениеостаточных механических напряжений, выявление уста$лостных трещин в металлах на ранних стадиях их разви$

Рис. 56Связь параметров колебательного контура и повреждаемости образца


тия. Вихретоковыми методами определяют поверхностныедефекты валков, что позволяет одновременно выявлятьповерхностные трещины, а также структурные измененияи изменения твердости непосредственно во время процессаобработки шлифованием. На рис. 56 показаны зависимо$сти величины напряжений UP от числа N циклов нагру$жения поверхностных слоев образцов$колец стали ШХ 15при контактных нагружениях при различных частотах ка$тушки преобразователя (рис. 56а) и от глубины проникно$вения � вихревых токов при контактной нагрузке 2800 МПаи различном числе нагружений N (рис. 56б). Эти зависи$мости связывались с зависимостями роста концентрацииусталостных повреждений.

3.4.2. КЛАССИФИКАЦИЯПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

По рабочему положению относительно объекта контро$ля преобразователи делят на проходные, накладные и ком$бинированные.

Накладные преобразователи обычно представляют со$бой одну или несколько катушек, к торцам которых под$водится поверхность объекта. Катушки таких преобразо$вателей могут быть круглыми коаксиальными, прямо$угольными, прямоугольными крестообразными, с взаимноперпендикулярными осями и др.

Накладные преобразователи выполняют с ферромаг$нитными сердечниками или без них. Благодаря ферромаг$нитному сердечнику (обычно ферритовому) несколько по$вышается абсолютная чувствительность преобразователяи уменьшается зона контроля за счет локализации маг$нитного потока.

Проходные преобразователи делят на наружные, внут$ренние, погружные. Отличительная особенность проход$ных преобразователей в том, что в процессе контроля онипроходят либо снаружи объекта, охватывая его (наруж$ные), либо внутри объекта (внутренние), либо погружа$ются в жидкий объект (погружные). Обычно проходныепреобразователи имеют однородное магнитное поле в зонеконтроля, в результате чего радиальные смещения одно$


родного объекта контроля не влияют на выходной сигналпреобразователя. Для этого длина Lв возбуждающей об$мотки должна не менее чем в 3...4 раза превышать ее диа$метр Dв, а длина Lи измерительной обмотки, размещеннойв середине возбуждающей обмотки, должна быть значи$тельно меньше длины последней.

Комбинированные преобразователи представляют со$бой комбинацию накладных и проходных преобразовате$лей. К этому типу относятся также преобразователи в виделинейно$протяженных рамок, которые можно условноназвать линейными.

Особую разновидность представляют собой экранныепреобразователи, отличающиеся тем, что их возбуждаю$щие и измерительные обмотки разделены контролируе$мым объектом. Различают накладные экранные и проход$ные экранные преобразователи.

По виду преобразования параметров объекта в выход$ной сигнал преобразователи делят на трансформаторныеи параметрические. В трансформаторных преобразова$телях, имеющих как минимум две обмотки (возбуждаю$щую и измерительную), параметры объекта контроля пре$образуются в напряжение измерительной обмотки, а в па)раметрических преобразователях, обычно имеющих однуобмотку, — в комплексное сопротивление. Преимуществомпараметрических преобразователей является простота, не$достатком — сильно выраженная зависимость выходногосигнала от температуры преобразователя.

В зависимости от способа соединения обмоток разли$чают абсолютные и дифференциальные преобразователи.

Выходной сигнал абсолютного преобразователя опре$деляется абсолютным значением параметров объекта, адифференциального — приращениями этих параметров.Выходной сигнал дифференциального преобразователязависит и от абсолютных значений параметров объекта,но при малых приращениях этих параметров можно счи$тать, что он определяется только приращениями.

Накладными преобразователями контролируют в ос$новном объекты с плоскими поверхностями и объектысложной формы. Эти преобразователи применяют также,


когда требуется обеспечить локальности и высокую чувст$вительность контроля. Наружными проходными преобра$зователями контролируют линейно$протяженные объекты(проволоку, прутки, трубы и т. д.); они применяются так$же при массовом контроле мелких изделий. Внутреннимипроходными преобразователями контролируются внутрен$ние поверхности труб, а также стенки отверстий в различ$ных деталях. Проходные преобразователи дают интеграль$ную оценку контролируемых параметров по периметруобъекта, поэтому они обладают меньшей чувствительно$стью к локальным вариациям его свойств.

Погружные преобразователи применяют для контро$ля жидких сред, экранные накладные — для контролялистов, фольги, тонких пленок, экранные проходные —для контроля труб.

С помощью дифференциальных преобразователей «са$мосравнения» можно резко повысить отношение «сигнал —помеха» в дефектоскопии. При этом обмотки преобразова$теля размещают так, чтобы их сигналы исходили от близкорасположенных участков контроля одного объекта. Это по$зволяет уменьшить влияние плавных изменений электро$физических и геометрических параметров объектов. Прииспользовании проходных преобразователей с однородныммагнитным полем в зоне контроля значительно уменьшает$ся влияние радиальных перемещений объекта. При приме$нении экранных накладных преобразователей практическиисключается влияние радиальных перемещений объекта.Применение экранных накладных преобразователей позво$ляет практически исключить влияние смещений объектамежду возбуждающей и измерительной обмотками. Преоб$разователи с взаимно перпендикулярными осями обмотокнечувствительны к изменению электрофизических харак$теристик однородных объектов. При нарушении однород$ности объекта, например при появлении трещин, на выхо$де такого преобразователя возникает сигнал. Аналогичноработают и комбинированные преобразователи. Они такжемогут использоваться для дефектоскопии. Их недостаток —сильное влияние перекосов осей преобразователей относи$тельно поверхности объектов контроля.


3.4.3. АМПЛИТУДНЫЙ, ФАЗОВЫЙ,АМПЛИТУДНО"ФАЗОВЫЙИ СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Сигналы преобразователей (изменение напряженияили сопротивления) имеют комплексный характер, учи$тываемый с помощью диаграмм в комплексных плоско$стях напряжений U или сопротивлений Z. Таким образом,при контроле объектов из линейных материалов на однойчастоте сигнал имеет два параметра (амплитуду и фазу U;действительную и мнимую составляющую U или Z; модульи аргумент Z). Это позволяет реализовать двухпараметро$вый контроль, если влияние параметров объекта на пара$метры сигнала различно.

При двухпараметровом контроле в качестве носителяинформации может быть использована либо амплитуданапряжения преобразователя, либо его фаза, либо проек$ция вектора приращения напряжения на выбранное в ком$плексной плоскости направление, либо одна из составляю$щих (действительная или мнимая) комплексного напря$жения, либо их комбинация.

Амплитудный способ двухпараметрового контроля це$лесообразно применять, когда годографы вносимого в пре$образователь напряжения близки к дугам концентриче$ских окружностей.

На основе фазового метода контроля реализуется фа$зовый способ подавления влияния вариации диаметра (за$зора). Фазовый способ оказывается эффективным при из$мерении накладным экранным преобразователем толщи$ны неферромагнитных листов.

3.4.4. МЕТОДЫ ВЫСШИХ ГАРМОНИКИ МОДУЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА

Возможность применения спектрального анализа сиг$налов преобразователя определяется тем, что в процессевоздействия монохроматического электромагнитного поляна объект в сигналах преобразователя появляются состав$ляющие частот, отличающиеся от частоты первой гармо$ники генератора. Это может происходить за счет проявле$ния нелинейных свойств материала изделия или за счет


изменения во времени каких$либо факторов контроля.В первом случае возникают кратные гармоники основнойчастоты, которые несут дополнительную информацию освойствах объекта. Метод, основанный на анализе пара$метров кратных гармонических составляющих, называ$ется методом высших гармоник. Он получил применениепри контроле ферромагнитных материалов. Метод, осно$ванный на обработке спектра модуляционных колебаний,называют модуляционным.

Метод высших гармоник основан на возбуждении си$нусоидального магнитного поля с большой амплитудойнапряженности для проявления нелинейных свойств ма$териала и включает последующий анализ высших гармо$ник. Специфичная особенность метода высших гармониксостоит в необходимости выделения отдельных гармоник,для чего применяют различные фильтры и измерительныеусилители. Обычно анализируется амплитуда или ампли$туда и фаза третьей (реже пятой) гармоники. Устройства,в которых реализуется метод высших гармоник, сложны.Помимо этого, повышенные требования предъявляютсяи к блокам. Так, необходима повышенная стабильностьчастоты, амплитуды и формы кривой тока возбуждения.Более стабильными должны быть амплитудные и фазо$вые характеристики преобразовательных блоков.

Основная область применения метода высших гармо$ник — контроль электромагнитных свойств ферромагнит$ных объектов и на этой основе контроль некоторых физи$ко$химических свойств, однозначно связанных с электро$магнитными.

Модуляционный метод обычно используют в дефек$тоскопии для оценки пространственного распределениясвойств объекта. Если преобразователь и объект взаим$но перемещаются, то изменения свойств объекта, распре$деленные в пространстве, преобразуются в изменениясигнала во времени. На этом основано действие прибо$ров для контроля модуляционным методом протяженныхобъектов (листов, прутков, проволоки и т. д.). Получен$ный от преобразователя сигнал усиливается и детектиру$ется, а затем анализируется огибающая высокочастотных


колебаний. Возможность раздельного контроля различ$ных факторов определяется различием формы импуль$сов сигналов, что приводит к появлению соответствую$щих вариаций в их спектре.

Сигналы обрабатываются с помощью специальных уст$ройств, анализирующих спектр огибающей, длительностьимпульсов разного уровня на заданном интервале време$ни, последовательность их появления. В общем случае дляанализа могут быть применены методы теории помехо$устойчивости, а за основу приняты статистические дан$ные о сигналах и помехах. Метод широко используется вдефектоскопах с проходными и накладными преобразо$вателями.

Для разделения информации о нескольких (более двух)параметрах неподвижного относительно преобразователяобъекта из материала с постоянными свойствами необхо$димо воздействовать на объект магнитными полями не$скольких частот либо использовать накладные преобра$зователи различного диаметра.

3.4.5. ВИХРЕВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ

При автоматизированном, высокоскоростном и бес$контактном контроле качества эффективно применяют$ся дефектоскопы с проходными преобразователями, по$зволяющие проверять в широком диапазоне типоразме$ров протяженные объекты (трубы, прутки, проволоку споперечными размерами 0,05...135 мм) и мелкие детали(шарики и ролики подшипников, иглы, метизы и т. д.).При этом производительность контроля может достигать50 м/с (для проволоки) или нескольких тысяч мелких де$талей в час. Производительность контроля труб, прутковограничивается инерционностью устройств транспортиро$вания и разбраковки и редко превышает 3 м/с.

В дефектоскопах обычно используются дифференци$альные преобразователи «самосравнения» с малой базой,с однородным и неоднородным полем в зоне контроля.Применение преобразователей с неоднородным полем обу$словлено стремлением уменьшить длину возбуждающейкатушки для сокращения общей длины преобразователя


при контроле объектов большого диаметра. При этом при$ходится принимать меры для стабилизации положения объ$екта. Для уменьшения возможных радиальных перемеще$ний объекта и поддержания коэффициента заполнения наопределенном уровне, определяющем чувствительность,дефектоскопы снабжают набором преобразователей раз$личного диаметра. При использовании преобразователейс однородным полем можно значительно уменьшить чис$ло их типоразмеров, компенсируя изменение чувствитель$ности регулированием возбуждающего тока.

Различные дефектоскопы могут работать при посто$янной или переменной скорости движения контролируе$мого объекта. Некоторые дефектоскопы могут работать ив статическом режиме (при неподвижном объекте), одна$ко этот режим не является основным и обычно использу$ется при настройке прибора. Статический режим харак$терен для структуроскопов, которые можно применять вцелях дефектоскопии. Основной параметр дефектоско$па — порог чувствительности — определяется минималь$ными размерами дефекта заданной формы, при которыхотношение «сигнал — помеха» составляет не менее двух.Порог чувствительности обычно устанавливают на калиб$рованных образцах с искусственными дефектами различ$ной формы, например в виде отверстий разного диаметраи глубины в трубах и прутках, в виде продольных рисокна проволоке и т. д. Реальный порог чувствительности за$висит от уровня помех, связанных с вариацией парамет$ров объекта, шероховатости поверхности и т. д. Порог чув$ствительности дефектоскопов с проходными преобразова$телями обычно определяется глубиной узкого длинногопродольного дефекта, выраженной в процентах от попе$речного размера (диаметра) детали.

Бесконтактность, высокое быстродействие, терпимостьк состоянию внешней поверхности объекта контроля де$лает данный метод основным при поточном контроле труби проката. Для этой цели используют дефектоскопы спроходными или с накладными вращающимися преоб$разователями. Контроль обычно осуществляется на ус$тановках или роторного типа, когда вокруг движущейся


поступательно трубы вращается измерительный модуль,или статического типа, когда труба совершает вращатель$но$поступательное движение, а измерительный модульзакреплен неподвижно. Дефектоскопы с проходными пре$образователями во всем мире контролируют практическивесь прокат при высоких скоростях контроля (до 3 м/с, ана проволочных станах — до 50 м/с).

3.5. МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Контроль основан на анализе изменения маг$нитного поля в процессе взаимодействия с контролируе$мым объектом. По первичному информативному парамет$ру выделяются пять основных методов контроля: коэрци$тивной силы, намагниченности, остаточной индукции,магнитной проницаемости и эффекта Баркгаузена. Маг$нитные методы контроля общедоступны, динамично раз$виваются, требуются минимальные теоретические знания,магнит и недорогой аэрозольный баллончик.

3.5.1. ПРИРОДА ДИА",ПАРА" И ФЕРРОМАГНЕТИЗМА

Всякое вещество является магнетиком, т. е. способнопод действием магнитного поля приобретать магнитныймомент (намагничиваться). Намагниченное вещество соз$дает магнитное поле В�, которое накладывается на обуслов$ленное токами поле B0. Оба поля в сумме дают результи$рующее поле:

B = B0 + В�.

Для объяснения намагниченности тел Ампер предпо$ложил, что в молекулах вещества циркулируют круговыетоки (молекулярные токи). Каждый такой ток обладаетмагнитным моментом и создает в окружающем простран$стве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молеку$лярные токи ориентированы беспорядочным образом, аобусловленное ими результирующее поле равно нулю. Поддействием поля магнитные моменты молекул приобрета$ют преимущественную ориентацию в одном направлении,


а магнетик — намагничивается, т. е. его суммарный маг$нитный момент становится отличным от нуля. Магнит$ные поля отдельных молекулярных токов не компенсиру$ют друг друга, и возникает поле В�.

На рис. 57 приведена петля магнитного гистерезиса —различия в значениях намагниченности В ферромагнети$ка при одной и той же напряженности Н намагничиваю$щего поля в зависимости от значения предварительнойнамагниченности ферромагнетика. В зависимости от зна$чения коэрцитивной силы ферромагнитные материалыразделяют на магнитно$мягкие (Нс < 80...800 А/м) и маг$нитно$твердые (Нс > 800...8000 А/м). Первые используютв магнитопроводах, вторые — в постоянных магнитах.Коэрцитивная сила ферромагнитного материала оченьчувствительна к изменениям его температуры и внутрен$него строения, а также к механическим деформациям, онаизмеряется коэрцитиметром.

Намагничивание магнетика характеризуется магнит$ным моментом единицы объема — намагниченностью J.Наряду с приведенными выше вводится напряженность

Рис. 57Петля магнитного гистерезиса:

1 — основная кривая намагничивания; 2 — идеальная кривая намагничивания;3, 3 — предельная петля гистерезиса; 4 — частный цикл гистерезиса; А, В, С —частные петли гистерезиса (А, В — частные петли возврата); 3 — восходящая ветвьгистерезиса; 3 — нисходящая; Вr — остаточная намагниченность; Нс — коэрци$тивная сила (напряженность магнитного поля, необходимая для устранения на$магниченности).


магнитного поля H, значение которой определяют исклю$чительно макроскопические токи:

� � ��0

.BH J

Намагниченность принято связывать с напряженно$стью магнитного поля. В каждой точке магнетика

J = 6H,

где 6 — магнитная восприимчивость, характерная для дан$ного магнетика безразмерная величина.

Наряду с магнитной восприимчивостью пользуютсямолярной воспримчивостью 6м:

6м = 6Vм,

где Vм — объем моля вещества.В зависимости от знака и величины магнитной воспри$

имчивости все магнетики подразделяются на три группы:1) диамагнетики: 6 отрицательна и мала по абсолют$

ной величине (|6м| � 10–11...10–10 м3/моль);2) парамагнетики: 6 положительна и мала по абсолют$

ной величине (|6м| � 10–10...10–9 м3/моль);3) ферромагнетики: 6 положительна и достигает боль$

ших значений (|6м| � 1 м3/моль).У диа$ и парамагнетиков 6 не зависит от H, у ферро$

магнетиков 6 является функцией напряженности магнит$ного поля.

Особый класс магнетиков образуют вещества, способ$ные обладать намагниченностью в отсутствие внешнегомагнитного поля — ферромагнетики. К ним относятсяжелезо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соеди$нения, а также некоторые сплавы и соединения марганцаи хрома с неферромагнитными элементами. Ферромагне$тизм присущ всем этим веществам только в кристалличе$ском состоянии.

Ответственными за магнитные свойства ферромагне$тиков являются собственные (спиновые) магнитные мо$менты электронов. При определенных условиях в кристал$лах могут возникать силы, которые заставляют магнит$ные моменты электронов выстраиваться параллельно друг


другу. В результате возникают области спонтанного (са$мопроизвольного) намагничивания, которые называюттакже доменами. В пределах каждого домена ферромаг$нетик спонтанно намагничен до насыщения и обладаетопределенным магнитным моментом. Направления этихмоментов для различных доменов различны, и в отсутст$вие внешнего поля суммарный момент всего тела равеннулю. Домены имеют размеры порядка 1...10 мкм. Привоздействии магнитного поля имеет место поворот магнит$ных моментов доменов в направлении поля. При этом мо$менты электронов в пределах домена поворачиваются од$новременно, без нарушения их строгой параллельностидруг другу.

Действие поля на домены на разных стадиях процессанамагничивания оказывается различным. При слабых по$лях происходит смещение границ доменов и увеличениетех доменов, моменты которых составляют с H меньшийугол. С увеличением напряженности поля этот процессприводит к поглощению всех энергетически невыгодныхдоменов. На следующей стадии имеет место поворот маг$нитных моментов доменов в направлении поля. При этоммоменты электронов в пределах домена поворачиваютсяодновременно, без нарушения их строгой параллельностидруг другу.

3.5.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫМАГНИТНЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Магнитные методы контроля основаны на исследова$нии искажения магнитного поля, возникающего в местахдефектов в изделиях из ферромагнитных материалов. Ин$дикатором могут служить магнитный порошок (магнито$порошковый метод), магнитная лента (магнитографиче$ский метод), феррозонд, индукционная катушка, датчикХолла, магниторезистор и др. Операция намагничивания(помещение изделия в магнитное поле) при этом виде кон$троля является обязательной.

Чувствительность метода магнитной дефектоскопиизависит от магнитных характеристик материалов, приме$няемых индикаторов, преобразователей, режимов намаг$


ничивания и др. Методом магнитной дефектоскопии мож$но обнаруживать макродефекты — трещины, раковины,непровары, расслоения на глубине до 10 мм с минималь$ным размером более 0,1 мм. Контроль структуры и меха$нических свойств изделий осуществляют путем установ$ления корреляционных связей между контролируемымпараметром и какой$либо одной или несколькими магнит$ными характеристиками.

Для измерения размеров магнитными методами кон$троля в основном измеряют силы отрыва или притяженияпостоянных магнитов и электромагнитов к контролируе$мому объекту. Толщину объекта рассчитывают исходя иззависимости индукции в зазоре между ферромагнитнымобъектом (магнитом) и намагниченным телом от намаг$ничивающей силы и зазора. Этот метод применяют дляконтроля толщины немагнитных и гальванических по$крытий на магнитной основе.

Наиболее распространен метод измерения толщины,заключающийся в том, что в области магнитной нейтра$лии либо непосредственно у полюсов магнита с дифферен$циальным включением размещаются магниточувствитель$ные элементы, в результате чего обеспечивается работа пре$образователя в режиме «нулевого» начального сигнала.

Достаточно широкое применение находит и индукци$онный метод толщинометрии. Метод основан на определе$нии изменения магнитного сопротивления магнитной цепи,состоящей из ферромагнитной основы (изделия), преобра$зователя и немагнитного зазора между ними. Измерениезазора дает информацию о толщине объекта. Преобразова$телем в этом случае служат возбуждающая и две индика$торные катушки, расположенные на ферромагнитном сер$дечнике, включенные по дифференциальной схеме.

Методом вихревых токов измеряют диаметр проволо$ки, прутков, труб, толщину металлических листов и сте$нок труб при одностороннем доступе к объекту, толщинуэлектропроводящих и диэлектрических покрытий (галь$ванических, лакокрасочных и др.) на электропроводя$щих основаниях, а также толщину слоя многослойныхструктур, содержащих электропроводящие слои. Диапа$


зон измеряемых толщин — от нескольких микрон до де$сятков миллиметров; относительная точность измерения —5...10%. Методы вихревых токов позволяют контролиро$вать зазоры, при этом минимальная площадь зоны кон$троля составляет 1 мм2.

Эффект Холла — возникновение поперечного электри$ческого поля в проводнике или полупроводнике с токомпри помещении его в магнитное поле. Напряженность элек$трического поля связывается с магнитной индукцией по$средством постоянной Холла, зависящей от концентрациии подвижности носителей тока, что используется при ис$следовании и неразрушающем контроле свойств металлов.

3.5.3. МАГНИТОПОРОШКОВЫЙ,МАГНИТОГРАФИЧЕСКИЙ, ФЕРРОЗОНДОВЫЙ,ИНДУКЦИОННЫЙ, МАГНИТОРЕЗИСТОРНЫЙ,С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ХОЛЛАМЕТОДЫ

Магнитопорошковый контроль состоит из следующихопераций: подготовка детали к контролю, намагничива$ние детали, нанесение на деталь магнитного порошка илисуспензии, осмотр детали, разбраковка, размагничивание.Оптимальный способ нанесения суспензии состоит в по$гружении детали в бак с хорошо перемешанной суспензи$ей. Часто суспензию наносят с помощью шланга или душас достаточно слабым напором струи. Контролер долженосмотреть деталь после стекания с нее основной массы сус$пензии, когда картина отложений порошка становитсянеизменной. Данный подход реализуется при контролеспособами приложенного поля и остаточной намагничен$ности. В первом случае суспензия стекает с детали во вре$мя ее намагничивания. Этот способ применяют, когда маг$нитные характеристики материала детали таковы, что привыключении намагничивания магнитное поле дефектауменьшается до такой степени, что не может удерживатьчастицы порошка. В случае когда при намагничиваниидеталь сильно нагревается или имеется опасность при$жогов мест соприкосновения с токовыми контактами,намагничивание можно периодически прерывать (перио$ды намагничивания 0,1...0,5 с, интервалы 1...2 с).


При контроле способом остаточной намагниченностинамагничивание, нанесение суспензии и осмотр могутбыть разделены во времени с промежутком до 1 ч. Деталипроверяют визуально, но в сомнительных случаях и длярасшифровки характера дефектов применяют оптическиеприборы. Разбраковку деталей по результатам контролядолжен производить опытный контролер. На рабочем мес$те контролера необходимо иметь фотографии дефектов илиих дефектограммы (реплики с отложениями порошка,снятые с дефектных мест с помощью клейкой ленты илидругими способами), а также контрольные образцы с ми$нимальными размерами недопустимых дефектов.

В магнитографической дефектоскопии применяютсямагнитные ленты. Двухслойные ленты состоят из немаг$нитной основы (ацетилцеллюлозы, поливинилхлорида,лавсана) и магнитно$активного слоя — порошков окисижелеза, взвешенного в лаке, обеспечивающего хорошуюадгезию с основой. В однослойных лентах магнитный по$рошок вводится непосредственно в основу (резина, поли$амидные смолы).

Пассивный индукционный преобразователь представ$ляет собой катушку (контур). В соответствии с закономэлектромагнитной индукции на концах катушки возни$кает мгновенная электродвижущая сила (ЭДС). Пассив$ный индукционный преобразователь не может быть ис$пользован для измерений постоянных и однородных по$лей. Чувствительность преобразователя можно повыситьпри использовании катушек с сердечниками, изготовлен$ными из материалов с высокой магнитной проницаемо$стью. Это позволяет уменьшить габариты индукционныхпреобразователей, однако характеристика преобразовате$ля становится нелинейной.

Феррозондовые преобразователи — устройства дляизмерения напряженности магнитного поля, действие ко$торых основано на нелинейности кривых намагничиваниясердечников из магнитных материалов. Происходящие вних процессы связаны с взаимодействием двух полей —внешнего измеряемого поля и дополнительного вспомо$гательного поля возбуждения, образуемого за счет тока,


протекающего в одной из обмоток. Простейший феррозонд(ферроэлемент) состоит из стержневого сердечника с дву$мя обмотками — возбуждения и индикаторной. С помощьюпервой обмотки создается поле возбуждения Hв(t), в сер$дечнике возникает индукция B(t), которая индуцирует маг$нитную ЭДС. Определяемая ЭДС содержит только нечет$ные гармоники. При воздействии на сердечник постоянно$го (измеряемого) поля H0 в спектре ЭДС появляются четныегармоники, которые (обычно вторая) служат для определе$ния H0. Выбором амплитуды поля возбуждения и разме$ров сердечника добиваются необходимой чувствительно$сти или необходимого диапазона измеряемых полей.

Преобразователи Холла (датчик Холла) — полупровод$никовый преобразователь силы электрического тока в на$пряжение (ЭДС Холла), действие которого основано наэффекте Холла. Работают по принципу возникновенияЭДС в результате искривления пути носителей тока в ме$таллах и полупроводниках, находящихся в магнитномполе под действием силы Лоренца.

В магниторезисторах используется эффект Гаусса, сутькоторого заключается в изменении сопротивления провод$ника или полупроводника с электрическим током при вне$сении их в магнитное поле. Магниторезисторы изготов$ляют из материалов с высокой чувствительностью к эф$фекту Гаусса; к ним относятся антимонид индия (InSb),арсенид индия (InAs), эвтетические сплавы типа InSb$NiSbи InSb$GaSb, а также германий (Ge), теллурий (HgTe), се$ленид ртути (HgSe) и др. Чувствительность по напряже$нию магниторезисторов к слабым магнитным полям мень$ше, чем у преобразователей Холла. Магниторезисторыимеют более высокий коэффициент передачи в полях синдукцией выше 0,2 Тл.

Напряжение (B) на выходе преобразователя:

� ну х ,z

RU I B

hгде Rн — постоянная Холла, Ом�м/Тл, зависит от концен$трации и подвижности носителей тока; h — толщина хол$ловской пластины, м; Iх — управляющий ток преобразо$вателя Холла, А; Bz — магнитная индукция, Тл.


3.5.4. СПОСОБЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ

Для намагничивания деталей применяют постоянный(двухполупериодный выпрямленный, трехфазный вы$прямленный), переменный, однополупериодный выпрям$ленный и импульсный токи. Дефекты оптимально обна$руживаются в случае, когда направление намагничиванияконтролируемой детали перпендикулярно направлениюдефекта. Поэтому простые детали намагничивают в двухнаправлениях, а детали сложной формы — в несколькихнаправлениях.

Для создания оптимальных условий контроля приме$няют три способа намагничивания: циркулярное, продоль$ное (или полюсное) и комбинированное. Циркулярное на$магничивание (рис. 58а) осуществляется при пропусканиитока по контролируемой детали или через проводник, по$мещенный в отверстие детали. Наиболее эффективно цир$кулярное намагничивание деталей, имеющих форму телвращения. При пропускании тока по деталям сложнойформы выступы и другие неровности могут быть не на$магничены до требуемой степени. В этих местах необхо$димо измерять напряженность намагниченного поля испециально следить, чтобы она достигла требуемой дляконтроля величины.

При циркулярном намагничивании направление маг$нитного потока перпендикулярно направлению тока, по$этому оптимально обнаруживаются дефекты, направлениекоторых совпадает с направлением тока. Одной из разно$

Рис. 58Способы намагничивания:

а, б — циркуляционное; в — продольное.

а б в


видностей циркулярного намагничивания является намаг$ничивание путем индуцирования тока в контролируемойдетали. Устройства для такого намагничивания представ$ляют собой трансформатор, вторичной обмоткой которо$го (или частью сердечника) служит контролируемая де$таль (рис. 58б).

Продольное (полюсное) намагничивание осуществля$ется с помощью электромагнитов, постоянных магнитовили соленоидов. При этом обычно деталь намагничивает$ся вдоль своего наибольшего размера. На ее краях образу$ются полюсы, создающие поле обратного направления.

Разновидностью полюсного намагничивания являет$ся поперечное намагничивание, когда деталь намагничи$вается в направлении меньшего размера.

Комбинированное намагничивание осуществляетсяпри одновременном намагничивании детали двумя илинесколькими изменяющимися магнитными полями. Приэтом можно применять любое сочетание видов тока. Прикомбинированном намагничивании необходимо, чтобысуммарный вектор намагниченности поворачивался отно$сительно оси детали хотя бы на 90�. Это достигается со$вместным применением продольного и циркулярного на$магничивания и использованием для них токов одноговида, отличающихся по фазе, или токов разного вида ссоответствующими моментами включения или измененияих величины и направления.

3.5.5. МАГНИТНЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ,ТОЛЩИНОМЕРЫ, КОЭРЦИМЕТРЫ

Магнитопорошковый дефектоскоп — устройство длявыявления нарушений сплошности в изделиях с исполь$зованием в качестве индикатора магнитных порошков.Основные узлы дефектоскопа: источники тока, устрой$ства для подвода тока к детали, устройства для полюсно$го намагничивания (соленоиды, электромагниты), уст$ройства для нанесения на контролируемую деталь маг$нитной суспензии или сухого порошка, осветительныеустройства, измерители тока или напряженности магнит$ного поля.


В дефектоскопах наиболее широкое распространениеполучили циркулярное намагничивание пропусканиемпеременного тока по детали (или через стержень, поме$щенный в отверстие детали) и продольное намагничива$ние постоянным током. В дефектоскопах используют так$же импульсные конденсаторные источники тока. В спе$циализированных дефектоскопах широко применяютиндукционный способ намагничивания.

Для магнитопорошкового контроля в основном при$меняют дефектоскопы трех видов:� стационарные универсальные;� передвижные и переносные универсальные;� специализированные (стационарные, передвижные,

переносные).Стационарные универсальные дефектоскопы исполь$

зуются на предприятиях серийного производства разно$типных деталей. Они позволяют контролировать деталиразличной конфигурации с производительностью от де$сятков до нескольких сотен деталей в час. С их помощьюможно производить намагничивание всеми способами,контроль в приложенном поле и способом остаточной на$магниченности.

Передвижные и переносные универсальные дефекто$скопы предназначены для намагничивания и контролядеталей в условиях, когда невозможно применять стацио$нарные дефектоскопы, например при намагничиваниикрупногабаритных деталей по частям, в случае работы вполевых условиях. Передвижные и переносные универ$сальные дефектоскопы позволяют производить циркуляр$ное намагничивание с помощью токовых контактов, по$мещаемых на участке детали, продольное намагничива$ние с помощью кабеля, навиваемого на деталь, или иногдас помощью электромагнита. Распространены специализи$рованные полуавтоматы для намагничивания деталей споследующим их контролем способом остаточной намаг$ниченности.

Дефектоскоп импульсный роликовый является элек$тромагнитным прибором, используемым в контрольныхоперациях в цеховых и лабораторных условиях работы.


Прибор предназначен для импульсного намагничиванияв открытой магнитной цепи соленоида относительно ко$ротких массивных изделий с малой проницаемостью фор$мы. Принцип действия прибора основан на использова$нии явления «аномальной» намагниченности тел, возни$кающего в ферромагнитных проводящих изделиях прибыстром спаде намагничивающего поля. Прибор обеспе$чивает одновременное выявление продольных и попереч$ных дефектов при одноразовом контроле их в ванне с маг$нитной суспензией.

Необходимой принадлежностью магнитопорошковыхдефектоскопов являются контрольные образцы с тонки$ми дефектами. Они помогают установить, что оборудова$ние и материалы для контроля являются качественными,а технология контроля соблюдается достаточно точно.

Магнитные толщиномеры предназначены для контро$ля толщины защитных покрытий на изделиях из ферро$магнитных материалов. Большую группу таких приборовсоставляют толщиномеры пондеромоторного действия,работа которых основана на измерении силы отрыва илипритяжения постоянных магнитов и электромагнитов кконтролируемому объекту.

На результаты измерений толщины покрытий в зна$чительной степени влияют магнитные свойства материа$ла деталей, на которые нанесено покрытие. Поэтому маг$нитные толщиномеры калибруются с помощью рабочихобразцов, изготовленных из той же стали, что и контро$лируемые детали, с покрытиями заданной толщины. Со$стояние поверхности (шероховатость) оказывает значи$тельное влияние на погрешности магнитных (в том числеиндукционных) толщиномеров. Основной недостаток при$боров этой группы — цикличность процесса измерения,связанная с необходимостью тщательного измерения силыдо момента отрыва магнита. Это обстоятельство затруд$няет автоматизирование процесса контроля.

Приборы магнитостатического типа не имеют этих не$достатков. Их действие основано на определении измене$ния напряженности магнитного поля (с помощью пре$образователей Холла, феррозондов, рамки с током и т. д.)


в цепи электромагнита при изменении расстояния междуним и ферромагнитным изделием из$за наличия немагнит$ного покрытия. На магнитостатическом действии такжеоснованы магнитные толщиномеры для измерения тол$щины изделий из ферромагнитных материалов (рис. 59).

Существует корреляция между твердостью углероди$стых и низколегированных сталей и их коэрцитивной си$лой. Существование таких зависимостей позволяет опреде$лять магнитными методами глубину закаленного и цемен$тированного слоев углеродистых сталей. Контроль проводяткоэрцитиметром (определяется коэрцитивная сила материа$ла). Для использования такой методики при контроле тре$буется предварительное определение статистических зави$симостей коэрцитивной силы и определяемого параметра,а также калибровка прибора на стандартных образцах.

Недорогие и качественные магнитные толщиномерыпокрытий серийно выпускают фирмы «АКА$контроль»,«АСК$Рентген», «Хеллинг», поставляющие также на рос$сийский рынок расходные материалы и принадлежностидля магнитопорошкового контроля. Приборы позволяютконтролировать состояние турбинных лопаток, определяявеличину и направление развития будущей трещины, на$чиная с уровня структуры материала. Существуют методи$ки оценки износостойкости объемно упрочненных изделий,использующие зависимость износостойкости сталей с мар$тенситной основой от содержания углерода, который силь$но влияет на магнитные и электромагнитные характери$стики закаленных сталей. Существуют приборы, контро$

Рис. 59Магнитная толщинометрия пленки:

1 — контролируемая пленка; 2 — магнит$но$индукционный роликовый датчик; 3 —подпружиненное крепление; 4 — блок обра$ботки; 5 — дисплей; 6 — ферритовый вал.

6


лирующие термическую, термомеханическую, химико$тер$мическую обработку, остаточные и приложенные напря$жения в сварных швах и в арматурной стали строительныхконструкций, поверхностные пластические деформации,определяющие толщину упрочненного слоя, выявляющиеповерхностные дефекты типа трещин, расслоений и т. д.(рис. 60...62).

Рис. 60Распределение поля остаточной намагниченности

с двух сторон стыка сварного соединения:а — с удовлетворительным состоянием сварного шва; б — с неудовлетворитель$ным состоянием стыка с зонами концентрации напряжений.


A A

A�A

Мкр

Зонаязвины

НР

НР

аб

Рис. 61Распределение напряженности Нр магнитного поля вдоль трубы

с дефектом (а) и в ее поперечном сечении (б)

Рис. 62Распределение напряженности Нр магнитного поля

вдоль рельса с дефектом


3.6. ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Контроль основан на анализе взаимодействиявнешнего температурного поля с объектом контроля (ак$тивный метод) или на анализе температурного поля само$го объекта (пассивный метод). По характеру взаимодей$ствия теплового поля с объектом контроля различают те$пловой контактный, конвективный и метод собственногоизлучения.

3.6.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ МЕТОДОВТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ

Температура является мерой для описания энергети$ческого состояния объектов. Закон Вина:

� ��

� ��3

/3

8 ,h kThu ec

где u� — плотность энергии излучения; � — частота излуче$ния; T — температура излучающего тела; h — постояннаяПланка; k — постоянная Больцмана; c — скорость света ввакууме.

В процессе теплообмена энергия от более нагретоготела переходит к менее нагретому до установления тепло$вого равновесия и выравнивания их температур. Это ха$рактеризует температуру как физическую величину, опре$деляющую направление передачи тепловой энергии.

Плотность теплового потока Q в твердом теле междуточками с различной температурой T1 и Т2 подчиняетсязакону Фурье:� в интегральном выражении

Q = –�(Т2 – T1)/�x;

� в дифференциальном выражении

Q = –�(dT/dx),

где � — коэффициент теплопроводности.Температура служит мерой внутренней энергии тел, т. е.

кинетической и потенциальной энергии вращательного


и колебательного движения атомов газа, жидкости илитвердого тела, и имеет статистический характер.

В тепловых методах неразрушающего контроля в ка$честве пробной энергии используется тепловая энергия,распространяющаяся в объекте контроля. Температурноеполе поверхности объекта является источником инфор$мации об особенностях процесса теплопередачи, которыезависят от наличия внутренних или наружных дефектов.Под дефектом при этом понимается наличие скрытых ра$ковин, полостей, трещин, непроваров, инородных вклю$чений и т. д., всевозможных отклонений физическихсвойств объекта от нормы, наличие мест локального пе$регрева (охлаждение) и т. п.

Основной характеристикой температурного поля, яв$ляющейся индикатором дефектности, служит величиналокального температурного перепада. Координаты местаперепада, его рельеф или, иными словами, топология тем$пературного поля и его величина в градусах являютсяфункцией большого количества факторов внутренних ивнешних.

Внутренние факторы определяются теплофизически$ми свойствами контролируемого объекта и дефекта, а так$же их геометрическими параметрами. Эти же факторыопределяют временны´е параметры процесса теплопереда$чи, в основном процесса развития температурного пере$пада. Внешними факторами являются характеристикипроцесса теплообмена на поверхности объекта контроля(обычно коэффициент конвективной теплоотдачи), мощ$ность источника нагрева и скорость его перемещения вдольобъекта контроля.

Основным информационным параметром при тепло$вом методе контроля является локальная разность тем$ператур между дефектной TA и бездефектной ТВ облас$тями объекта

�Т = TA – ТВ.

Знак перепада зависит от соотношения теплофизиче$ских свойств дефекта и изделия и исследуемой поверхно$сти. При нагреве изделий, содержащих дефекты, плохо


проводящие тепло (например, газовые включения), местодефекта характеризуется локальным повышением темпе$ратуры, а обратная поверхность — локальным понижени$ем температуры.

В случае дефекта, проводящего тепло лучше основно$го изделия (металлические вкрапления), имеет место об$ратная картина.

Временно ´й ход перепада характеризуется кривой смаксимумом, с чем связана необходимость определенияоптимального времени регистрации температурного пе$репада tm. Момент наступления максимального перепа$да и глубина залегания дефекта обычно связаны линей$ной зависимостью, причем угол наклона соответствую$щей прямой зависит от теплофизических свойств изделияи дефекта. Чем более теплопроводно изделие, тем мень$ше tm. В зависимости от типа материала и глубины зале$гания дефекта величина tm колеблется от долей секунддо десятков секунд, для неметаллов она может состав$лять десятки минут. Увеличение мощности нагревателяи уменьшение интенсивности теплообмена приводит кросту уровня нагрева изделия и лучшему выявлению де$фектов.

Бесконтактные методы теплового контроля основанына использовании инфракрасного излучения, испускаемо$го всеми нагретыми телами. Инфракрасное излучение за$нимает широкий диапазон длин волн 0,76...1000 мкм.Спектр, мощность и пространственные характеристикиэтого излучения зависят от температуры тела и его излу$чательной способности, обусловленной его материалом имикроструктурными характеристиками излучающей по$верхности. Например, шероховатые поверхности излуча$ют сильнее, чем зеркальные. При повышении температу$ры мощность излучения быстро растет, а ее максимумсдвигается в область более коротких длин волн. Спектризлучения может быть непрерывным или дискретным.Характер спектра зависит в основном от агрегатного со$стояния вещества. Для твердых и жидких тел характер$ны непрерывные спектры излучения, для газообразных —линейчатые.


3.6.2. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВАТЕПЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ,РЕГИСТРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ

Существуют следующие способы активации теплово$го контроля изделий:� кратковременный локальный нагрев изделия с после$

дующей регистрацией температуры той же (при одно$стороннем контроле) или противоположной области(двустороннем контроле). По истечении некотороговремени (чтобы изделие успело остыть) переходят кследующей точке и т. д. Так проходится вся поверх$ность изделия, причем измеренная температура де$фектных областей будет существенно отличаться оттемпературы бездефектных участков;

� c использованием сканирующей системы, состоящейиз жестко закрепленных друг относительно друга ис$точника нагрева и регистрирующего прибора (напри$мер, радиометра), перемещающихся с постоянной ско$ростью вдоль поверхности образца;

� одновременный нагрев поверхности образца вдоль не$которой линии с последующей регистрацией темпера$туры вдоль этой же линии (при одностороннем кон$троле) или вдоль аналогичной линии с противополож$ной поверхности образца (при двустороннем контроле);

� одновременный нагрев всей поверхности образца и по$следующая одновременная регистрация температурно$го распределения на этой же или на противоположнойповерхности. Подобный способ контроля может бытьосуществлен при помощи тепловизора.Эффективность выявления дефектов каждым из опи$

санных способов теплового контроля уменьшается от пер$вого к последнему, а производительность — возрастает.

Для нагрева изделий применяют как стационарные,так и кратковременные (импульсные) источники. Прикратковременном нагреве используют высокоинтенсив$ные источники тепла. Такой нагрев можно осуществлять:бомбардировкой электронным пучком в вакууме; плазмен$ной струей; фокусировкой инфракрасного или видимогоизлучения; электромагнитным полем высокой частоты;


лазерным лучом; горячими газами. Стационарный нагревможно получить при прохождении электрического токачерез изделие, горячими газами, при использовании спе$циальных нагревателей и т. д.

Для контроля сложных структур сотовых конструк$ций, сварных и паяных соединений используют нагревплазменной струей, которая обеспечивает высокую кон$центрацию тепловой энергии до 500 кВт/см2 и позволяетполучать достаточно высокие температуры отдельных уча$стков поверхности нагреваемого тела за малые интервалывремени. Массивные образцы нагревают обычно индукто$ром. Оптические источники дают возможность подачи све$товой энергии в труднодоступные полости с помощью све$товодов. Мощные источники типа «световых печей» мо$гут нагревать металлы до температур плавления.

3.6.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Действие приборов для неконтактного измерения тем$пературы основано на регистрации теплового излучениянагретых объектов. По характеру получения информацииразличают пирометры для локального измерения темпе$ратуры в данной точке объекта и пирометры для анализатемпературных полей (тепловизоры).

По принципу действия различают яркостные, цвето$вые и радиационные пирометры.

Яркостные визуальные пирометры применяют для из$мерения яркостных температур выше 6000�С. Принципих действия основан на зависимости спектральной ярко$сти нагретых тел от температуры, описываемой законамиПланка и Вина. Схема яркостного пирометра показана нарис. 63. Объектив 2 проектирует объект 1 через диафраг$му 3 и нейтральный фильтр 4 на плоскость 5. В этой плос$кости находится нить специальной пирометрической лам$пы, которая рассматривается через красный фильтр 7 спомощью окуляра 6. Наблюдатель видит одновременноизображение лампы и объекта.

Потенциометром меняют яркость лампы до исчезно$вения ее изображения на фоне объекта, затем определяют


соответствующий этому моменту ток лампы и по градиро$вочной шкале прибора — температуру объекта. Применяякрасный фильтр 7, можно вести измерения в узком спек$тральном интервале. При высоких яркостях объекта вво$дят фильтр 4. Недостатком метода является субъектив$ность измерения, преимуществом — простота и удобствов работе.

Яркостные пирометры с электронно$оптическими пре$образователями (ЭОП) и специально передающими теле$визионными трубками (видиконами) чувствительны в ИК$области спектра и позволяют измерять более низкие тем$пературы (200...600�С). Принцип действия яркостногопирометра с ЭОП основан на преобразовании испускаемыхобъектом и эталонной лампой ИК$лучей в видимое излу$чение с помощью ЭОП или видикона. Яркости визуализи$рованных изображений объекта и спирали пирометриче$ской лампы уравнивают обычным способом.

Принцип действия фотоэлектрических яркостных пи$рометров основан на применении фотопреобразователей дляизмерения монохроматической яркости объекта или еесравнения с яркостью эталона. Эти приборы позволяют ав$томатизировать и ускорить процесс измерения и исключитьсубъективные ошибки измерения. Нижний температурныйпредел пирометров определяется спектральной чувстви$тельностью применяемых фотоприемников. Для наиболеераспространенных детекторов он равен 100...200�С.

Своеобразной модификацией яркостных пирометровявляются фотографические пирометры, фиксирующие

Рис. 63Схема яркостного пирометра:

1 — объект; 2 — объектив; 3 — диафрагма; 4 — нейтральный фильтр; 5 — плос$кость спирали пирометрической лампы; 6 — окуляр; 7 — красный светофильтр.


изображение объекта и эталона яркости на фотопленке иосуществляющие их фотометрическое сравнение визуаль$ным методом. Преимущество этих приборов — возмож$ность регистрации температурных полей объектов боль$шого размера с высокой пространственной и временнойразрешающей способностью.

Действие цветовых пирометров основано на сравненииинтенсивности излучения объекта в двух спектральныхдиапазонах. Оптическая схема цветового пирометра обыч$но содержит два цветных фильтра, через которые с помо$щью модулятора поток излучения от объекта поперемен$но направляется на фотоприемник. Функциональная схе$ма цветового пирометра показана на рис. 64.

Метод цветовой пирометрии может быть распростра$нен на инфракрасную область спектра при соответствую$щем подборе приемника излучения и материалов проек$ционной оптики и светофильтров. Нижний предел темпе$ратурного диапазона может быть расширен до 20...50�С.

Действие радиационных пирометров (рис. 65) осно$вано на использовании закона Стефана — Больцмана,

Рис. 64Схема цветового пирометра:

1 — объект; 2 — объектив; 3 — модуля$тор; 4, 5 — селективные светофильтры;6 — приемник излучения; 7 — элек$тронная схема; 8 — регистратор.

Рис. 65Схема радиационного пирометра:

1 — объект; 2 — объектив; 3 — приемник; 4 — индикатор.


выражающего зависимость излучаемой телом энергии отего температуры. Приборы этого типа широко использу$ют для измерения низких температур (20...100�С). При$емниками излучения служат термопары. Часто применя$ют термобатареи (последовательно соединенные термо$пары). Для измерения температуры слабо нагретых телприменяют объективы из материалов, прозрачных в со$ответствующей спектральной области. Стекло использу$ют для измерения температур от 900�С. Кварц применяютдля регистрации температур более 400�С. Объективы изфтористого лития или фтористого бария позволяют фик$сировать температуры в диапазоне 20...500�С. Часто ис$пользуют также зеркальную оптику.

Наиболее перспективным направлением тепловогоконтроля является использование тепловизоров, которыеизмеряют температуру в диапазоне –20...900�С при чув$ствительности 0,08�С. Однако на сегодняшний моменттепловизоры еще очень дороги (12...100 тыс. долларовСША). Однако в связи с внедрением в строительстве но$вых СНиПов и ТСНов, оговаривающих обязательное те$пловизионное обследование ограждающих конструкцийвновь возводимых и капитально ремонтируемых зданий,эти обследования получают широкое распространение иэкономически оправданы.

3.7. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

3.7.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙС ВЕЩЕСТВОМ. РЕНТГЕНОВСКОЕ,ТОРМОЗНОЕ, ГАММА"ИЗЛУЧЕНИЕ

Контроль основан на регистрации и анализепараметров ионизирующего излучения, прошедшего че$рез объект контроля. Слово «радиоактивность» ввела в оби$ход Мария Кюри. В 1898 г. она и ее муж Пьер Кюри обна$ружили, что уран после излучения таинственным образомпревращается в другие химические элементы. Радиацион$ные методы применяются для получения информации обэлементном составе веществ, их габаритных размерах, вчастности о толщине, а также о структуре, разнообразных


внутренних дефектах и инородных включениях. В зави$симости от природы ионизирующего излучения радиаци$онный вид получения информации подразделяют на под$виды: рентгеновский, гамма$, бета$ и нейтронный. Испус$кание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двухнейтронов, — это альфа$излучение. Испускание электро$на — бета$излучение. Часто нестабильный нуклид оказы$вается настолько возбужденным, что испускание части$цы не приводит к полному снятию возбуждения, тогда онвыбрасывает порцию чистой энергии, называемой гамма$излучением (гамма$квантом). Рентгеновское излучение —наиболее длинноволновая составляющая радиационного(ионизирующего) излучения — потока микрочастиц ифизических полей, способных ионизировать вещество(рис. 66). Рентгеновское излучение — это электромагнит$ное излучение, занимающее в спектре область между гам$ма$ и ультрафиолетовым излучениями в пределах длинволн 10–7...10–11 см. Свойства радиационного излученияможно наглядно оценить на основе сравнения со свойст$вами других излучений, проявляющихся при ядерном рас$паде. Альфа$излучение, которое представляет собой по$ток тяжелых частиц, состоящих из нейтронов и протонов,задерживается, например, листом бумаги и практическине способно проникнуть через наружный слой кожи, обра$зованный отмершими клетками. Бета$излучение обладает

Рис. 66Энергии фотонов и длины волн

различных частей электромагнитного спектра:1 — радиоволновое; 2 — инфракрасное; 3 — световое; 4 — ультрафиолетовое; 5 —рентгеновское; 6 — гамма; 7 — космическое.


большой проникающей способностью: оно проходит в тка$ни организма на глубину один$два сантиметра. Проникаю$щая способность гамма$излучения очень велика: его можетзадержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита.

Физической основой рентгенографического методаконтроля напряженного состояния является установлен$ная связь вида напряженного состояния и пластическиххарактеристик конструкционных сталей с типом кри$сталлографических ориентировок, плотностью дефектовв структуре, размером кристаллитов, экспериментальноконтролируемых параметрами текстурных кривых (тек$стурограмм), отслеживающих угол рассеяния рентгенов$ских лучей.

3.7.2. РАДИОГРАФИЧЕСКИЙ,РАДИОСКОПИЧЕСКИЙ,РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ

В зависимости от способа регистрации и типа детекто$ра различают два основных метода радиографии — пря$мой экспозиции и переноса изображения.

Метод прямой экспозиции является наиболее распро$страненным методом промышленной радиографии, прикотором используются источники ионизирующего излу$чения практически всех видов. Просвечивание изделийпроизводится на радиографическую пленку.

Метод переноса изображения применяют при ней$тронной радиографии и ксерорадиографии (электрорадио$графии). В первом случае скрытое изображение получаютна промежуточном металлическом активируемом экране,размещенном за изделием в нейтронном потоке. После это$го скрытое изображение переносят на радиографическуюпленку, прикладывая ее к металлическому экрану.

При электрорадиографии в качестве промежуточногоносителя скрытого изображения используют электриче$ски заряженные полупроводниковые пластины, помещае$мые за объектом в пучке ионизирующего излучения, а вкачестве регистратора видимого изображения применя$ют обычную бумагу, на которой изображения проявляют$ся с помощью сухих красящих веществ.


Радиоскопический метод неразрушающего контроляоснован на преобразовании радиационного изображенияконтролируемого объекта в световое изображение на выход$ном экране радиационно$оптического преобразователя, при$чем дефектоскопический анализ полученного изображенияпроводится в процессе контроля. Методы радиоскопии по$зволяют исследовать контролируемый объект непосредст$венно в момент его просвечивания. Поэтому сокращаетсявремя между началом контроля и моментом получения за$ключения о качестве контролируемого объекта. Благодарямалой инерционности радиоскопических систем объектможно контролировать под различными углами к направ$лению просвечивания. При этом повышается вероятностьобнаружения дефектов и обеспечивается возможность кон$троля деталей и узлов как в эксплуатационных условиях,так и в условиях поточного производства.

При радиометрическом методе контроля детекторамиизлучения являются различного рода счетчики, иониза$ционные камеры, сцинтилляционные преобразователи.При осуществлении радиометрического контроля узкийпучок тормозного или �$излучения последовательно про$свечивает все участки контролируемого объекта. Излуче$ние, прошедшее через контролируемый участок, регистри$руется детектором, далее преобразуется в электрическийсигнал, пропорциональный интенсивности излучения, па$дающего на детектор. Электрический сигнал через усили$тель поступает на регистрирующее устройство. В качест$ве выходных регистрирующих устройств обычно приме$няют миллиамперметр, механический счетчик отдельныхимпульсов, осциллограф, самопишущий потенциометри т. д. При наличии дефектов в материале (пустота) реги$стрирующее устройство отмечает возрастание интенсив$ности потока излучения. Источник излучения и детекторустанавливают с противоположных сторон (работа в пря$мом пучке) контролируемого объекта и одновременно пе$редвигают параллельно поверхности просвечиваемого ма$териала и все время на одинаковом расстоянии от нее. Ино$гда сканируют контролируемое изделие при неподвижномисточнике излучения и детекторе.


Аппаратуру радиометрического контроля относят кприборам, использующим ионизирующие излучения дляизмерения физических характеристик просвечиваемыхобъектов. По характеру измеряемой величины их подраз$деляют на толщиномеры и дефектоскопы.

3.7.3. РЕНТГЕНОВСКИЕ АППАРАТЫ,ГАММА"ДЕФЕКТОСКОПЫ, БЕТАТРОНЫ,МИКРОТРОНЫ И ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Наиболее распространенный источник рентгеновскихлучей — рентгеновская трубка. В качестве источника мо$гут служить также некоторые радиоактивные изотопы.Естественный источник рентгеновских лучей — Солнце идругие космические объекты.

Рентгеновские лучи возникают при бомбардировке бы$стрыми электронами твердых мишеней. Рентгеновскаятрубка представляет собой эвакуированный баллон с не$сколькими электродами. Нагреваемый током катод K(рис. 67) служит источником свободных электронов, ис$пускаемых вследствие термоэлектронной эмиссии. Цилин$дрический электрод C предназначен для фокусировки элек$тронного пучка. Мишенью является анод А. Ускорениеэлектронов осуществляется высоким напряжением, созда$

Рис. 67Функциональная схема рентгеновской трубки


ваемым между анодом и катодом. В излучение превраща$ется 1...3% энергии, остальная идет на выделение тепла.

Если между катодом и анодом приложено напряже$ние U, электроны разгоняются до энергии eU. Попав в ве$щество анода, электроны испытывают сильное торможе$ние и становятся источником электромагнитных волн.Мощность изучения P пропорциональна квадрату зарядаэлектрона и квадрату его ускорения:

P � e2w2.

В предположении о постоянстве ускорения электро$на w в течение всего времени торможения � мощность из$лучения также будет постоянной, и за время торможенияэлектрон излучит энергию

� � � � � �2 2 2 20 / ,E P e w e v

где v0 — начальная скорость электрона. Заметное излуче$ние может наблюдаться лишь при резком торможении бы$стрых электронов. На рентгеновские трубки подается на$пряжение до 50 кВ. Пройдя такую разность потенциалов,электрон приобретает скорость 0,4 c. В бетатроне элек$троны могут быть ускорены до энергии 50 МэВ (скорость0,99995 c). Направив ускоренный в бетатроне пучок элек$тронов на твердую мишень, получают рентгеновские лучивесьма малой длины волны. Чем меньше длина волны, темменьше поглощаются лучи в веществе.

При достаточно большой скорости электронов крометормозного излучения возбуждается также характери)стическое излучение (вызванное возбуждением внутрен$них электронных оболочек атомов анода). При не слиш$ком больших энергиях бомбардирующих анод электро$нов наблюдается лишь тормозное излучение, обладающеесплошным спектром и не зависящее от материала анода.Когда энергия бомбардирующих электронов становитсядостаточной для вырывания электронов из внутреннихоболочек атома, на фоне тормозного излучения появля$ются резкие линии характеристического излучения. Час$тоты этих линий зависят от природы вещества, из которогоизготовлен анод (по этой причине излучение и называется


характеристическим). Подобно атомам, атомные ядраимеют дискретные уровни энергии, самый низкий изкоторых называется нормальным, остальные — возбуж$денными. Переходы между этими уровнями приводят квозникновению коротковолнового электромагнитного из$лучения, получившего название �$лучей. Рентгеновскаяустановка состоит из рентгеновского излучателя, источ$ника высокого напряжения и контрольной аппаратуры(рис. 68).

В радиационной дефектоскопии применяют импульс$ные и высоковольтные рентгеновские трубки. Импульс$ные рентгеновские трубки предназначены для исследо$вания быстропротекающих процессов. Длительность им$пульсов �20 нс. В этих трубках за короткий промежутоквремени создается ток 103...105 А. Импульсные трубки схолодным катодом работают по принципу вакуумногопробоя, который развивается под действием автоэмиссииэлектронов, получаемых из острых краев катода под дей$ствием сильного электрического поля. Анод в таких труб$ках выполняется в виде вольфрамовой иглы, а катод — ввиде кольца или диска. Трубки работают при разряже$нии 10–5...10–6 мм рт. ст. Высоковольтные рентгеновскиетрубки из$за автоэлектронной эмиссии, электрическихпробоев и т. д. не могут быть двухэлектродными. Этитрубки выполняют секционными, состоящими из като$

Рис. 68Схема рентгеновского

просвечивания:1 — источник рентгеновскогоизлучения; 2 — пучок рентге$новских лучей; 3 — деталь; 4 —внутренний дефект в детали;5 — невидимое глазом рентге$новское изображение за дета$лью; 6 — регистратор рентге$новского изображения.


да, промежуточных электродов и полого анода. Полыйанод почти полностью улавливает отраженные электро$ны. Возможность высоковольтного вакуумного пробояисключена благодаря большому расстоянию между ано$дом и катодом. Для дефектоскопии материалов и изде$лий широко используются рентгеновские аппараты с на$пряжением 10...400 кВ. Контроль легких материалов,пластмасс обеспечивается мягким излучением, а толсто$стенных стальных изделий и материалов — жестким из$лучением 300...400 кВ.

При распаде искусственных или естественных радио$активных изотопов возникает �$излучение. Одновременнос �$квантами могут образоваться �$ и �$частицы. �$квантыобладают существенно бо ´льшей проникающей способно$стью по сравнению с �$ и �$частицами, поэтому их пре$имущественно и используют при контроле качества из$делий.

Радионуклиды являются активной частью источникаизлучения. Их помещают в герметизированные ампулы.Ампулы могут быть заваренными, завальцованными и нарезьбе. Способ герметизации, материал и число ампул за$висят от мощности экспозиционной дозы (МЭД) излуче$ния, физического состояния и свойств нуклидов.

Радионуклиды, заключенные в герметичные метал$лические ампулы, помещают в защитные блоки дефек$тоскопов. Выпуск и перекрытие пучка излучения осу$ществляется с помощью дистанционных приводов управ$ления.

Выпускаются гамма$дефектоскопы двух видов: уни$версальные шлангового типа, у которых источник излуче$ния подается к месту просвечивания по шлангу$ампулопро$воду, и для фронтального и панорамного просвечивания, укоторых источник излучения не выходит за пределы ра$диационной головки. Дефектоскопы снабжены наборомисточников �$излучения с различными размерами актив$ной части и МЭД �$излучения. Набор источников разме$щается в магазине$контейнере, что позволяет просвечи$вать изделия различной толщины на различных фокус$ных расстояниях.


Ввиду низкой энергии �$квантов рентгеновских источ$ников излучения и радиоактивных источников пределтолщин просвечиваемых деталей ограничен, так как приих использовании нерационально возрастает время про$свечивания. Для дефектоскопии изделий большой толщи$ны и сложной формы применяют источники тормозногоизлучения с энергией до нескольких десятков МэВ. Таки$ми источниками излучения являются электростатическиегенераторы, ускорители прямого действия, бетатроны,линейные ускорители, микротроны.

Бетатрон — циклический ускоритель электронов. Дей$ствие его основано на законе электромагнитной индукции,согласно которому вокруг изменяющегося во времени маг$нитного потока образуется вихревое электрическое поле,напряженность которого определяется скоростью измене$ния магнитного потока.

Электроны в бетатроне ускоряются по замкнутой ор$бите постоянного радиуса под действием силы электриче$ского поля. Совершив полный оборот, они приобретаютэнергию, равную произведению напряженности электри$ческого поля на заряд электрона и длину траектории. Энер$гия электрона увеличивается до тех пор, пока электриче$ское вихревое поле не изменит своего направления.

Для сохранения постоянства радиуса орбиты, по кото$рой движутся электроны в процессе ускорения, необходи$мо, чтобы скорость электрона увеличивалась пропорцио$нально увеличению напряженности магнитного поля. Этовыполняется, если напряженность магнитного поля на ор$бите в любой момент времени меньше средней напряжен$ности магнитного поля внутри орбиты. Поле в области дви$жения электронов делают спадающим по радиусу, что обес$печивает вертикальную фокусировку электронов.

Применяя в качестве источника проникающего излу$чения бетатроны, можно контролировать качество сталь$ных изделий толщиной до 600 мм с использованием мето$дов и средств промышленной радиографии и радиометри$ческой дефектоскопии.

Принцип действия линейного ускорителя электроновоснован на том, что электроны, введенные с некоторой


начальной скоростью вдоль оси цилиндрического волно$вода, в котором возбуждается бегущая электромагнитнаяволна с предельной компонентой электрического поля,попадая в ускоряющую полуволну, ускоряются под дей$ствием электрического поля.

Для непрерывного увеличения энергии электроновнеобходимо, чтобы электромагнитная волна двигаласьвдоль волновода с такой скоростью, при которой элек$трон не выходит за пределы ускоряющей полуволны. Дляполучения необходимой для ускорения электронов ско$рости электромагнитной волны внутри волновода уста$навливают диафрагмы. Таким образом, диафрагмирован$ный волновод является основным узлом линейного уско$рителя. Преимущество линейных ускорителей состоит вбольшой интенсивности тормозного излучения. Даннымспособом осуществляется контроль стальных изделийтолщиной 400...500 мм. Ускорители представляют собойкомпактные установки, состоящие из излучателя и бло$ков электропитания, теплообменников и управления. Из$лучатель снабжен рентгеновской головкой, позволяющейполучить равномерное по интенсивности поле тормозно$го излучения.

Микротрон — циклический ускоритель с переменнойкратностью ускорения. В микротроне частицы движутсяв постоянном и однородном магнитном поле. Ускорениепроисходит под действием переменного электрическогополя постоянной частоты. Электроны, находящиеся в ва$куумной камере, движутся под действием переменногоэлектрического поля постоянной частоты. Электроны,находящиеся в вакуумной камере, движутся по орбитам —окружностям, имеющим общую точку касания. В этомместе расположен резонатор, сверхвысокочастотное полекоторого ускоряет электроны. Резонатор возбуждаетсяимпульсным магнетроном.

При прохождении через резонатор электроны приоб$ретают определенную энергию �E и начинают двигатьсяпо следующей орбите. При достижении последней орби$ты электроны либо попадают на мишень, либо через ка$нал выводятся из камеры.


3.7.4. РАДИОСКОПИЧЕСКИЕИ РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Применяемые при радиоскопии современные радиа$ционные интроскопы позволяют получать информацию овнутреннем строении материалов и объектов и отобража$ют ее на выходном экране радиационно$оптического пре$образователя в виде светотеневых картин.

Преобразователем радиационного изображения назы$вают устройство для преобразования изображения, сфор$мированного ионизирующим излучением в результате еговзаимодействия с контролируемым объектом, в изобра$жение другого вида. Наибольшее распространение полу$чили радиационно$оптические преобразователи — устрой$ства для преобразования радиационного изображения всветовое изображение. Радиационно$оптические преобра$зователи, в которых за счет дополнительных источниковэнергии, не связанных с ионизирующим излучением, впроцессе облучения происходит радиационно$оптическоепреобразование с коэффициентом усиления яркости бо$лее единицы, называются усилителями радиационногоизображения.

Все радиометрические дефектоскопы и толщиномерыявляются приборами, в которых поток излучения изме$няется под действием измеряемой величины, а затем по$падает в детектор излучения и представляет собой сово$купность определенным образом связанных элементов.Схема работы радиометрического прибора представленана рис. 69.

Основными элементами любого радиометрическогоприбора являются источник излучения, приемник (детек$тор) излучения, регистратор (электронная схема), кото$рый преобразует или усиливает сигнал детектора, и вто$ричный прибор.

В зависимости от вида сигналов, снимаемых с детек$торов, регистраторы разделяют на аналоговые и дискрет$ные. При токовом режиме используется некоторый усред$ненный непрерывный сигнал, появляющийся на выходедетектора от попадания в него большого количества ядер$ных частиц или фотонов. При импульсном режиме исполь$


зуют отдельные разделенные во времени сигналы, появ$ляющиеся на выходе детектора после каждого попаданияв него отдельной ядерной частицы или фотона. Поэтомудискретный регистратор обычно состоит из пересчетногоустройства, обеспечивающего счет импульсов за опреде$ленный промежуток времени.

С регистратора электрический сигнал поступает на вто$ричный прибор (измерительный, самопишущий, регист$рирующий), показания которого пропорциональны интен$сивности излучения, попадающего в детектор.

3.7.5. КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ, ПЛОТНОСТИ,ДРУГИХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВМАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Для бесконтактного автоматического измерения тол$щины в листопрокатном производстве применяют радио$активные изотопные и рентгеновские толщиномеры, ос$нованные на измерении ослабления интенсивности иони$зирующего излучения при прохождении его через металл.

Рис. 69Схема работы радиометрического прибора


Рентгеновское излучение применяется в мировойпрактике для измерения толщины проката от �0,2 до15...20 мм (по стали), редко, с худшим быстродействием,до � 35 мм. Этот диапазон толщин перекрывается тремя$четырьмя моделями установок с трубками и высоковольт$ными устройствами разных типов. Большая интенсив$ность потока даже в узких пучках в сочетании с опти$мальным его значением позволяет проводить измеренияс погрешностью менее 1% при высоком быстродействии.Благодаря значительной интенсивности рентгеновскойтрубки можно увеличить рабочий зазор, что облегчает экс$плуатацию аппаратуры на стане.

В случае применения радиоактивных изотопов эффек$тивная энергия излучения обеспечивается выбором нуж$ного изотопа. Радиоизотопные приборы широко приме$няются для измерения толщины стальной полосы в диа$пазоне от нескольких микрон до 0,8 мм (�$излучение) идля измерения толщины в процессе горячей прокатки от4...5 до 70 мм (�$излучение). По быстродействию они усту$пают рентгеновским приборам. Радиоизотопные толщи$номеры, как правило, проще в эксплуатации и дешевле,чем рентгеновские, имеют меньшие габариты.

Детально контролировать геометрическую структуруи характер объемного распределения плотности и элемент$ного состава материалов позволяет промышленная рент$геновская вычислительная томография (ПРВТ). Суть ме$тода ПРВТ состоит в реконструкции пространственного рас$пределения линейного коэффициента ослабления (ЛКО)рентгеновского излучения по объему контролируемого объ$екта в результате вычислительной обработки теневых про$екций, полученных при рентгеновском просвечиванииобъекта в различных направлениях. Обнаружение и де$тальное изучение дефектов в объеме осуществляет опера$тор путем визуального анализа изображений отдельныхплоских сечений (томограмм) реконструированной про$странственной структуры ЛКО.

Рынок рентгеновских аппаратов и приспособлений длядефектоскопии достаточно широк, и все приборы в крат$ком анализе перечислить невозможно.


3.8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

3.8.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫИ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ.ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ,ЭЛЕКТРОЕМКОСТНОЙ,ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ,ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ,МЕТОД ЭКЗОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

Электрические методы основаны на создании вконтролируемом объекте электрического поля непосред$ственным воздействием на него электрическим возмуще$нием (электростатического поля, поля постоянного илипеременного стационарного тока) либо косвенно с помо$щью воздействия неэлектрическими возмущениями (теп$ловым, механическим и др.). Первичными информатив$ными параметрами являются электрические характери$стики объекта контроля.

Электропотенциальный метод основан на регистра$ции распределения потенциалов по поверхности ОК. При$меняется для контроля ОК из практически любых элек$тропроводящих материалов: черных и цветных металлов,графитов и т. д. Работа электропотенциальных приборовоснована на прямом пропускании тока через контроли$руемый участок и измерении разности потенциалов наопределенном участке или регистрации искажения элек$тромагнитного поля, обусловленного обтеканием дефек$та током (рис. 70).

Рис. 70Схема распределения изолиний плотности тока

в электропроводящем объекте при отсутствии (а) и при наличии (б)поверхностного дефекта типа трещины


При пропускании через электропроводящий объектэлектрического тока в объекте создается электрическоеполе. Геометрическое место точек с одинаковым потен$циалом составляет эквипотенциальные линии. Разностьпотенциалов зависит от трех факторов: удельной электри$ческой проводимости �, геометрических размеров (толщи$ны) и наличия поверхностных трещин. При пропусканиипеременного тока разность потенциалов будет зависеть иот магнитной проницаемости 7. Электропотенциальныеприборы применяют для измерения толщины стенок де$талей, для изучения анизотропии электрических и маг$нитных свойств, обусловленной приложенными к объек$ту контроля механическими напряжениями. Основноеназначение — измерение глубины трещин, обнаруженныхдругими методами неразрушающего контроля.

Электроемкостной метод контроля (ЭМК) предусмат$ривает введение объекта контроля или его исследуемогоучастка в электростатическое поле и определение иско$мых характеристик материала по вызванной им обратнойреакции на источник этого поля. В качестве источникаполя применяют электрический конденсатор, которыйявляется одновременно и первичным электроемкостнымпреобразователем (ЭП), так как осуществляет преобразо$вание физических и геометрических характеристик объ$екта контроля в электрический параметр. Обратная реак$ция ЭП проявляется как изменение его интегральных па$раметров, чаще всего двух параметров, из которых одинхарактеризует емкостные свойства ЭП, а другой — диэлек$трические потери (например, емкость и тангенс угла по$терь — составляющие комплексной проводимости). Этипараметры являются первичными информативными па$раметрами ЭМК. Схемы преобразователей и связь их па$раметров показана на рис. 71.

Косвенным путем с помощью ЭМК можно определятьследующие характеристики материала: плотность, содер$жание компонентов в гетерогенных системах, влажность,степень полимеризации и старения, механические пара$метры, радиопрозрачность и пр. К наиболее информатив$ным геометрическим параметрам объекта контроля отно$


сятся толщина пластин, оболочек и диэлектрических по$крытий на проводящем и непроводящем основаниях, по$перечные размеры линейно$протяженных проводящих идиэлектрических изделий (нитей, стержней, лент, прут$ков), локализация проводящих и диэлектрических вклю$чений и др. В отдельную группу выделяются влагомеры —приборы для измерения влажности.

Рис. 71Схемы электроемкостных преобразователей:

а — параллельные пластины с активной площадью обкладок S на расстоянии d;б — параллельные пластины с активной площадью обкладок S1 — вне жидкостии S2 — в жидкости на расстоянии d и разной диэлектрической проницаемостьюсред между обкладками; в — плоскость пластин площадью S удалена от парал$лельных плоскостей с обеих сторон на d1 и d2; г — сложный плоскопараллельныйконденсатор с площадью пластин S и с n зазорами, заполненными диэлектриком;д — две концентрические сферы с радиусами R > r.


Приборы, основанные на регистрации искажения элек$тромагнитного поля. Работа данных приборов основана нарегистрации искажения силовых линий вектора плотно$сти тока, обусловленного дефектом. Приборами регистри$руется поперечная составляющая вектора плотности тока,которая в бездефектном участке изделия отсутствует. Ме$тод применяется для дефектоскопии как электропроводя$щих немагнитных, так и магнитных материалов.

Источником информации о физическом состоянии ма$териала при термоэлектрическом методе неразрушающе$го контроля является термо$ЭДС, возникающая в цепи,состоящей из пары электродов (горячего и холодного) иконтролируемого металла. Метод основан на использова$нии явления изменения температуры твердого тела в зави$симости от приложенного усилия. Основным ограничени$ем применения метода является необходимость реализацииусловия адиабатичности протекания процесса деформиро$вания. Явление изменения температуры твердого тела приизменении его объема было замечено Томсоном и в даль$нейшем экспериментально подтверждено Джоулем и др.При упругом деформировании тела его температура пони$жается, при появлении пластических деформаций темпе$ратура резко повышается.

Связь между изменениями температуры �Т и харак$теристиками деформированного и напряженного состоя$ния в упругой области деформирования имеет вид

�� = –3�Т�ср/(сР�);�� = –3�ТЕ�ср/[(сР�)(1 – 27 – E3�2Т/(сР�))],

где � — температурный коэффициент линейного расши$рения; Т — температура; cР — удельная теплоемкость; � —плотность материала; 7 — коэффициент Пуассона; Е —модуль упругости; �ср, �ср — средние напряжения и дефор$мация.

Таким образом, изменение температуры пропорцио$нально среднему напряжению или деформации. Основойметода является измерение изменения температуры с по$мощью микротермопар, обеспечивающих надежный то$чечный тепловой контакт с поверхностью образца.


Приборы неразрушающего контроля, основанные натермоэлектрическом методе, находят применение при сор$тировке деталей по маркам сталей, для экспресс$анализастали и чугуна непосредственно в ходе плавки и в слит$ках, определения толщин гальванических покрытий, из$мерения глубины закаленного слоя, исследования процес$сов усталости металла.

При работе прибора по схеме прямого преобразованияконтролируемый образец 1 (рис. 72а) помещают на пло$щадку холодного электрода 3. К контролируемой поверх$ности прикасаются горячим электродом 2, нагреваемымэлементом 4. В месте контакта горячего электрода возни$кает термо$ЭДС, и ток начинает протекать в цепи, в кото$рую включен индикаторный прибор V.

При работе по дифференциальной схеме к холоднымэлектродам, на которых размещены образец 5 из извест$ной марки стали и контролируемая деталь 1, подключениндикаторный прибор V. К этим деталям одновременноприкасаются горячим электродом — щупом 2 и, наблю$дая за показаниями индикаторного прибора V, судят о при$надлежности контролируемой детали к марке стали об$разца. Метод использовался для обнаружения зон локаль$ных пластических деформаций и появления начальныхтрещин при усталостных испытаниях тракторных кардан$ных и коленчатых валов.

Метод электрического сопротивления (электрорези$стивный) основан на контроле технического состояния ОКпутем измерения значения его активного электрического

а б

Рис. 72Схемы контроля путем прямого преобразования (а)

и дифференциальным методом (б)


сопротивления R или электри$ческой проводимости (электро$проводности) g. Работу прибо$ров рассмотрим на простейшемпримере одинарного моста по$стоянного тока.

Одинарные мосты постоян$ного тока предназначены дляизмерения сопротивлений ве$личиной от 10 Ом и более. Схе$ма одинарного моста приведе$на на рис. 73.

Диагональ bd называетсядиагональю питания. В нее

включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас на$зывается измерительной диагональю. В нее включен ука$затель равновесия (гальванометр) Р.

Выведем условия равновесия моста.В равновесном режиме Iур = 0. Это условие выполня$

ется, когдаI1R1 = I2R2; I3R3 = I4R4.

Из первого закона Кирхгофа, с учетом того, что Uур = 0и Iур = 0, следует, что I4 = I1 и I3 = I2. Принимая во внима$ние все вышесказанное, можно записать:

1 1 2 2 1 2

1 4 2 3 4 3или .

I R I R R RI R I R R R

Выражение R1R3 = R2R4 является условием равновесиямоста.

Чувствительность моста по току и по напряжениюопределяется как

��

ур1

IS

RR

— чувствительность моста по току;�

��

урU

US

RR

— чувствительность моста по напряжению,

Рис. 73Электрическая схема одинар$ного моста постоянного тока


где �Iyp, �Uyp — изменение силы тока и напряжения в из$мерительной диагонали; �R/R — отношение изменениясопротивления плеча моста к полному сопротивлению это$го плеча.

В частном случае, при R1 = R2 = R3 = R4, чувствитель$ность моста может быть записана как

0

10и ,

4 (1 ) 1I UIES S

R k m

где R10 — сопротивление R1 при равновесии.

��

�ур 10 10

10 2 4

(1 ), , ,

(1 )

nR m R Rk m n

R n R R

где Rур — сопротивление указателя равновесия.В качестве практического примера приведены пара$

метры моста Р$369.Диапазон измеряемых сопротивлений:

10–4...1,11111�1010 Ом.

Класс точности в диапазоне до 10–3 Ом–1 и при измере$нии сопротивлений от 1 до 103 Ом — 0,005.

Электроконтактные методы основаны на анализе па$раметров импульсов проводимости объекта при микрокон$тактировании. В качестве диагностических параметровиспользуют предельные и средние значения частоты и дли$тельности микроконтактирований за определенное время.Наиболее универсальным и информативным параметромэтой группы является нормированное интегральное вре$мя (НИВ) электрического контактирования (К). Значениеэтого параметра определяется отношением суммарнойдлительности соответствующих микроконтактированиюимпульсов проводимости объекта за время измерения кзначению Ти:

�

� �� к н и( )/ .n

i il

K t t T

Изменяясь от 0 до 1, параметр НИВ (К) является ста$тистической оценкой вероятности микроконтактированияв объекте (Pk).


Электроконтактные методы традиционно используют$ся в трибологии для выявления и анализа металлическо$го контактирования деталей трибосопряжений, количе$ственной оценки полужидкостной смазки и т. п., при этомнаибольшее развитие эти методы получили в направле$нии диагностирования подшипников и опор качения.

3.9. КОНТРОЛЬ ПРОНИКАЮЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ.КАПИЛЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Капиллярный контроль предназначен для об$наружения невидимых или слабовидимых невооружен$ным глазом поверхностных и сквозных дефектов в объек$тах контроля, определения их расположения, размеров иориентации. Капиллярные методы контроля основаны накапиллярном проникновении индикаторных жидкостей(пенетрантов) в полости поверхностных и сквозных не$сплошностей материала объектов контроля и регистрацииобразующихся индикаторных следов визуальным способомили с помощью преобразователя. Поверхностной несплош$ностью называется капилляр, выходящий на поверхностьобъекта контроля только с одной стороны. Сквозной не$сплошностью называется капилляр, соединяющий двестенки объекта контроля. Если поверхностная и сквознаянесплошности являются дефектами, то применяют терми$ны «поверхностный дефект» и «сквозной дефект».

Процесс капиллярного контроля состоит из следую$щих основных операций (рис. 74):� очистка поверхности ОК и полости дефекта 2 от загряз$

нений, жира и т. д. путем их механического удаления ирастворения. Этим обеспечивается хорошая смачивае$мость всей поверхности ОК индикаторной жидкостьюи возможность проникновения ее в полость дефекта;

� пропитка дефектов индикаторной жидкостью 3. Дляэтого она должна хорошо смачивать материал изделияи проникать в дефекты в результате действия капил$лярных сил. По этому признаку метод называют ка$пиллярным, а индикаторную жидкость — индикатор)ным пенетрантом или просто пенетрантом (от лат.penetrо — проникаю, достаю);


� удаление с поверхности изделия излишков пенетран$та, при этом пенетрант в полости дефектов сохраняет$ся. Для удаления используют эффекты диспергирова$ния и эмульгирования, применяют специальные жид$кости — очистители;

� обнаружение пенетранта в полости дефектов. Как от$мечено выше, это делают чаще визуально, реже — с по$мощью специальных устройств — преобразователей.В первом случае на поверхности наносят специальныевещества — проявители 4, извлекающие пенетрант изполости дефектов за счет явлений сорбции или диф$фузии. Сорбционный проявитель имеет вид порошкаили суспензии.Пенетрант пропитывает весь слой проявителя (обычно

довольно тонкий) и образует следы (индикации) 5 на егонаружной поверхности. Эти индикации обнаруживают ви$зуально. Различают яркостный, или ахроматический, ме)тод, в котором индикации имеют более темный тон по срав$нению с белым проявителем; цветной метод, когда пене$трант обладает ярким оранжевым или красным цветом, илюминесцентный метод, когда пенетрант светится поддействием ультрафиолетового облучения. Заключительнаяоперация при КМК — очистка ОК от проявителя.

Капиллярные методы контроля подразделяются наосновные и комбинированные.

Основные капиллярные методы контроля в зависимо$сти от типа проникающего вещества подразделяются наследующие:

Рис. 74Операции при капиллярном контроле


� метод проникающих растворов — жидкостный метод,основанный на использовании в качестве проникаю$щего вещества жидкого индикаторного раствора;

� метод фильтрующихся суспензий — жидкостный ме$тод, основанный на использовании в качестве прони$кающего вещества индикаторной суспензии, котораяобразует индикаторный рисунок из отфильтрован)ных частиц дисперсионной фазы.Комбинированные методы капиллярного контроля со$

четают два и более различных по физический сущности ме$тода контроля, один из которых обязательно жидкостный.

При капиллярном контроле используют специальныедефектоскопические материалы, которые предназначеныдля пропитки, нейтрализации или удаления избытка про$никающего вещества с поверхности и проявления его ос$татков с целью получения первичной информации о на$личии несплошности в объекте контроля.

Дефектоскопические материалы выбирают в зависи$мости от требований, предъявляемых к объекту контро$ля. Их укомплектовывают в целевые наборы, в которыевходят следующие дефектоскопические материалы:� индикаторный пенетрант И — капиллярный дефекто$

скопический материал, обладающий способностью про$никать в несплошности объекта контроля и индуциро)вать их;

� очиститель от пенетранта М — капиллярный дефекто$скопический материал, предназначенный для удале$ния индикаторного пенетранта с поверхности объектаконтроля самостоятельно или в сочетании с органиче$ским растворителем или водой;

� гаситель пенетранта Г — капиллярный дефектоскопи$ческий материал, предназначенный для гашения лю$минесценции или цвета остатков индикаторного пе$нетранта на поверхности объекта контроля;

� проявитель пенетранта П — капиллярный дефектоско$пический материал, предназначенный для извлеченияиндикаторного пенетранта из капиллярной полостинесплошности с целью образования четкого индикатор$ного рисунка и создания контрастирующего с ним фона.


Дефектоскопические наборы подразделяются на вы$сокочувствительные, средней и пониженной чувствитель$ности. Высокочувствительные наборы позволяют обнару$живать поверхностные дефекты типа трещин и пор вели$чиной более 0,1 мкм, средней чувствительности — более1 мкм, пониженной чувствительности — более 100 мкм.

Существуют следующие основные методы выявленияиндикаторного рисунка:� люминесцентный, основанный на регистрации контра$

ста люминесцирующего в длинноволновом ультрафио$летовом излучении видимого индикаторного рисункана фоне поверхности объекта;

� цветной, основанный на регистрации контраста цвет$ного в видимом излучении индикаторного рисунка нафоне поверхности объекта контроля;

� люминесцентно$цветной, основанный на регистрацииконтраста цветного или люминесцирующего индика$торного рисунка на фоне поверхности объекта контро$ля в видимом или длинноволновом ультрафиолетовомизлучении;

� яркостный, основанный на регистрации контраста ввидимом излучении ахроматического рисунка на фонеповерхности объекта контроля.Применяются следующие способы обнаружения инди$

каторного следа:� визуальное обнаружение, в том числе с применением

оптических (дефектоскопы) или фотографическихсредств;

� фотоэлектрическое обнаружение и преобразование сприменением различных средств косвенной индика$ции и регистрации;

� телевизионное обнаружение, преобразование в анало$говую или дискретную форму с соответствующим пред$ставлением на экран, дисплей, магнитную пленку;

� инструментальное обнаружение косвенными приемамисигнала от невидимого глазом индикаторного следа.В комбинированных методах капиллярного контроля

применяются следующие методы выявления индикатор$ного рисунка:


� капиллярно$электростатический, основанный на об$наружении индикаторного рисунка, образованногоскоплением электрически заряженных частиц у по$верхностной или сквозной несплошности неэлектро$проводящего объекта, заполненного ионогенным пе)нетрантом;

� капиллярно$электроиндуктивный, основанный наэлектроиндуктивном обнаружении электропроводя$щего индикаторного пенетранта в поверхностных исквозных несплошностях неэлектропроводящего объ$екта контроля;

� капиллярно$магнитопорошковый, основанный на об$наружении комплексного индикаторного рисунка, об$разованного пенетрантом и ферромагнитным порош$ком, при контроле намагниченного объекта;

� жидкостный капиллярно$радиационный, основанныйна регистрации ионизирующего излучения соответст$вующего пенетранта в поверхностных и сквозных не$сплошностях.

3.10. МЕТОДЫ ТЕЧЕИСКАНИЯ

Методы течеискания предназначены для кон$троля качества герметизации разнородных систем и изде$лий. В общем случае нарушением герметичности являет$ся наличие в оболочке сквозных капиллярных каналов(течей) или проницаемость основного материала с ненару$

шенной структурой.При наличии течей обнару$

живается прямая связь междусоставами газовой среды по обестороны оболочки, а при пода$че жидкости на одну поверх$ность оболочки выявляется ееприсутствие на противополож$ной поверхности. Это позво$ляет базировать методы тече$искания на применении различ$ных пробных веществ (гелий,

Рис. 75Классификация методов

течеискания


водород, вода, спирт, ацетон и т. д.), которые фиксируют$ся при проникновении через течи.

Классификация методов течеискания представлена нарис. 75.

Масс$спектрометрический метод основан на регистрациипроникающего через течи пробного вещества путем разде$ления ионов разных газов по отношению их массы к заряду.

Галогенный метод основан на регистрации проникаю$щего через течи пробного вещества по увеличению эмис$сии положительных ионов с накаленной металлическойповерхности при попадании на нее галогенов.

Манометрический метод основан на регистрации из$менения полного давления в системе испытаний в резуль$тате перетекания проникающих веществ через течи.

Вакуумметрический метод основан на регистрацииизменения давления или состава газовой среды в ваку$умированной полости в результате натеканий.

Катарометрический метод основан на регистрации про$никающих через течи веществ, теплопроводность которыхотличается от теплопроводности воздуха.

Электронозахватный метод основан на регистрацииперетекания через течи электроотрицательных пробныхвеществ, склонных к образованию отрицательных ионов,по изменению тока разряда.

Акустический метод основан на регистрации акусти$ческих волн, возбуждаемых при вытекании пробных ве$ществ через течи.

Химический метод основан на регистрации проникаю$щих через течи веществ по эффекту химических реакцийс индикаторным покрытием.

Пузырьковый метод основан на регистрации пузырь$ков пробного газа, проникающего через течи изделия, по$груженного в жидкость или покрытого пленкой, способ$ной образовывать пузыри.

Люминесцентно$цветной метод основан на регистра$ции контраста цветного или люминесцирующего следа,образуемого проникающим веществом на фоне поверхно$сти контролируемого изделия в видимом или длинновол$новом ультрафиолетовом излучении.


Яркостный метод основан на регистрации контрастаахроматического следа, образуемого проникающим веще$ством, на фоне поверхности контролируемого изделия ввидимом излучении.

В зависимости от метода течеискания применяютсяследующие виды течеискателей.

Масс$спектрометрические течеискатели. Основа$ны на принципе ионизации газов и паров с последующимразделением образовавшихся ионов по отношениям ихмасс к заряду в магнитных и электрических полях. Этотметод является наиболее универсальным и чувствитель$ным. Порог чувствительности к потоку пробного газа со$ставляет до 5�10–15 м3Па/с. Существуют масс$спектромет$рические течеискатели, рассчитанные на работу с различ$ными пробными веществами, но в большинстве случаевпредпочтение отдается гелию. Основным элементом, опре$деляющим тип и возможности масс$спектрометра, слу$жит его анализатор. На рис. 76 представлена схема раз$деления ионов, применяемая в анализаторах гелиевыхмасс$спектрометрических течеискателей. Ионный источ$ник И и коллектор К располагаются так, чтобы регист$рировались ионы с определенной массой и зарядом, дви$жущиеся в магнитном поле напряженности Н по окруж$

ности радиуса R. В зависимости от этого радиуса (от тра$ектории движения иона) определяются масса и заряд ио$нов, проходящих через коллектор.

Галогенные течеискатели. Основаны на свойстве на$каленной платины ионизировать на своей поверхностиатомы щелочных металлов, обладающие низким потен$циалом ионизации, и резко увеличивать эмиссию регист$

Рис. 76Схема распределения ионов

в поперечном магнитном полемагнитного анализатора

со 180�$ной фокусировкой


рируемых течеискателем положительных ионов в присут$ствии галогенов. Порог чувствительности к потоку проб$ного газа составляет до 1�10–9 м3Па/с.

Инфракрасные течеискатели. Основаны на поглоще$нии инфракрасных лучей газами. Инфракрасные лучипоглощают все газы, молекулы которых состоят не менеечем из двух различных атомов. Этим определяется широ$кий круг пробных веществ, которые можно использоватьв процессе контроля герметичности изделий (закись азо$та, пары фреона, аммиак и т. д.). Данные приборы отли$чаются высоким быстродействием (не более 4 с). Порогчувствительности к потоку пробного газа составляет до1�10–8 м3Па/с. В зависимости от принципа действия луче$приемника инфракрасные приборы делятся на несколькогрупп. На рис. 77 представлена схема оптико$акустическо$го лучеприемника. Лучеприемник 1, в котором находит$ся газ, способный поглощать инфракрасные лучи, имеетокно 2, которое выполнено из материала, пропускающегоинфракрасное излучение. Через окно поступает поток ин$фракрасного излучения от источника 3, прерываемый сопределенной частотой обтюратором 4, приводимым в дви$жение синхронным двигателем 5. Вследствие этого газпериодически нагревается за счет поглощения энергии

Рис. 77Схема оптико$акустического

лучеприемника


излучения и в лучеприемнике возникают тепловые коле$бания, вызывающие колебания давления газа, которыепреобразуются конденсаторным микрофоном 6 в элек$трический выходной сигнал. Перед лучеприемникомустанавливают рабочую камеру 7, в которой находитсяконтролируемый объект с пробным газом. В зависимо$сти от концентрации пробного газа в рабочей камере (за$висит от величины протечки) поглощается часть инфра$красного излучения. В лучеприемник будет поступатьослабленный поток энергии инфракрасного излучения.О величине этого ослабления судят по выходному сигна$лу из лучеприемника.

Манометрические течеискатели. Основаны на реги$страции изменения давления в изделии или в испытатель$ной камере. Обычно контролируют величину падения дав$ления за определенное время. Порог чувствительности кпотоку пробного газа составляет до 5�10–6 м3Па/с.

3.11. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Оптические методы контроля основаны на ана$лизе взаимодействия оптического излучения (электромаг$нитное излучение с длиной волны 10–5...10–3 мкм) и объек$та контроля. По характеру взаимодействия с объектамиконтроля различают методы прошедшего, отраженного,рассеянного и индуцированного излучения.

При проведении оптического контроля используютсякогерентные и некогерентные источники излучения. Ко$герентные источники излучения отличаются от некоге$рентных тем, что излучают волны с одинаковыми часто$тами колебаний и постоянными разностями фаз:

1 – 2 = const,

где 1 и 2 — фазы первой и второй волны.Когерентные волны при наложении дают устойчивое

колебание с неизменной амплитудой.Информативными параметрами оптического излуче$

ния являются пространственно$временные распределенияего амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени


когерентности. Для получения дефектоскопической ин$формации используют изменение этих параметров привзаимодействии оптического излучения и объекта контро$ля в соответствии с явлениями интерференции, дифракции,поляризации, преломления, отражения, поглощения, рас$сеивания, а также изменение самого объекта контроля поддействием света в результате эффектов фотопроводимости,люминесценции и т. д. Применяются оптические методыдля определения: геометрических размеров объекта, на$личия дефектов (нарушений сплошности), физико$меха$нических свойств (шероховатость, зерно), компонентно$го и химического состава, динамических характеристик(видимых реакций напряженности слоя).

Для контроля геометрии макро$ и микрообъектов ши$роко используют проекционный метод сравнения или из$мерения, который заключается в получении увеличенно$го изображения объекта контроля на экране с последую$щим его сравнением с изображением эталонного объекта.

Рис. 78Схемы проекторов:

а — подобного увеличения; б — сведенного изображения: 1 — источник излуче$ния; 2 — конденсатор; 3 — изделие; 4 — объектив; 5 — экран; 6 — зеркало.


Изображение объекта контроля обычно получают спомощью проекторов. На рис. 78 представлены схемы про$екторов, работающих по принципу подобного увеличенияи принципу сведенного изображения. Проекторы подоб$ного изображения применяются для контроля готовыхизделий и в процессе их изготовления (станочные проек$торы). Проекторы сведенного изображения применяютпри массовом производстве однотипных изделий. Меняяугол наклона зеркал, устанавливают номинальный раз$мер изображения. Точность измерения для данного мето$да составляет до 0,01 мм при увеличении до 20 раз.

Для измерения геометрических параметров объектовтакже используются лазерные измерители. Измерениепараметров объекта осуществляется путем его сканирова$ния тонким лазерным лучом, перемещение которого в про$странстве по заданной траектории осуществляется с по$мощью сканатора. Данный метод позволяет контролиро$вать размеры до 0,01 мм.

При измерении с высокой точностью толщин изделийпорядка 10–2...10–7 мм применяют метод лазерной эллип$сометрии, который базируется на анализе измерений со$стояния поляризации света, отраженного от поверхностиизделия.

Излучение лазеров обладает свойством пространствен$ной и временной когерентности, т. е. регулярностью коле$баний в пространстве и времени. Это свойство используетсядля создания объемного изображения (голограмм) объектаконтроля. Голограмма получается в результате интерферен$ции разделенного на две части потока оптического излуче$ния лазера: рассеянного объектом контроля и прямого(опорного) пучка, попадающего на фотопластинку, ми$нуя объект. Изображение объекта восстанавливается пу$тем пропускания опорного пучка через фотопластинку.Голограмма содержит информацию о геометрии объекта.

Для контроля внутренних поверхностей и обнаруже$ния дефектов в труднодоступных местах применяют эндо)скопы. Принцип действия эндоскопов заключается в осмот$ре объекта с помощью специальной оптической системы,позволяющей передавать изображение на значительное


расстояние (до нескольких метров). На рис. 79 представ$лена схема гибкого эндоскопа, на рис. 80 — структурныесхемы волоконных световодов.

Рис. 79Схема гибкого эндоскопа:

1 — источник света; 2 — конденсатор; 3 — тепловой фильтр; 4 — внешний свето$вод; 5 — световод для передачи изображения; 6 — окуляр; 7 — система регистра$ции (глаз, фотокамера); 8 — объектив; 9 — призма бокового обзора; 10 — объектконтроля.

Рис. 80Структурные схемы волоконных световодов:

а — с прямыми торцами; б — с косыми торцами; в — изогнутые; г — фокен (умень$шает размеры передаваемого изображения); д — афокен (увеличивает размерыпередаваемого изображения).


3.11.1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯЭНДОСКОПОВ

Машиностроительные цеха (механосборочные цеха).Эндоскопы различных типов и размеров используют в ме$ханосборочных цехах для контроля цилиндрических от$верстий, пересекающихся отверстий, внутренней резьбы,чистоты внутренней поверхности и других недоступныхучастков, которые встречаются в обработанных деталяхмашин при их сборке. Специфическими узлами, где тре$буется такой контроль, в первую очередь являются: ружей$ные и пулеметные стволы оружия всех калибров, станоч$ные полости, гидравлические цилиндры и т. п. В инструмен$тальных цехах и цехах покраски эндоскопы используютсядля исследования гладкости внутренних поверхностейрезьбы, выявления выбоин краски и т. п. В литейных це$хах и цехах обработки давлением эндоскопы широко ис$пользуются для просмотра внутренних поверхностей сцелью обнаружения таких дефектов, как трещины, порис$тость, пузыри и т. п.

Отверстия, полученные при литье и обработке давле$нием, по сравнению с отверстиями, полученными резани$ем, отличаются по габаритам, шероховатости поверхно$сти и форме сечения, что требует эндоскопов особой кон$струкции и специфических приемов работы: значительнаяглубина отверстий затрудняет использование стандартныхэндоскопов из$за пониженной яркости изображения иухудшения разрешающей способности; более грубая по$верхность требует перед визуальным контролем обязатель$ной многократной механической и химической очистки;нецилиндричность формы сечения вызывает особые тре$бования к конструкции центрирующих устройств и фоку$сирующих систем.

Авиационно космическая промышленность. Надеж$ность эксплуатации летательных аппаратов в значитель$ной степени зависит от качества визуального контроляузлов двигателей, систем питания горючим, воздухом,систем управления и торможения.

Так, эндоскопы, спроектированные для ввода в каме$ру сгорания через отверстия в штуцере горелки, позволя$


ют получить цветное изображение поверхности, в частно$сти определить качество сварного соединения без демон$тажа двигателя.

С помощью эндоскопов можно эффективно контроли$ровать втулки пропеллеров, передаточные шестеренчатыемеханизмы, гидравлические цилиндры, механизмы при$земления. Лонжероны крыльев и распорки контролиру$ются на наличие усталостных трещин, заклепки и секциикрыльев — на наличие коррозии.

Автомобильная промышленность. Эндоскопы можноэффективно использовать для контроля отливок и поко$вок, цилиндров после хонингования и т. п.

Недоступные места масляных систем маленьких помп,электрических двигателей и прочих механических и элек$трических конструкций могут быть легко исследованы безразборки. Эндоскопы могут быть широко использованыпри решении многих трудных проблем визуального кон$троля при обслуживании и ремонте автомобилей, в част$ности при диагностировании двигателей. Их можно вво$дить в отверстия узлов и осматривать состояние кулачкови шестерен, муфт и тормозов и других подвижных дета$лей с целью определения их износа — например, цилинд$ры двигателей могут проверяться через отверстия для све$чей без удаления головки цилиндра. Стенки цилиндра,клапаны, головки поршня надежно контролируются ви$зуально. Повышенный износ, нагар и другие дефекты по$верхности легко наблюдаются. Коленчатый вал и картермогут быть продиагностированы через отверстия корпусабез разборки и съема коленчатого вала. Подобным обра$зом могут быть проверены механические или гидравличе$ские передачи и дифференциал.

Электростанции и атомные объекты. На тепловыхэлектростанциях эндоскопы используются для контро$ля лопаток турбин, генераторов, двигателей, насосов,конденсаторов, панелей управления и других электри$ческих и механических элементов без демонтажа. Ониактивно применяются также при визуальном контролебойлерных труб на точечную коррозию, накипь и другиедефекты. Эндоскопы, используемые для такой работы,


обычно сконструированы секциями длиной 2...3 м, кото$рые могут пристыковываться друг к другу, давая прибортребуемой длины.

Эндоскопы и методика их использования при контро$ле внутренних поверхностей атомных реакторов без раз$борки с целью обнаружения волосовых трещин, коррозиии других дефектов имеют следующие особенности: в опти$ческих системах почти всегда ставятся оптические эле$менты из специальных сортов стекла, не темнеющего подвысокой лучевой нагрузкой; используются приборы боль$шой вертикальной компоновки со сломанной оптическойосью при значительном удалении окуляра по горизонта$ли от исследуемого загрузочного канала; почти все прибо$ры способны работать при тепловых нагрузках до 150�С,т. е. сразу же после выключения реактора.

Химическая и нефтехимическая промышленность.Испарительные конструкции, ректификационные блоки,камеры химических реакций, цилиндры, реторты, печи,камеры сгорания, теплообменники, сосуды под давлениеми много других типов оборудования для химических про$цессов можно визуально проконтролировать как обычны$ми эндоскопами, так и эндоскопами измененных конст$рукций. Цилиндры и барабаны могут быть проконтроли$рованы на состояние внутренних поверхностей, напримерна коррозию, ржавчину и другие дефекты. Эффективентакже контроль цистерн на ржавчину, коррозию, состоя$ние выпускных клапанов.

4. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯТЕХНИЧЕСКИХОБЪЕКТОВ

Техническое диагностирование объектов прово$дят в целях определения возможности их дальнейшей экс$плуатации и остаточного ресурса в следующих случаях:� после аварий;� после ремонтно$восстановительных работ с примене$

нием сварки;� при выявлении случаев нарушения установленного

регламента эксплуатации (повышения рабочего дав$ления, расширения диапазона рабочих температур,увеличения цикличности нагружения и др.);

� по истечении установленного в паспорте сосуда срокаэксплуатации (исчерпании установленного ресурса);

� при наступлении сроков, установленных по результа$там предыдущих технических диагностирований;

� при отсутствии в паспорте объекта данных о допускае$мом числе циклов нагружения, расчетного срока служ$бы после длительной эксплуатации или при утере пас$порта.Работы по техническому диагностированию объектов

носят комплексный характер и включают анализ техниче$ской документации, наружный и внутренний осмотр, ви$зуально$измерительный контроль объекта, контроль рабо$тоспособности системы автоматизации, неразрушающийконтроль качества сварных соединений, толщинометрию,определение химического состава, металлографическиеисследования, оценку механических свойств основногометалла и сварных соединений, проведение коррозионных


исследований, проведение расчетов на прочность, анализповреждений и параметров технического состояния объ$екта, установление критериев предельного состояния,определение остаточного ресурса, гидравлические (пнев$матические) испытания (для сосудов).

Анализ прочности является одним из наиболее ответ$ственных этапов диагностирования, в результате которо$го определяются фактические запасы прочности на моментдиагностирования, условия и ресурс дальнейшей безопас$ной эксплуатации. Расчет на прочность выполняется сучетом результатов технического диагностирования (фак$тических размеров, расположением выявленных дефек$тов, результатами исследования свойств металла).

В качестве параметров технического состояния объек$тов чаще всего используют измеренные величины возник$ших повреждений, данные об изменении физико$химиче$ских характеристик материалов, число циклов нагруже$ния, величины критического износа, глубины коррозии,толщины стенки сосуда, критической повреждаемости,деформации, величины трещины, различные критерииразрушения, косвенные параметры и пр.

4.1. ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРСТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТАИ ПРИНЦИПЫ ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Под ресурсом понимают суммарную продолжитель$ность непрерывной работы объекта от начала его эксплуа$тации или ее возобновления после ремонта до перехода впредельное состояние (состояние, при котором дальней$шее применение по назначению объекта недопустимо илинецелесообразно), а под остаточным ресурсом — то же,но от момента контроля его технического состояния.Оценка ресурса конструкций сводится к прогнозирова$нию времени до наступления отказа и основана на ана$лизе условий эксплуатации, результатов техническогодиагностирования и экстраполяции временны ´х зависи$мостей значений параметров технического состояния объ$екта (характеристик приводящих к отказу процессов) доих критической величины. При множественности исполь$

4. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 201

зуемых диагностических параметров критерием состоя$ния является характеристика процесса, определяющегоминимальный ресурс.

Для прогнозирования остаточного ресурса необходи$мо знать закономерности изменения параметра техниче$ского состояния, которые более точно могут быть опреде$лены по данным длительных наблюдений за изменениемсостояния. Однако в большинстве случаев при диагности$ровании данных наблюдений бывает недостаточно. В та$ких случаях необходимо использовать априорную инфор$мацию о виде временных зависимостей параметров состоя$ния и возможные погрешности при контроле значенийпараметров состояния. Для прогнозирования остаточно$го ресурса используются линейные, степенные, логариф$мические, экспоненциальные и другие виды временны ´хзависимостей.

Построение графика определения остаточного ресурса(рис. 81) осуществляют через функцию плотности распре$деления ресурса f(t) при фиксированном значении пара$метра состояния Qпp, соответствующего предельному со$стоянию объекта, находят границы распределения ресурсаи принимают реализацию процесса изменения параметраQ(t)i выровненными без перемешивания. На основании

Рис. 81Графическое определение остаточного ресурса


уравнения при известном значении показателя степени �,принятом по данным ГОСНИТИ, находят соответствую$щие значения коэффициента, характеризующего скоростьизменения параметра:

�

�

�

� � � � �

� � � � �

� � � � �

пр o н рн н

пр o ср рн ср

пр в в рн в

;

;

.

Q Q t

Q Q t

Q Q t

По найденным значениям � строят графики реализа$ций изменения параметра Q(t)н, mQ(t), Q(t)в.

При заданной наработке tg на момент диагностирова$ния определяют параметр Qg, характеризующий техниче$ское состояние, и наносят уровень параметра Qg на график.Из допущения о нормальном распределении наработки всечении определяют отклонение реализации t1, соответст$вующее наработке сборочной единицы на момент диагно$стирования tg от математического ожидания ti, в грани$цах трехсигмовой зоны либо зоны гамма$процентного ре$сурса. Остаточный ресурс рассматриваемой реализацииэксплуатации объекта определяем по формуле

tост = tpt – tpg,

где tpg — наработка на отказ сборочной единицы на мо$мент выполнения диагностирования; tpt — наработка сбо$рочной единицы до предельного состояния рассматривае$мой реализации изменения параметра технического со$стояния.

При использовании линейной модели временны ´х за$висимостей для прогнозирования остаточного ресурса не$обходимо знать критическое значение параметра состоя$ния и скорость приближения объекта к нему. Например,остаточный ресурс аппарата, подверженного действиюкоррозии (эрозии), определяется по формуле

�ост = (Sф – Sp)/a,

где Sф — фактическая минимальная толщина стенки эле$мента; Sp — расчетная толщина стенки элемента; а —скорость равномерной коррозии (эрозионного износа).


Остаточный ресурс объекта, работающего в условиях уста$новившейся ползучести материала, определяется (при1%$ном пределе ползучести) по следующей зависимости:

�ост = 1/ап – �пр,

где ап — скорость установившейся ползучести, % в еди$ницу времени; �пр — продолжительность эксплуатации отначала до последнего обследования.

Остаточный ресурс объектов, подверженных хрупкомуразрушению (т. е. работающих при пониженных темпера$турах, наличии крупных дефектов или трещин), опреде$ляется в зависимости от их первоначального расчетногосрока службы � и от вероятности хрупкого разрушения,связанной с характером выявленных дефектов и объемомконтроля, проведенного при техническом диагностиро$вании

�ост = в�,

где в = 0,1...0,5 — коэффициент вероятности.При прочностных расчетах и оценке усталостной дол$

говечности используются различные кривые усталости игипотезы суммирования повреждений. Примерами такихрасчетов является определение эквивалентного числа цик$лов нагружения зубчатых передач, долговечности под$шипников качения, ременных передач.

Для повышения точности прогнозирования ресурсаповреждаемых деталей производят наблюдение за процес$сом накопления повреждений и используют деформаци$онные, энергетические или силовые критерии разруше$ния. Энергетические критерии разрушения характеризу$ют связанное с разрушением изменение потенциальнойэнергии материала, измеряемое, в частности, методом аку$стической эмиссии. При использовании деформационныхкритериев о повреждении судят по величине деформации,а оценка расчетного числа Np циклов нагружения или вре$мени � до разрушения ведется на основе выражений

�

� � � �� 0 0

или ,( )

pNt

N c t cc a c

еdNС С С dt СN е е


где СN, Сt — меры усталостного и статического поврежде$ний соответственно; Nc — разрушающее число циклов;ea, et — деформации соответственно при циклическом идлительном статическом нагружении; ec — разрушающаядеформация; Сc — критическое повреждение.

Используемая для решения этих уравнений криваяусталости связывает разрушающее число циклов Nс с ам$плитудой пластической eap и упругой eae деформаций сте$пенной зависимостью Мэнсона — Коффина — Лангрена

�{ , }{ , } { , },p em map ae С р eе e N C C

где mp, me, Cp, Ce — характеристики материала. Для кон$струкционных сталей mp 2 0,5...0,6, me 2 0,1...0,12.

Для обеспечения безопасности конструкций вместокритических повреждений, соответствующих достиже$нию предельных состояний, в расчет вводятся допусти$мые повреждения [С] с использованием коэффициентовзапаса по напряжениям и долговечности. Сс и [С] разделя$ют области безопасной, ограниченной безопасности и опас$ной эксплуатации. При экспертизе безопасности объектав момент времени tK проводят инструментальную оценкуповреждаемости, по значению которой и предыстории на$гружения строят расчетную модель СM(t) накопления по$вреждений. Далее экстраполируют функцию СM(t) до мо$мента достижения допустимых повреждений [С]. Остаточ$ный ресурс по этой схеме, в соответствии с ГОСТ 27.002$89,представляет собой разность моментов tK и tP (время до$стижения расчетной долговечности). Моменты tP и tC (вре$мя достижения критической поврежденности) можно оце$нить только вероятностно ввиду неопределенности буду$щих ситуаций и погрешности модели СM(t).

Для определения значений долговечности деталей ма$шин, работающих в условиях термоусталостного разру$шения, используется многомодельный подход к выборудеформационного критерия разрушения и уравнение

�

�� 1

1 21,

nki ip

C C


где ��i, �pi — размахи упругих деформаций и деформацийползучести соответственно; �*, p* — деформационная спо$собность материала в условиях кратковременного растя$жения и ползучести соответственно; k, n, C1, C2 — эмпи$рические коэффициенты, определяемые по результатамразрушающих испытаний.

Вытекающая из представлений кинетической концеп$ции прочности методология долгосрочного прогнозирова$ния механического разрушения состоит в определениивремени ��ост, оставшегося до момента накопления крити$ческой концентрации микротрещин C*, путем оценки па$раметров и решения следующей системы уравнений:

��

�

� �

� � ��

� �00

ост пр

( ) 1 exp / ( ( )) 0,01,

,

Cdt t dC

где �пр — предварительно потерянный объектом ресурс.Параметры уравнений повреждаемости и в частности па$раметры функции 8(� 9 ��/KТ) (или �), :�(t) уравненияроста концентрации микротрещин определяют экспери$ментально, после чего рассчитывается �*.

Уравнение роста концентрации микротрещин при од$нородном разрушении имеет вид

��0

ср0

( ) ,( )

tdtC t C

t

и первое уравнение системы упрощается:��

�� ср0

0,01.( )

dtt

Для решения приведенной системы уравнений необ$ходимо знать величину предварительно потерянного ре$сурса �пр, объекта с уже предварительно накопленной кон$центрацией микротрещин Спр.

Трещинообразование в повторно нагруженном образ$це описывается уравнением

dC/dt = (C0 – Спр – C)/:п,


Рис. 82Диаграммы роста повреждаемости объекта (а) и графическая интер$претация расчета остаточного ресурса ост предварительно эксплуати$руемых и нагруженных при диагностировании конструкций (б). пр,д — составляющие потерянного ресурса из$за предварительной рабо$ты объекта и из$за опрессовки


где Спр = C0tпр/:пр; tпр — время предварительно отработан$ного периода; :пр — среднее время ожидания разрушенияодного структурного элемента за этот период; :п — то жеза период последующей работы.

Время ��ост, оставшееся до разрушения, определяетсяиз условия

� �� ост пр( ) ,C C C

откуда остаточный ресурс объекта, работающего, напри$мер, в режиме постоянного нагружения

� � �� ост пр п 0 пр п пр/ / .C C t

Таким образом, для прогнозирования остаточного ре$сурса кроме оценки параметров состояния диагности$руемой конструкции необходимо знать параметры пред$варительного нагружения. В распространенном случаеидентичности режимов предварительной и последующейэксплуатации имеем

� �� ост п 0 пр/ .C C t

На случай диагностического нагружения (опрессовкасосудов давления) в течение времени tопр общая потеря ре$сурса (рис. 82а, б)

�пр = tпр + tопр:п/:опр.

4.2. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙМЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Сварные соединения — наиболее распространенный вмашиностроении вид неразъемных соединений. Высокаятехнологичность, низкая стоимость, малая трудоемкостьизготовления и возможность снижения массы металло$конструкции позволяют эффективно использовать соеди$нения при изготовлении изделий больших размеров. Эторезервуары, трубопроводы, корпуса сосудов и летательныхаппаратов, железнодорожные вагоны, фермы мостов, ку$зовов автомобилей и др. Вместе с тем сварные соединениялимитируют ресурс включающих их металлоконструкций,


повреждаясь под длительным действием силовых и кор$розионных факторов.

Обладая высоким пределом прочности, сварные соеди$нения теряют работоспособность из$за много$ и малоцик$лового усталостного разрушения. Наиболее вероятнымэксплуатационным повреждением сварных соединенийбольшинства деталей машин и элементов конструкций(подкрановые балки, несущие узлы транспортных устано$вок и т. д.) является многоцикловое усталостное разруше$ние. Малоцикловая усталость является основной причинойобразования трещин в сварных соединениях оборудованиятепловых и атомных станций, элементов конструкций ле$тательных и химических аппаратов, судовых конструк$ций, технологических установок, элементов автомобиль$ного транспорта, работающих в коррозионной и радиоак$тивной среде в условиях концентрации напряжений.

Задача по повышению надежности сварных соедине$ний решается путем улучшения условий эксплуатацииметаллоконструкций, укрепления соединений посредствомнанесения усиливающих наплавок, совершенствованиемсварочных технологий, применением высококачественныххорошо свариваемых сталей, совершенствованием методовдиагностики и оптимизации систем эксплуатационногоконтроля. Существенное значение в этом отношении при$обретают знания о процессах, приводящих к отказу свар$ных соединений, об особенностях и о закономерностяхэволюции микроструктуры материала в процессе изготов$ления и эксплуатации, причинах и механизмах повреж$дений сварных соединений, методах их расчета и прогно$зирования работоспособности, неразрушающего контро$ля и диагностирования состояния.

Работоспособность сварных соединений обусловлива$ется технологическими, конструкционными и эксплуата$ционными факторами и, как правило, определяет работо$способность содержащей ее конструкции. Особенно остропроблема с обеспечением надежности сварных соединенийвстала в последние годы в связи с нарастающим старени$ем промышленного оборудования, средний срок службыосновной части которого приближается к 30 годам. В не$


которых областях промышленности до 95% его уже ис$черпало свой расчетный ресурс.

Основным критерием работоспособности сварных со$единений является прочность, которая зависит от качест$ва основного металла и его способности к свариванию, со$вершенства технологического процесса сварки, конструк$ции соединения, способа сварки, характера действующихнагрузок, условий эксплуатации. Значительно снижаютпрочность технологические дефекты сварных швов, кото$рые, согласно допускам Международного института свар$ки, классифицируются на трещины, раковины, поры, твер$дые и газовые включения, окисные плены, несплавленияи непровары, подрезы, искажения внешней формы свар$ного соединения (смещение свариваемых кромок, изме$нение толщины сварной детали, скопление металла в мес$те пересечения швов). Так, наличие подреза, например,может снизить циклическую прочность сварного соедине$ния в 20 раз. Не менее опасно влияние эксплуатационныхдефектов, вызванных коррозионными процессами, образо$ванием и ростом микротрещин. Факторами, усложняющи$ми условия работы сварных соединений, являются корро$зия и эрозия от потоков газов и жидкостей, радиацион$ные повреждения, водородная хрупкость, окисление.

Одним из наиболее слабых мест металлоконструкцийэнергоблоков АЭС также является сварной шов. Типовы$ми местами повреждений оборудования АЭС являютсязоны вварки патрубков, композитные сварные стыки,зоны конструкций, подверженные пульсациям темпера$тур (граница раздела «вода — пар», дренажи, впрыски,воздушники, места смешения теплоносителей с различ$ными температурами и т. п.). В 40% деаэраторов тепло$вых и атомных электростанций, обследованных в послед$нее время в нашей стране и за рубежом, были обнаруженытрещины. Типичные места обнаружения трещин — этозона приварки колонки к баку, сварные стыки, стыки при$варки разделительных перегородок и ребер жесткостии т. п. Причиной образования трещин явилась малоцик$ловая усталость в коррозионной среде в условиях концен$трации напряжений.


Проблемы прочности сварных соединений являютсяпредметом интенсивного исследования специалистами вобласти материаловедения, механики материалов и фи$зики прочности. Обеспечение и оценку прочности произ$водят различными методиками в зависимости от этапаобеспечения надежности. На этапе проектирования при$нимают упрощающие решение задачи допущения сплош$ности, однородности, упругости, изотропности материа$ла и др. Проектный расчет сварных швов производят изусловия непревышения расчетными напряжениями допус$каемой величины, связанной с характеристиками проч$ности сварных швов — пределами прочности (временны ´мсопротивлением), текучести, выносливости. Проверочныйпрочностной расчет или расчет введенных в эксплуатациюсварных соединений сводится к оценке коэффициента за$паса прочности или времени до их разрушения (ресурса).

Стандартные методы оценки прочности сварных соеди$нений предусматривают их разрушающие испытания настатическое растяжение, циклическое нагружение в раз$ных направлениях или трещиностойкость. При статиче$ском испытании стандартных образцов (рис. 83) опреде$ляют прочность наиболее слабого участка стыкового илинахлесточного соединения или прочность металла шва встыковом соединении. Определяют временно ´е сопротив$ление

� �в п ,FkA

где kп — поправочный коэффициент (для углеродистойстали равен 0,9); F — разрушающая нагрузка; А — пло$щадь поперечного сечения образца.

Расчеты и обоснование циклической прочности машини конструкций проводят в настоящее время с использова$нием двух основных предельных состояний: по образова$нию макротрещины и по ее развитию. Разрушение рас$сматривается в виде процесса, состоящего как минимумиз двух стадий: стадии рассеянных повреждений и ста$дии роста трещины. Первая стадия более длительна и за$нимает 50...90% от общего времени до разрушения. Дляее описания используются феноменологические (полуэм$


пирические) или структурные модели, изображающиепроцесс накопления повреждения в материале в виде вре$менны ´х функций, ограниченных моментом накопленияпредельной повреждаемости. Для описания второй стадииразрушения или расчета конструкций с трещиноподобны$ми дефектами используются уравнения и критерии линей$ной и нелинейной механики разрушения. Под моментом

Рис. 83Виды образцов, используемых для определения механических

характеристик сварных соединений


образования трещины малоцикловой усталости деталей,выполненных из традиционно применяемых конструкци$онных материалов, обычно понимается появление так на$зываемой инженерной трещины длиной 0,8 мм, глубиной0,4 мм. Размеры трещины были выбраны исходя из воз$можностей применяемых методов неразрушающего кон$троля и соображений ее безопасности. Прогнозированиеразрушения сварных соединений проводится по резуль$татам оценки параметров процесса разрушения либо напервой, либо на второй его стадии, в соответствии с чемпрогнозирование может быть долгосрочным либо кратко$срочным. Методы расчета конструкций с типичными длясварных соединений дефектами нетрещиноподобной фор$мы (поры, шлаковые включения, неметаллические вклю$чения, точечное скопление пор и включений) ведутся наоснове описания накопления повреждений с учетом срав$нительно высокой концентрации напряжений.

Циклическая прочность и долговечность сварных со$единений до момента образования трещины оцениваетсяразличными методиками по уравнениям различных кри$вых усталости. Определение ресурса � или числа циклов NР

до образования трещины ведут по кривым циклической илидлительной прочности, данным о накоплении поврежде$ний и одному из критериев разрушения конструкции.Выбор критериев предусматривает использование однойили нескольких моделей разрушения.

Установлено, что в области малого числа NС циклов доразрушения сварного соединения (NС < 103) общая дефор$мация определяется главным образом пластическим из$менением формы и размеров образца. Разрушение проис$ходит с большими пластическими деформациями, проч$ность соединения определяет основной металл и зонатермического влияния. В области более высокого числациклов (при NС > 104) материал деформируется упруго,основное значение для прочности соединения имеют уста$лостные повреждения в сварном шве, так как прочностьосновного металла превосходит прочность других зон, егопластичность � при этом минимальна и приближается кпластичности других зон (рис. 84а).


Рис. 84Кривые малоцикловой усталости сварных соединений:

а — кривые малоцикловой усталости и изменения пластичности различных зонсварных соединений сталей 16Г2АФ (1, 2) и ВМСт3сп (3, 4, 5): 1, 3 — металл уг$лового шва; 2, 5 — основной металл; 4 — металл зоны термического влияния сты$кового соединения; б — кривые малоцикловой усталости лобовых (2, 4) и фланго$вых (1, 3) сварных соединений.

а

б


При снижении значений напряжений происходит уве$личение числа циклов до разрушения. Как видно из рис. 84,при NС > 104 зависимость lgNц – � близка к прямолиней$ной, что допускает экспоненциальную связь номинальныхнапряжений в образце и числа циклов до образования тре$щины.

Используемая в стандартных расчетах кривая мало$цикловой усталости сварных соединений описываетсяуравнением

� � const,NmCN

где mN — показатель степени кривой малоцикловой ус$талости. Допускаемые напряжения при малоцикловомнагружении сварных соединений рассчитываются по фор$муле � � �� б т[ ] ( / ) /[ ],Nm

R N N S

где — коэффициент понижения расчетного сопротивле$ния основного металла, определяемый с учетом асиммет$рии цикла, вида соединения и влияния дефектов; �R —расчетное сопротивление (предел выносливости) основно$го металла; Nб, Nт — базовая (5�105 циклов) и требуемаядолговечность элемента конструкции; [S] — нормативныйкоэффициент запаса прочности.

Влияние технологических дефектов на прочность свар$ных соединений проявляется при переменных цикличе$ских нагрузках в большей степени, чем при нагрузках ста$тических. Главным фактором, определяющим снижениеусталостной прочности, является уровень концентрациинапряжений в районе дефекта. Кроме коэффициента влияния различных дефектов на прочностные свойствасварных соединений в инженерных расчетах учитывает$ся значение эффективного коэффициента концентрациинапряжений, имеющего смысл отношения

K� = �–1d/�–1D,

где �–1d — предел выносливости образца без концентра$ции напряжений, площадь поперечного сечения которогосовпадает с площадью поперечного сечения сварной дета$ли; �–1D — предел выносливости сварной детали натурныхразмеров с концентратором напряжений.


При расчете остаточного ресурса потенциально опас$ных объектов исследуются условия и характер нагруже$ния, характеристики механических свойств, особенностинапряженно$деформированного состояния, технологиче$ская дефектность и эксплуатационная повреждаемостьсварных соединений. Расчетное число циклов нагруже$ния NP, которое определяет долговечность до образованиятрещины и входит как верхний предел интеграла повреж$даемости, выражается соотношением

� �

� ��

2

1 1

0,251 ,/(1 )

CP

N a

EeN

S r

где SN — коэффициент запаса прочности по числу цикловнагружения; Е — модуль упругости; еС = ln[1/(1 – �)]; � —относительное сужение (пластичность) материала; �а —амплитудные напряжения.

�� 0,21 {0,5 0,28 },а nK

где �n — номинальные напряжения;

� �� 1 1 в/ ; �(1 )/(1 );r r r

r — коэффициент асимметрии цикла нагружения; K� —коэффициент интенсивности напряжений; �–1, �0,2, �в —соответственно предел выносливости, предел текучести ивременно´е сопротивление.

Многоцикловая усталость сварных соединений (причисле циклов нагружения более 106) оценивается с помо$щью кривой усталости, описываемой уравнением

�mNС = const.

Описываясь функционально, явления накопления по$вреждений и развития трещин в то же время рассматри$ваются как статистические, имеющие ярко выраженнуювероятностную природу. К причинам, влияющим на раз$брос параметров повреждаемости, времени до разруше$ния и ресурса конструкции, относят вероятностную при$роду элементарного акта разрушения, технологические,структурные и эксплуатационные факторы. Для отделения


статистической и детерминированной составляющей про$цесса разрушения используют методы статистического мо$делирования, элементы теории вероятностей и математи$ческую статистику. Прогнозирование усталостной долго$вечности сварных швов при многоцикловом нагружениипроводится путем расчета числа циклов NC до наступле$ния предельного состояния

�

�

��

�

1

у0

1

[ ],

mD

C km

iaii

SN N

P

где �–1D — величина предела выносливости натурной де$тали, рассчитанного для симметричного цикла при базо$вом числе циклов Nб по формуле

�–1D = �–1/Kпр. в,

где Kпр. в — коэффициент снижения предела выносливо$сти, отражающий влияние различных факторов на сопро$тивление усталости сварного соединения детали; [Sу] —допускаемое значение коэффициента запаса сопротивле$ния усталости; m — показатель степени в уравнении кри$вой усталости; �ai — уровень амплитуды напряжений; Pi —вероятность появления амплитуд с уровнем �ai.

Как видно из формул, для расчета ресурса кроме ха$рактеристик статической и циклической прочности стан$дартных образцов необходимо знание коэффициентов кон$центрации или снижения предела выносливости. В настоя$щее время эти коэффициенты определяются расчетнымпутем в зависимости от методического обеспечения, видаи способа нагружения, характеристик цикла и темпера$туры, технологии изготовления, вида концентратора, ино$гда с привлечением расчетных методов теории упругостии линейной механики разрушения. Расчет коэффициен$тов концентрации производится с учетом вида дефекта иликонцентратора и связывается с визуально определяемы$ми радиусом r перехода шва к основному металлу, толщи$ной s свариваемых элементов, угловатостью с, смещени$ем кромок � (рис. 85а). В наиболее ответственных случа$


ях они определяются по результатам разрушающих экс$периментальных исследований на натурных узлах и соеди$нениях конструкций. Таким образом, геометрические пара$метры шва, определяемые визуально, являются основными

Рис. 85Структура сварных швов: дефекты (а), характерная неоднородность

микроструктуры зон (б) и распределение твердости HV и среднегоразмера D зерен по зонам (в) сварных швов:

ОЗ — околошовная зона; ЗН — зона нормализации; РП — разупрочненная зона;ЗО —зона отпуска; МШ — металл шва; ЗТВ — зона термического влияния; ОМ —основной металл.


показателями его качества, а в случае недоступности де$фектов к осмотру расчет становится невозможным.

В уравнения входит также статистическая характери$стика условий работы сварных соединений — вероятностьPi появления амплитуд напряжений с уровнем �ai. Вероят$ностные методы расчета используют при проектированиии контроле наиболее ответственных конструкций. Они по$зволяют обосновать значение коэффициента запаса проч$ности при заданной вероятности разрушения в зависимо$сти от рассеяния основных механических характеристиксварных соединений и степени непредсказуемости измене$ния эксплуатационных нагрузок. К существенным факто$рам, влияющим на рассеяние ресурса стадии зарожденияусталостной трещины, относится разброс радиусов кривиз$ны зон сопряжения элементов, размеров вырезов, галте$лей, технологических дефектов. На стадии роста трещиныпомимо рассеяния характеристик трещиностойкости доми$нирующее влияние на статистическое распределение ре$сурса оказывает рассеяние размеров исходных макротре$щин, их формы и ориентации, нерегулярность силовых,температурных и коррозионных воздействий.

Для описания статистических распределений значе$ний долговечности, длины трещины, параметров уравне$ния Пэриса, коэффициента интенсивности напряженийиспользуют нормальное, логнормальное, экспоненциаль$ное и Вейбулла распределения. Статистические характе$ристики сопротивления усталости сварных соединенийопределяют по вероятности отказа и включают среднеезначение предела выносливости � ,R среднеквадратичноеего отклонение и параметры уравнения медианной (соот$ветствующей 50% вероятности отказа) кривой усталостивида

�� ,R

С R

AN B

Re

где NС — число циклов до разрушения; АR, BR — эмпири$ческие коэффициенты.

Кривая усталости по параметру вероятности отказавыражается уравнением

�� ( )( , ) ( ) ,R

R

AN P B

RР N P e


в котором параметры АR и BR от вероятности Р не зависят.При проведении усталостных испытаний используют об$разцы, изображенные на рис. 83б...е. Однако при всей сво$ей информативности статистические методы расчета недают индивидуальной оценки прочности и не позволяютэкономить материал при проектировании конструкций сзаданной вероятностью отказа.

Методы оценки прочности (трещиностойкости, «живу$чести») конструкций, находящихся на второй стадии раз$рушения и имеющих трещины, основаны на анализе про$цесса их развития с позиций механики разрушения. Долго$вечность, необходимая для развития трещины от исходногоразмера а0 до любой конечной величины ак, вычисляетсяс позиций линейной механики разрушения, в частностипутем интегрирования уравнения Пэриса — Эрдогана(da/dN = C(�KI)

n) или Н. А. Махутова (da/dN = C�(�KI)n)

для скорости распространения трещины

��

0

1 ,Ka

nа I

a

N K daC

где C�, n — характеристики сопротивления развития уста$лостной трещины в материале; �KI — размах коэффициен$та интенсивности напряжений. Коэффициенты размахаинтенсивности напряжений рассчитываются с учетом видадефекта или концентратора по формулам и таблицам спра$вочников или результатам численного анализа напряжен$но$деформированного состояния на основе подробных дан$ных о геометрии дефекта. Как уже отмечалось, визуаль$ное выявление дефектов не всегда возможно. Кроме того,из$за большого радиуса кривизны поверхности (> 0,01 мм),малого размера дефектов сварных соединений, специфи$ки условий деформации и разрушения в ближайшей к тре$щине области 1 материала с трещиной, размер которой в5...10 раз превышает размер структурного элемента, под$ходы к оценке прочности с позиций линейной механикиразрушения не всегда себя оправдывают. Разделение раз$личных методологических подходов к анализу напряжен$но$деформированного состояния и процесса разрушенияматериала с трещиной показано на рис. 86.


В частности, для прогнозирования остаточного ресурсасварных машиностроительных конструкций подъемно$транспортных машин используются следующие положения:

1. Устанавливается перечень «горячих» (наиболее опас$ных) точек с повышенными напряжениями и концентра$торами напряжений.

2. Состояние конструкции оценивается с позиции двух$стадийной модели процесса разрушения: 1$я стадия — довозникновения трещины размером 5...10 мм; 2$я стадия —рост этой трещины до критических размеров. Методикапрогнозирования зависит от степени полноты информа$ции об истории нагружения и температуре.

3. При наличии информации о нагрузке остаточныйресурс Nост оценивается по формуле

Nост = k1N1 – k2Nф,

где k1, k2 — коэффициенты надежности и фактическойнаработки; N1, Nф — длительность первой стадии процес$са разрушения и фактическая наработка.

Длительность первой стадии определяют из принципалинейного суммирования повреждений, накапливаемыхв зависимости от максимальных напряжений цикла, пре$дела выносливости, показателя степени кривой устало$сти m (может принимать значения 2...20), базового числациклов и коэффициента влияния коррозии.

4. При отсутствии информации о предварительной на$грузке остаточный ресурс оценивается по формуле

Nост = k3Nа,

Рис. 86Разделение района вершины

трещины на три условныеобласти анализа напряженно$деформированного состояния

и процесса разрушения:1 — область определяющего влия$ния структуры материала; 2 — об$ласть использования континуаль$ных решений для тел с трещинами;3 — область номинальных напря$жений.


где k3 — коэффициент надежности; Nа — наработка, тре$буемая для подрастания возможной наибольшей пропу$щенной при обследовании (визуальном осмотре) трещи$ны до критических размеров.

При визуальном осмотре сварных соединений метал$локонструкций подъемно$транспортных машин могутбыть пропущены трещины длиной 100...400 мм. Для по$вышения надежности оценок используют условия огра$ничения скорости развития усталостной трещины или аб$солютного ее размера.

Анализ подходов к оценке прочности материала с тре$щиной показал, что наиболее универсальными здесь яв$ляются кинетические модели зарождения и роста устало$стной трещины, базирующиеся на учете микромеханиче$ских аспектов разрушения возле дефекта или вершиныусталостной трещины. Скорость роста трещины при этомописывается выражением

� � ��

�м м м

ц н

lnexp ,IA U V Kda l С

dN RT

где Aм, Uм, Vм — константы материала; R — универсаль$ная газовая постоянная; Т — температура; �н — частотанагружения; l� — увеличение длины трещины после каж$дого инкубационного периода (не зависит от числа цик$лов); С� — скорость образования микротрещин вблизи вер$шины (описывается уравнением типа закона Аррениуса).Такие модели связывают кинетические теории с подхо$дом механики сплошной среды через коэффициент интен$сивности напряжений.

Кроме всего прочего, сложность оценки остаточногоресурса сварных конструкций связана с противоречиямив нормативных документах, неопределенностью в выборемеханизма и критерия разрушения, неоднозначностью винтерпретации методических рекомендаций экспертами,отсутствием материальных средств для проведения тру$доемких дорогостоящих натурных исследований. Задачаоценки остаточного ресурса еще ждет своего решения.

Одним из путей повышения надежности сварных со$единений является разработка средств неразрушающего


контроля и технической диагностики, используемых дляобнаружения трещин или концентратора напряжений,оценки степени их опасности на работающих объектах.Основная задача диагностики, как известно, состоит в рас$познавании состояния диагностируемого объекта по ре$зультатам регистрации диагностических сигналов. Привыборе диагностических параметров в первую очередь рас$сматривают возможность их измерения. Для неразрушаю$щего контроля прочности сварных соединений использу$ют в основном диагностическую информацию о структуресоединений, полученную рентгеновским, радиографиче$ским, токовихревым, капиллярным и ультразвуковымметодами. Сравнительная чувствительность некоторыхметодов неразрушающего контроля прочности сварныхсоединений характеризуется данными рис. 87. Перечис$ленные методы контролируют признаки, не всегда обла$дающие большой диагностической ценностью по отноше$нию к прочности. В частности, радиографический метод,предназначенный для обнаружения трещин и непроваровв сварном шве, не гарантирует выявления дефектов, рас$положение которых не совпадает с направлением измере$ний. Капиллярный метод, обладая значительной чувст$вительностью к поверхностным дефектам типа трещин,не обеспечивает выявления внутренних дефектов. Уль$тразвуковой метод, обеспечивающий выявление дефектовтипа трещин, предъявляет значительные требования кчистоте обработки поверхности околошовной зоны в мес$те установки приемного датчика.

Рис. 87Характеристические

кривые чувствительностиобнаружения дефектов

методами неразрушающе$го контроля:

1 — рентгеновский метод; 2 —применение окрашивающихжидкостей; 3 — ультразвуко$вой импульсный метод; а — ха$рактерный размер (полудлина)дефекта; Р(2а) — вероятностьобнаружения дефекта.


Все перечисленные методы используются, как прави$ло, на завершающей стадии изготовления изделий, недают информации о кинетике повреждений и связанной сней степени опасности дефектов, что, в свою очередь, за$трудняет принятие заключения о состоянии объекта.

Особое место среди методов неразрушающего контролясварных соединений занимает метод акустической эмис$сии (АЭ), все более широко привлекаемый к контролюсварных соединений металлоконструкций. Одна из обшир$ных областей применения метода АЭ связана с наблюде$нием за процессом сварки, что способствует совершенст$вованию технологии сварки и может существенно повы$сить надежность сварных соединений. Метод АЭ позволяетнесколькими стационарно расположенными датчикамипроконтролировать за одно обследование весь объект. Дан$ный метод выявляет наиболее опасные развивающиесядефекты, позволяет быстро и эффективно оценить состоя$ние оборудования в условиях большого уровня радиацион$ного фона, не позволяющего в полном объеме применятьтрадиционные методы контроля. Эксперименты, выпол$ненные при АЭ$диагностике оборудования, недоступногодля контроля традиционными методами, показали чрез$вычайную перспективность данного метода для переназна$чения проектного срока службы.

4.3. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙУЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ

Согласно ГОСТ 14782$86, при неразрушающемультразвуковом контроле сварных соединений следуетприменять эхо$импульсный, теневой (зеркально$теневой)или эхо$теневой методы. При эхо$импульсном методе при$меняют совмещенную (см. рис. 88а), раздельную и раз$дельно$совмещенную схемы включения преобразователей.

Основными измеряемыми характеристиками выявлен$ного дефекта являются:� эквивалентная площадь дефекта или амплитуда u эхо$

сигнала от дефекта с учетом измеренного расстояния;� координаты дефекта в сварном соединении;


� условные размеры дефекта;� условное расстояние между дефектами;� количество дефектов на определенной длине соеди$

нения.Условными размерами выявленного дефекта являют$

ся его условная протяженность �L, условная ширина �Xи условная высота �H (рис. 89).

Рис. 88Схемы включения преобразователей:

а — совмещенная; б — раздельно$совмещенная.

Рис. 89Условные размеры дефектов и схемы их определения

а

б


По результатам УЗК дефекты относят к одному из типов:� объемные непротяженные �L � �L0, u1 � u2, �X/�H 22 �X0/�H0;

� объемные протяженные �L � �L0, u1 � u2, �X/�H 22 �X0/�H0;

� плоские u1 4 u2, �X/�H � �X0�X0,где u2, �L0, �X0, �X0 — значения амплитуды и услов$ных размеров эталонного дефекта. В каждом типе по5 классов.

4.4. АКУСТИКО"ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Принципиальным преимуществом метода АЭ являет$ся его высокая чувствительность. Методом АЭ выявляют$ся микротрещины размером менее 10 мкм и возможностьнаблюдения за происходящим в конструкции процессомроста повреждаемости материала. Интерпретация резуль$татов АЭ$измерений с позиций различных диагностиче$ских моделей позволяет прогнозировать ресурс машин иконструкций.

При диагностировании целесообразно сконцентрироватьконтроль в наиболее критических местах конструкций, чтонаиболее точно позволяет сделать метод акустической эмис$сии при проведении гидро$ или пневмоиспытаний. Из всегоколичества освидетельствованных сосудов 25% подверга$ется дополнительным испытаниям с применением АЭ$ме$тода. С помощью этого выявляются места расположениядефектов и определяется степень их опасности. Примене$ние метода АЭ для диагностики состояния сосудов одоб$рено Госгортехнадзором России.

При АЭ$контроле используется следующая схема:1. В случае выявления источника АЭ на работающем

объекте в месте их расположения проводят контроль од$ним из традиционных методов (радиационным, ультразву$ковым, магнитопорошковым).

2. При диагностике неработающего объекта и выяв$лении традиционными методами недопустимых дефек$тов за их развитием во время работы следят с помощьюАЭ$метода.


На основании проведенных исследований автором по$собия сформулированы принципы акустико$эмиссионногопрогнозирования момента образования трещины, соглас$но которым для реализации прогноза необходимо выделить(локализовать) области контроля объекта диагностирова$ния, корректно провести АЭ$испытания диагностируемо$го объекта, зафиксировать достаточное для построения вре$менных зависимостей параметров АЭ количество сигналов,определить значения диагностических параметров, пара$метров уравнений повреждаемости и рассчитать ресурс.

В частности, при стационарном и однородном напря$женно$структурном состоянии, когда � 2 const, временнаязависимость числа N� регистрируемых при нагруженииимпульсов акустической эмиссии, применив разложениеэкспоненты exp(x) = x + 1 в выражении �;микромеханиче$ской модели АЭ (§ 3.3.2.3), описывается выражением

N�(t) = kAE(t)C0texp[� – U0(KT)]/�0.

Определив �, можно рассчитать время до разрушенияобразца:

�* = C*/C0�0ехр[U0(KT) – �].

При равномерном нагружении образцов, когда напря$жения в них возрастают с постоянной скоростью �� и � � ��t(режим нагружения при стандартных статических испы$таниях), число импульсов АЭ

� � �� 0 0 0( ) ( ) exp[( )/( )]/( ),AEN t k t C KT t U KT

время до разрушения образца

�* = {U0 – KTln[KTC0/(�0�� C*)]}/�� .

Заметим, что предел прочности при этом

�в = �*�� = {U0 – KTln[KTC0/(�0�� C*)]}/�,

а возможность его оценки по результатам АЭ$наблюденийна начальной стадии нагружения иллюстрирует сущностьнеразрушающего контроля прочности изделий.

Установлено, что временна´я зависимость логарифмачисла N�(t) импульсов АЭ равномерно нагружаемых об$


разцов стыковых сварных соединений имеет три харак$терных участка (рис. 90): кинетически неоднородного раз$рушения (а...b, составляет 10...20% от общего времени tр

до разрушения), кинетически однородного разрушения(b...с, 20...40% от tр) и пластического разрушения (c...d,40...50% от tр), когда скорость нагружения начинает сни$жаться, увеличиваются средняя длительность сигналов икоэффициент их перекрытия. Средняя амплитуда сигна$лов меняется несущественно. Сравнение амплитудных

Рис. 90Временны ´е зависимости параметров нагружения и АЭ


распределений сигналов, зарегистрированных во времен$ны ´х интервалах выделенных участков, обнаруживает по$добие этих распределений. Все это говорит о неизменно$сти значения АЭК. Нелинейность начальных участков за$висимостей N�(t) при постоянной нагрузке или lnN�(t) и

��ln ( )N t при равномерном нагружении связывалась с раз$рушением наиболее дефектных и перенапряженных струк$турных элементов (неоднородное разрушение).

Для проведения экспериментальных исследований вусловиях существенной неоднородности структурно$напря$женного состояния были изготовлены сваренные внахлест

Рис. 91Образцы нахлесточных

соединений 1$го (а), 2$го (б)и 3$го (в) типов

а б

в


«прямые» и «косые» образцы (рис. 91) с лобовыми, флан$говыми и комбинированными угловыми швами, в различ$ных местах швов которых просверливались отверстия диа$метром 6 мм. Материал пластин — сталь Ст3пс5, толщинапластин — 6 мм, сварные швы Н1$катет — 6 мм, по ГОСТ14771$80, сварочная проволока СВ08Г2С ОМ < 1,2 мм, сре$да — углекислота по ГОСТ 8050$85.

4.5. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ АЭ"ПОКАЗАТЕЛИПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХМАТЕРИАЛОВ И СПОСОБЫИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Используемые на практике прочностные АЭ$показатели можно разделить на три категории:� механические, связываемые с величиной энергии, вы$

свобождающейся при образовании новой поверхностив момент образования или роста трещины, напряже$ниями в материале. Чаще всего в качестве таких АЭ$показателей выступает скорость счета, суммарная АЭ,суммарная энергия АЭ;

� микромеханические, связанные с величиной энергии,высвобождающейся при разрушении одного структур$ного элемента, концентрацией микротрещин и скоро$стью ее роста, состоянием структурных элементов (энер$гия одного сигнала ЕС, число импульсов N�, актив$ность ��N АЭ, скорость счета, суммарная АЭ);

� статистические, связываемые с переходом разрушенияна заключительную стадию (эллипсы рассеяния, сред$неквадратичные отклонения параметров АЭ, i�t, Р$кри$терий).Для неразрушающей оценки стандартных характери$

стик прочности авторами пособия предложены диагно$стические АЭ$нанопоказатели XАЕ,YАЕ, ZAE и WFT, опре$деляемые при нагружении различных объектов в различ$ных режимах:

� �

� �

�

��

��

ln ( ) ln ( ) / ,

ln / ln / / ,

ln ln ,

AE

AE

AE AE D

X d N t dt d N t dt KTY d N d d N d KTZ Y N A


Н Нln / ln / ,� �� AE AEW d N dK d N dK Y

где АD = kAEC0/{�0exp[U0/(KT)]} — константа АЭ$испыта$ний; KH = FI/Fраб — коэффициент нагрузки; FI, Fраб —диагностическая и рабочая нагрузки соответственно.

Приведенные АЭ$показатели связаны с показателямитрещиностойкости (коэффициентом интенсивности на$пряжений KI)

� � � � �� 0 0 0/ exp[ /( )]/{ exp[ /( )]},mD AEIN dN dt A K k C KT U KT

при АD = kАЕC0/{�0exp[U0/(KT)]} = const,

ZАЕ = lnN� – lnАD = mlnKI,

откуда коэффициенты АD и m модели Дунегана

АD = lnN� – mlnKI; m = ZАЕ/lnKI.

Эффективность неразрушающего контроля АЭ$пока$зателями прочности оценим на основе анализа их пред$ставительности. Представительность диагностическогоАЭ$показателя характеризуется соотношением теснотысвязи его значений с характеристикой прочности и стати$стической устойчивости этого показателя. Алгоритмы оп$

Рис. 92Результаты испытаний образца стыкового сварного соединения


ределения параметра YAE рассмотрим на конкретном при$мере АЭ$испытания образца (рис. 92). При отсутствиимультипликативных помех (kAE = const) значение пока$зателя YAE определяется по формуле

YAE = dlnC/d� = dln(dC/dt)/d� = ln(�2/�1)/(�2 – �1).

При использовании в качестве информативного пара$метра � числа импульсов АЭ N�, регистрируемого в моментравномерного нагружения, параметр kYАЕ = �/F (где k =9 �/F — коэффициент пропорциональности между нагруз$кой F на образец и средними номинальными напряжения$ми в образце) определяется следующим образом. Зависи$мость F(t) линейна (упругая деформация) до 255 с (нагруз$ка F = 3,5 у. е.). При t = 70 с F = 0,5 у. е., lnN� = 2,89. Приt = 100 с F = 1 у. е., lnN� = 4,2. При t = 134 c F = 1,5 у. е.,lnN� = 4,941. При t = 223 c F = 3 у. е., lnN� = 6,48.

kYAE = ln(�2/�1)/(F2 – F1) = (lnN�2 – lnN�1)/(F2 – F1) == (6,48 – 4,941)/1,5 = 1,026 у. е.–1

илиkYAE = (6,48 – 4,2)/2,0 = 1,14 у. е.–1.

При использовании в качестве информативного пара$метра � активности АЭ ��N на этапе ее возрастания значе$ние kYAE определяется по рис. 93.

Рис. 93Логарифм АЭ на времен$но ´м этапе их возрастания

kYАЕ = (4,487 – 3,46)/2 == 0,5135 у. е.;

kXАЕ = (4,487 – 3,46)/(255 –– 134) = 0,0085 c–1.

��

�


Расчет показателя kYAE образцов нахлесточных свар$ных соединений опирается на данные эксперимента, ил$люстрирующие однородность разрушения до 230$й секун$ды (рис. 94), протекающего в условиях упругого дефор$

Рис. 94Зависимость логарифма числа импульсов от времени и этапы

разрушения при нагружении образца нахлесточного соединения

Рис. 95Зависимость длительности импульсов от времени при нагружении

образца нахлесточного соединения


мирования (без длительных импульсов, рис. 95) и равно$мерного нагружения (рис. 96) до 230$й секунды от нача$ла опыта.

Рис. 96Зависимость нагрузки от времени при нагружении образца нахле$

сточного соединения

Рис. 97Корреляция расчетных значений напряжений и показателя kYAE


По приведенным данным (рис. 94, 96, см. угловые ко$эффициенты временны ´х зависимостей)

kYАЕ = ln(�j/�i)/(Fj – Fi) = 0,0271/217,38 = 0,000125 Н–1.

В табл. 4 приведено сопоставление результатов оцен$ки максимальных напряжений, степени дефектности иАЭ$показателя прочности kYАЕ (рис. 97) образцов нахле$сточных сварных соединений, иллюстрирующее инфор$мативность последнего, — чем выше дефектность, темвыше максимальные напряжения и значения показате$ля kYАЕ, коэффициент корреляции значений максималь$ных напряжений и kYАЕ равен 0,925315.

� � � � � � � � ��

�� !��

"��!��

#��!��

$�� %��

&��&��'��(�

��)*��+��

��

� ��

��

��

��

� ��

��

��

��

��

� � ��

�� !��

�

��


Кроме определения kYAE = dln�/dF рассчитывалисьзначения величины

YAE ном = kYAEАном, YAE ф = kYAEАпол,

где Аном, Апол — номинальная (без учета дефектов) и по$лезная (фактическая) площади поперечного сечения об$разца стыкового соединения соответственно.

Результаты оценки прочности группы стыковых соеди$нений приведены в табл. 5.

Полученное среднее значение АЭ$показателя

YAE фср = 0,00828 МПа–1

(разброс в пределах 0,003...0,016 МПа–1) или активаци$онного объема бездефектного сварного образца марки Ст3(при Т = 293 К)

� � � � � � � � ��

��

�� !"#�

#�� $�

%%�� !"#�

�� !� �"� �� ! ��

#��"� �� $%��&�'�(�� (��


�кр = YAEKТ = 3,348�10–29 м3 = 0,03348 нм3

может быть использовано в качестве критического, пре$вышение которого означает уменьшение фактической пло$щади или наличие дефекта. В табл. 6 приведены значениявеличины YAE, полученные при различных видах нагру$жения и использовании в качестве информативных � раз$личных первичных параметров АЭ.

Энергия активации процесса разрушения являетсяхарактеристикой атомно$молекулярного взаимодействияи актов разрушения тела, константой материала. Однакок ее определению в усложненных случаях разрушенияследует подходить с особой осторожностью. Для коррект$ного определения энергии активации требуется сохране$ние температурных, силовых и структурных условий раз$вития термофлуктуационных актов разрушения.

По отношению к величинам, полученным из резуль$татов малоцикловых циклических и длительных стати$ческих испытаний, определяемые по формуле

�� 0 ( 35 ln( )),AE AEU KT Y Y

значения U0 были заниженными и составляли 115...120кДж/моль, что объяснялось влиянием внутренних на$пряжений �вн и пластичности материала при разруше$нии. Учет этого влияния путем подстановки в уравне$ние откорректированных значений предела прочности �*

� � � � � � � � ��

�� !� "��#$%&�

�� !�� "��#��$�#��%� � ��"��#��


(рис. 98) давал значения U0 = 130...135 кДж/моль, чтосовпадало со значениями, рассчитываемыми по результа$там малоцикловых испытаний зоны термического влия$ния сварного шва или материала шва и формуле

U0 = 2,3RT(lg� + 13),

где R = 8�10–3 кДж/(моль�град) — универсальная газоваяпостоянная; Т = 300 К — абсолютная температура опы$та; � = �вNС(� = 0), �в = 6...60 с — период одного цикла;NС(� = 0) — значение, получаемое экстраполяцией прямойlgNС(�) на ось lgNС. Для основного металла значения U0

составляли 160...170 кДж/моль. Различие значений U0

основного металла и металла шва объясняется влияниемвнутренних напряжений, зависящих от вида сварного со$единения и технологии сварки. Различие значений U0 ос$новного металла, полученных при циклическом нагруже$нии, от значений U0, полученных по результатам стати$ческих испытаний (330...400 кДж/моль), объясняетсявлиянием внутренних напряжений �вн и нагревом образцаза счет поглощения энергии, пропорциональной площади

Рис. 98Схема корректировки значения предела прочности

сварного соединения, используемая при расчетеэнергии активации процесса разрушения


гистерезисной петли цикла нагружения и растущей с уве$личением частоты �N циклического нагружения образца.Данное различие устраняется заменой значения расчет$ной температуры Т = 300 К на величину Т = 650...700 К.

Уменьшение связанных с влиянием мультипликатив$ных помех погрешностей оценки диагностических пара$метров возможно на основе использования амплитудногораспределения сигналов АЭ. Для примера рассмотрим кор$ректировку параметра YAE. Величина АЭ$показателя проч$ности при переменном АЭК

kYАЭ = dln(dC/dt)/dF = [ln(�2/�1) + ln(kAE1/kAE2)]/(F2 – F1),

где �1, �2 — значения первичных информативных парамет$ров (на рис. 99 активностей dN�/dt на «полочках») при на$грузках F1 и F2 соответственно. Амплитудное распределе$ние сигналов при выдержке образца под постоянной нагруз$кой («слышимая» часть функции Ф(u)) описывается либопоказательным, либо экспоненциальным, либо равномер$ным (прямоугольным) законом. Связываемое с изменени$ем средней амплитуды uср сигнала во время перехода с од$ного уровня нагрузки на другой относительное изменениевеличины АЭК kAE в случае показательного распределения

Рис. 99Диаграммы нагружения, числа импульсов и максимальной

амплитуды импульсов АЭ «ступенчато» нагружаемых образцов


1

2

( 1)ср11( 1)

2 ср

,

��

��

� ��

�

B

H

B

H

Um

mUAE

mUAE

m

U

u duuk

k uu du

в случае экспоненциального распределения

�

�

� � ��

�

1

2

112

2exp( ),

B

H

B

H

Uu

UAE H HU

AEu

U

e duk

U Uk

e du

в случае равномерного распределения с плотностью В

� ��

�

1

1

2

2

ср11

2 ср2,

B

H

B

H

U

UAEU

AE

U

Bduuk

k uBdu

где

U1Н = UН/uср1, U2Н = UН/uср2, UВ = =,

U1В = U1Н + 2uср1, U2В = U2Н + 2uср2

— нижние и верхние пороги чувствительности по ампли$туде.

Учет изменения амплитуд сигналов позволил понизитьмультипликативную составляющую измерительных по$мех и повысить абсолютную величину коэффициента кор$реляции значений показателя kYAE и фактических геомет$рических характеристик Апол образцов сварных соедине$ний с различными дефектами (см. табл. 7).

Коэффициент корреляции традиционно используемо$го числа импульсов N�, накопленного на различных эта$пах нагружения, и величины полезной площади Апол былвесьма низок и находился в пределах –0,32...–0,4. Коэф$фициент корреляции полезной площади и действительнойразрушающей нагрузки Fрд был равен 0,8.


Прогнозируемая разрушающая нагрузка рассчитыва$лась по формуле

� ��

рп 0 0 0 p

0 p

( /( ) ln( / ) ln( ))/( )

( /( ) 35 ln( ))/( ),AE AE

AE AE

F U KT C C F kY kY

U KT F kY kY

где �pF — скорость роста нагрузки в разрушающем экспе$рименте, Н/c.

Последняя формула может быть переписана в виде

�� рп p( ln( ))/( ),AE AEF M F kY kY

� � � � � � � � � ��

��

!��"��#��

$��%"��"� ��

��

��"��&��&�

��

�� "�

��&��&�

�� !�� !�� '� ��'�� !�� !�� " #�$��%�� &$��

'�'%!�� (�)� �*� � �%� � ��%�� %� % � % �� %�� *��*�&%+,� # ��%� �� !�$ �� -.�� %!� �!�� %%+,� #�!�!,�%!/�*0�%��1�


где М = U(U0, Т, �ВН, �N)/(KT) – lnC0/(C*�0) — константавида сварного соединения, температуры и частоты �N егонагружения (коэффициент вариации М составлял 3%). Принеизменной в экспериментах скорости нагружения �pFпримерно постоянной оказалась величина � �рп AEF kY M

�� pln( ) 5,5AEF kY (коэффициент вариации 7 составлял 10%).Таким образом, можно записать

Fpп 2 5,5/(kYAE).

Знание величины рабочей Fраб и разрушающей Fр на$грузки позволяет рассчитать коэффициент запаса стати$ческой прочности

[S] = Fр/Fраб = �В/�раб.

Сравнение действительных Fрд и расчетных Fрп значе$ний разрушающей нагрузки, полученных как при «сту$пенчатом», так и при равномерном нагружениях, приве$дено в табл. 8.

� � � � � � � � � ��

��

�� !�� "�#� ��"�#�

$�� %��

� ��&�(�

$�� %�� &�(�

)*�+��

��

��

��

��

��

��


Из таблицы видно, что средняя относительная ошибкане превышает среднестатистического разброса (относитель$ного отклонения), что свидетельствует о пригодности ис$пользования предложенной методики для прогнозированияразрушающей нагрузки. Средняя ошибка прогнозирова$ния не превышала 21%, что для соответствующего време$ни упреждения (60...70%) соответствовало погрешностямизвестных современных методик прогнозирования пре$

� � � � � � � � � � � � � � ��

��

��

��

��

��

��

��

��

� �!��" ��#��#$��$ � � ��

��

��

��

��

��

��

��

� !�"# �� $��%��$&� ��

�


дельного состояния сосудов давления. При этом не требо$валось проведения обучающего эксперимента, прогнози$рование осуществлялось для разнотипных образцов и приразличных видах их нагружения. В табл. 9 приведены ре$зультаты сравнения различных диагностических пара$метров по представительности оценки разрушающей на$грузки.

На рис. 100, 101 приведены результаты регистрацииАЭ повторно нагружаемых образцов, в том числе предва$рительно выдержанных 2...12 суток под нагрузкой 60 кН

� � � � � � � � ��

��

�� !��

��

�� "��

#��$��$ ��$

��

��%��$��$

��

��

��

��

��

#�$��"��$��

��

��

� �!�"�&� � �� &��#!�� !�"��$�!%&��"�� !�"��'�((�� )� ("�!�*�!!� �� )+(�� )��,�!��!!� �� ("�!��!!� ��"�!%&��!��%��!�!)�-� ��!%!��.��"�!��//��0�1��/21/��3�10�1��0�*#�� !4"�$�!%&��3�� "�!��!3�� 0��5!�4� ��0�1��/2!4� ��3�10��6!*%5��(��)+("�!��!!��)�7��!�01!�� /��3*��"�5!"��3�� 8!��("��"�5!"�1/�1"��45$�"�&)��&&�, �"�9�� !�!%!�.��:��)� ��1��'�� 8 %�1��!��" �!*�!%!�!� �!� 15�9$�!�".;� �)� ��'�� 8 %�1��!� ��" �!�!%!*�!�15�9$�!�".;��)� ��"1��'�� 8 %�1��!��" �!�!%!�!�15*�9$�!�".;��)� ��'�� !��$��5!"�$!��%�3��"��"��* %!�.� ��#!��#� ��!2�� 8�!�".� "188��.� �8 %�1�� !"!��.��%�!%&��"�� !��%/�!�.� ( ��0$!�!�!��$*��"��"�!��//��8 %�1�1) ��8 %�1��!��" �!�!%!�!�15�9$�!�*".;��)� ��"�" ��'�� 8 %�1��!��" �!�!%!�!�15�9$�!�". ��""5�9$�!�".� �� "�!��!!� ��8!�5!"��!� 8!<�1� �� %�'�(=>��=>��)+(��) �3�!�� -��!�"9�1��$�!4�$9�!�<��( �%�5�)�"�15!��8��8 %�1��3�� " �!�!%!�. � ��"��'�(=>��=>��)+(��) � 3�!� � ��-� �*�!�"9� ��5�%�� #�� $��8!��3�� 3�1<!�.� �� "�1 !�&�!�8!<�1� �%�5��8��


образцов сварных соединений. Из рисунка видно, что эф$фект Кайзера выполняется не всегда: сигналы появляют$ся задолго до достижения значения первоначальной на$грузки образцов (300 с), их количество достаточно вели$ко, хотя и меньше, чем при первом нагружении. Затуханиеактивности АЭ и невоспроизводимость параметров АЭ приповторном нагружении материала является свидетельст$вом необратимости разрывов атомно$молекулярных свя$зей, объясняется неоднородностью состояния структур$ных элементов и уменьшением в процессе первого нагру$жения образца доли структурных элементов в нем с низкойдолговечностью. Следует отметить, что к качественно по$добным выводам приводит анализ результатов регистра$ции числа свободных радикалов со временем при нагру$жении полимеров. На временно ´й зависимости lnN(t) по$вторно нагружаемых образцов выделяются три участка:� кинетически неоднородного разрушения a–b;� кинетически однородного разрушения b–c;

Рис. 100Накопление числа свободных радикалов Nрад со временем

в нагруженном ориентированном капроне:1 — нагрузка приложена первый раз; 2 — та же нагрузка приложена вторичнопосле разгрузки и длительного «отдыха» образца.


� разрушения после превышения предшествующей на$грузки c–d.У дефектных образцов участок кинетически неодно$

родного разрушения короткий или отсутствует. Ампли$туды сигналов АЭ и их распределения, а значит, и АЭК до

Рис. 101Временны ´е зависимости числа импульсов АЭ,

показатели прочности ХАЕ образцов сварных соединений (а)и амплитуда сигналов АЭ образца № 2.4 (б):

1 — повторно нагружаемый образец № 2.4 (площадь поперечного сечения Апол == 183 мм2); 2 — повторно нагружаемый образец № 2.3 (Апол = 525 мм2); 3 — впер$вые нагружаемый образец № 7 (Апол = 301 мм2).

а

б


и после превышения первоначального нагружения отли$чаются. Это обстоятельство интерпретируется как прояв$ление масштабного эффекта: крупные структурные элемен$ты менее долговечны и разрушаются при первом нагруже$нии, а разрушение оставшихся менее крупных элементовсопровождается выделением меньшего количества энергии.Дальнейшее повышение амплитуды связано также и с по$вышением напряжений, при которых разрушаются такжеи менее крупные, но более прочные структурные элемен$ты. В табл. 10 показана корреляция полезной площади Апол

и показателя YAE, полученного по линейному участку за$висимости lnN�(t), предшествующему моменту превыше$ния предыдущего нагружения, без учета амплитудного рас$пределения, которая весьма удовлетворительна.

4.6. МЕТОДИКИ АЭ ЭКСПРЕСС"ОЦЕНКИПРОЧНОСТИ И РЕСУРСАКОНСТРУКЦИЙ

К основным характеристикам прочности и ре$сурса машин и конструкций относятся запасы прочностипо различным критериям (статической прочности, мало$цикловой и многоцикловой усталости, трещиностойко$сти), исходный ресурс, накопленные длительные или

� � � � � � � � ��

�� !��

"�� &�� '� �� (��(

�� !�"��#��$�� $��


циклические повреждения,остаточный ресурс. Суть од$ной из методик краткосроч$ного прогноза представлена нарис. 102. Условие наступле$ния второй стадии (роста тре$щины) в момент времени T:

�

� �� 1 1

П1 3 (Иванов),П

i

i

NN

где �Ni, �Ni–1 — число зареги$стрированных импульсов АЭв текущий и предыдущий про$межуток времени; �П — при$ращение параметра нагружения; П — значение парамет$ра нагружения в текущий момент времени.

I�t = ��t/�tср < I�tкр� (Трипалин),i�t = (�tср – ��t)/�tср > i�t� (Буйло),

СКО, коэффициент вариации �U > �Uкр (= 0,4 мВ) (Бы$рин, Нефедьев),

P > Pкр (Петров),

эллипсы рассеяния параметров АЭ (Алёшин, Бигус), где�tср — средний интервал между импульсами; ��t — сред$неквадратическое отклонение амплитуд, Р$Пи$критерий.

Время до разрушения объекта (длительность второйстадии)

t* = TАЭ = (0,01 �;0,1)T.

Методика долгосрочного прогнозирования разруше$ния объекта, определяющего длительность первой стадии(Петров):

�� * * *ср/ it N N N t

— не учитывает неоднородность разрушения (занижениересурса), предполагает необходимость оценки N* в обучаю$щем эксперименте при условиях, идентичных промыш$ленным (трудоемкость), и долгосрочной стабилизацииусловий регистрации сигналов АЭ (kАЭ = const, повышен$ная чувствительность к помехам).

Задача АЭ$диагностики состояния технических объ$ектов решается различными исследователями с позиций

Рис. 102Систематизация методик АЭ

прогнозирования ресурса


либо детерминистического (индуктивного), либо статисти$ческого (дедуктивного) подхода. Различной степенью фи$зической обоснованности обладают и рекомендуемые ПБ$03$593$03 критерии оценки состояния объектов и системыклассификации источников АЭ. Наибольшее распростра$нение имеют методы, использующие механические АЭ$по$казатели прочности, основанные на взаимосвязи скоростисчета, суммарного числа импульсов или активности АЭ икоэффициента интенсивности напряжений. Регистрируясуммарное число импульсов АЭ в процессе диагностическо$го нагружения, оценивают степень опасности трещины изапас долговечности объекта. При этом описываемый урав$нением Дунегана этап излучения импульсов АЭ, регистри$руемый во время равномерного нагружения сосуда внут$ренним давлением, рассматривается как заключительный,соответствующий росту магистральной трещины, что ис$пользуется в качестве прогностического признака прибли$жающегося разрушения. При использовании амплитудно$го критерия в качестве информативных параметров исполь$зуется амплитуда и число импульсов АЭ, а присвоениеисточнику конкретного класса производится по факту пре$вышения средней амплитудой Uср сигналов некоторого зна$чения Ut, предварительно определенного по формуле

Ut = В1Uпор + В2UС,

где Uпор — значение порога амплитудной дискриминации;UС — величина превышения порога сигналом АЭ, соответ$ствующим росту трещины в материале; В1, В2 — коэффи$циенты, определяемые из эксперимента, зависящие отматериала контролируемого объекта.

Интегральный критерий позволяет классифицироватьисточники АЭ по росту скорости счета и средней амплиту$ды сигналов во время нагружения. Рост амплитуды оце$нивается величиной Jk относительной силы источника АЭ,рассчитываемой на каждом k$м интервале регистрации поформуле

�

�

�ср

ср1

,Kk K

kk

UJ

W U


где UсрK — средняя амплитуда источника за интервал k;Uсрk — средняя амплитуда всех источников АЭ по всемуобъекту, за исключением анализируемого за интервал k;W — коэффициент, определяемый в предварительных экс$периментах.

Классификация источников АЭ по каждому из этихкритериев основана на возможности регистрации особен$ностей АЭ каждого из этапов разрушения (кинетическинеоднородного и однородного мелкодисперсного, образо$вания и роста трещины). Общим недостатком описанныхметодов АЭ$диагностирования является зависимость вхо$дящих в уравнения эмпирических коэффициентов от боль$шого количества факторов и неустойчивость корреляци$онных связей, дестабилизирующая результаты АЭ$наблю$дений. Это сужает значение устанавливаемых корреляцийи требует проведения большого количества предваритель$ных испытаний для каждого типа объекта. В случае жеуникальности объекта статистический подход к АЭ$диаг$ностированию становится неприемлемым.

Указанных недостатков лишены локально$динамиче$ский и интегрально$динамический критерии. Здесь так$же в качестве информативных используются активность,число импульсов или суммарный счет АЭ и их амплитуда,однако основой интерпретации результатов наблюденийздесь являются представления механики разрушения оповреждаемости и развитии трещины, понятия о концен$трационном критерии разрушения. Классификацию ис$точника проводят из сопоставления скорости роста числаимпульсов и нагрузки, времени нагружения, средней ам$плитуды или энергии сигналов АЭ. Зависимость активно$сти АЭ от параметров нагружения описывается показа$тельной функцией (формула Дунегана)

� � ,mD IN A K

где KI — коэффициент интенсивности напряжений; АD,m — эмпирические коэффициенты, а характеристикой ис$точника АЭ является либо показатель m степени этой функ$ции (локально$динамический показатель классификацииИванова — Быкова), либо концентрационно$динамический


показатель, отражающий степень концентрации индика$ций источников АЭ и динамику изменения картины этихиндикаций. Данные критерии более точны, посколькупозволяют различать источники по степени опасности врамках одной стадии разрушения.

В частности, оценку степени опасности источника АЭпо локально$динамическому показателю производят в ре$альном масштабе времени с использованием в качестве ин$формативных первичных параметров АЭ числа выбросов,значения энергии или квадрата амплитуды сигнал АЭ. Длядвух соседних событий i и i + 1 вычисляют отношение Wi+1

этих параметров и величину

Vi+1 = [1 + (ti+1 – ti)/ti + 1]4 – 1,

где ti+1, ti — момент времени регистрации соответствую$щего сигнала АЭ.

Далее производят классификацию источника АЭ:I класс (пассивный источник): Wi+1� Vi+1;II класс (активный источник): Wi+1 = Vi+1;III класс (критически активный источник): Wi+1 > Vi+1;IV класс (катастрофически активный источник): Wi+1�

� Vi+1.Однако, как и предыдущие, данные критерии не свя$

заны с итоговыми прочностными характеристиками ма$териала, не позволяют определить коэффициент запасапрочности, ресурс или время до разрушения объекта, чтоследует отнести к их недостаткам. Покажем возможностьэффективной оценки стандартных прочностных характе$ристик на основе концентрационно$кинетического крите$рия YAE по формуле

�

��

� ��

ln ln

,

j AEi

i AEjAE

j i

kk

Y

где �i, �j — номинальные напряжения, действующие вконтролируемой зоне изделия в i и j моменты времени со$ответственно; �i, �j — значения информативного АЭ$пара$метра при напряжениях �i и �j соответственно; kAЕi, kAej —акустико$эмиссионные коэффициенты при напряжениях �i

и �j соответственно.


При равномерном ступенчатом нагружении контроли$руемого изделия в качестве значений �i и �j можно при$нимать значения номинальных напряжений, соответст$вующие различным уровням нагрузки, а в качестве ин$формативного параметра � может использоваться число N�импульсов АЭ или суммарная амплитуда импульсов АЭN�Uср, накопленных на этапе однородного разрушения домомента достижения напряжениями величин �i и �j, актив$ность АЭ �� ,N скорости накопления суммарной амплитуды

�� срN U в момент достижения напряжениями величин �i и �j,а также различные комбинации этих параметров.

Отношение kAEi/kAEj определяется в зависимости отвыбранного закона распределения числа импульсов АЭ поамплитудам и следующим формулам:� для равновероятностного амплитудного распределения

импульсов АЭ��

�� ;iAEi

AEj j

ukk u

� для показательного распределения амплитуд импуль$сов АЭ

��

��

�

��1

1;

miAEi

mAEj j

ukk u

� для экспоненциального амплитудного распределенияимпульсов АЭ

� �

��

� �� exp ,AEi

AEj j i

k U Uk u u

где uсрi, uсрj — средние амплитуды импульсов АЭ при на$пряжениях �i и �j соответственно; m — параметр показа$тельного амплитудного распределения; Uн — нижний по$рог дискриминации измерительной аппаратуры.

При отсутствии мультипликативных помех АЭ$реги$страции и неопределенности номинальных напряженийоценку YAE производим по упрощенной формуле

� ��

� ��

ln [ ]ln,

j j

i iAE

j i В

SY

K


где [S] — нормативный коэффициент запаса прочности;�KH = KjH – KiH — разница коэффициентов нагрузки; KjH,KiH — коэффициенты нагрузки (доли от рабочей нагруз$ки) KjH = Рj/Рраб, KiH = Рi/Рраб; Рраб — рабочая нагрузка;Рраб 2 �В/(k[S]) = [�]20/k, где �В — предел прочности (времен$ное сопротивление) материала конструкции; k = �/Р — ко$эффициент пропорциональности между нагрузкой наконструкцию (например, внутренним давлением Р) и но$минальным напряжением в ее контролируемой области.Согласно ПБ$03$593$03,

а[�]20/[�]t > KjH > KiH > 0,5,

где а = 1,25 для всех сосудов, кроме литых; а = 1,5 — длялитых сосудов; [�]20, [�]t — допускаемые напряжения дляматериала сосуда или его элементов соответственно при20�С и расчетной температуре. При ступенчатом нагруже$нии объекта контроля с выдержками давления на уров$не Рj и Рi вместо �j и �i принимать минимальную скоростьсчета или активность АЭ на соответствующих уровняхдавления.

Определение коэффициента запаса статической проч$ности производим по формуле

��

рcт

раб раб

ln( ),AEB

AE

M YS

Y

где М(U0, �ВН, Т,�N) = U(U0, �ВН, Т,�N)/(KT) – ln(C0/(C*�0))— константа материала, температуры частоты �N нагру$жения и вида сварного соединения; ��р — скорость ростаноминального напряжения при стандартном статическомиспытании; �раб — номинальное значение рабочего напря$жения в соединении.

Для оценки характеристик циклической прочностииспользуем экспоненциальную связь между напряжени$ем и временем или числом циклов NС до разрушения, опи$сываемую формулой

NС = �N�,

где �N — частота нагружения.


Зависимость N(�) в полулогарифмических координа$тах представляется прямыми линиями (рис. 103). Коэф$фициент снижения предела выносливости

� ��

бпр в

б

(ln ln )/,

(ln ln )/R B R RD

RD B RD R

N N Y YK

N N Y Y

где Nб — базовое число циклов; �R, �RD — пределы вынос$ливости эталонного и контролируемого образцов; YR, YRD —

Рис. 103Построение кривых усталости в номинальных напряжениях и

параметры кривых усталости. Данные представлены в двойныхлогарифмических координатах

а

б


угловые коэффициенты усталостных прямых lnNС – �эталонного и контролируемого образца; NВ = �NС

*�0/C0exp(U0/KT) — константа материала и вида сварного со$единения, температуры и частоты �N его нагружения,

Рис. 104Кривые малоцикловой усталости сварных соединений:

а — результаты малоцикловых испытаний различных зон бездефектных сварныхсоединений стали ВМСт3сп: 1 — металл углового шва; 2 — металл зоны термиче$ского влияния стыкового соединения; 3 — основной металл; б — результаты мало$цикловых испытаний стыковых соединений стали 10ХСНД толщиной 20 мм: 1 —качественное соединение; 2 — угловатость (8 мм на длине 1 м); 3 — непровар 4 мм.

а

б


определяется по результатам циклических испытанийобразцов, построения кривой усталости и экстраполя$ции линейного участка зависимости � (lgNС) на ось lgNС

(рис. 103, 104б). Приблизительно величину NВ можноопределить по формуле

exp(ln ), � �B G R RN N Y

где NG = 2�106 — число циклов, соответствующих переги$бу кривой усталости; m — показатель степени кривой уста$лости.

Значение YRD определяется по результатам неразру$шающего АЭ$контроля данной детали или соединения(YRD = YAE), а величина YR — из данных усталостных ис$пытаний бездефектных эталонных образцов конкретногосварного соединения (рис. 103, 104). При отсутствии све$дений о долговечности и невозможности построения пря$мой lnNС – � значения YR могут быть определены прибли$женно по известным данным показателей степеней кри$вых усталости m и mN сварных соединений. В частности,для многоцикловой усталости с описывающим ее кривуюуравнением �mNС = const

��

lnln ln 1; ; ,ln

R аС СR

а а а а

Y dd N d NY m

d d m d

где �а — амплитудное номинальное напряжение от внеш$ней нагрузки при заданном стационарном цикле.

Таким образом, при расчете на многоцикловую уста$лость

YR = m/�.

Аналогично, при расчете на малоцикловую усталостьс описывающим ее кривую усталости уравнением

� � constNmCN

YR = 1/(�mN).

Значения m = 3...9 или mN = 0...0,6 принимаются взависимости от класса стали и вида сварного соединения.В частности, для малоцикловой усталости стали и свар$ных соединений средние значения mN = 0,3, � = 300 МПа,YR = 1/(0,3 � 300) = 0,011 МПа–1, что попадает в диапазон


значений YAE, полученных из статических АЭ$испытанийбездефектных образцов. В среднем для бездефектных сталь$ных сварных соединений можно принять YR = 0,01 МПа–1.

Еще один метод приближенного расчета YR можетбыть основан на использовании обнаруженной в экспе$риментах связи разрушающей нагрузки и величины YAE:Fpп 2 5,5/(kYAE). Отсюда для бездефектных стальныхсварных соединений YR 2 5,5/�В, где �В — предел проч$ности материала или сварного шва. При �В = 650 МПаYR 2 0,0085 МПа–1.

Коэффициент запаса выносливости детали при простомциклическом нагружении

� �� пр в

,RD R

а аS

K

где �а — номинальные амплитудные напряжения.Допускаемые напряжения для стали:

� �� пр в

[ ] .[ ] [ ]

R R R

RD

YS K S Y

Исходный ресурс (до образования трещины) определя$ется по формуле

� ��

00 0/ exp .

exp( )B

С N RDRD

U NN С С Y

KT Y

Остаточный ресурс металлоконструкции рассчитыва$ется по формуле

Nост = NB/exp(YRD�) – Nпр,

где Nпр = �Ntпр — фактическое число циклов нагружения;tпр — фактически (предварительно) отработанный ресурс.

При диагностике конструкции, находящейся на вто$рой стадии разрушения, методами механики разрушенияоценивают степень опасности трещины или дефектов типатрещин. Методом акустической эмиссии стадий разруше$ния различаются и распознаются по степени акустическойактивности, степени статистической устойчивости и видуамплитудных, временных и частотных распределений сиг$налов, средним значениям и средним квадратичным от$


клонениям амплитуды сигналов, степени локализацииисточников АЭ. В частности, используют формулу Пэри$са — Эргодана, связывающую скорость V роста трещиныс коэффициентом KI интенсивности напряжений соотно$шением

,� nDV A K

где АD, n — константы, с которыми связаны АЭ$показате$ли прочности.

Связываемая со скоростью роста трещины зависимостьактивности АЭ от параметров нагружения также (как былопоказано ранее) описывается показательной функцией

� � ,mD IN A K

а характеристикой степени опасности источника АЭ яв$ляется показатель m. С данными параметрами связаны иАЭ$нанопоказатели прочности

ZАЕ = mlnKI, YAE = dZAE/d� = mdln�/d� = m/�.

Значения n для трещин различной степени опасности иm для источников АЭ различной активности установленыпо результатам электронно$фрактографических исследова$ний и приведены в справочниках, номинальные значения �напряжений металлоконструкций приводятся в ее техни$ческой документации. В частности, для сосудов давления� = 150 МПа, поэтому при YAE < 0 (m < 0) имеем неопаснуютрещину без пластических деформаций на этапе кинетиче$ски неоднородного разрушения, источник АЭ является пас$сивным. При 0 < m < 1,5 и 0 < YAE < 0,01 МПа–1 трещинанаходится на стадии кинетически однородного разруше$ния, источник АЭ является активным. При 1,5 < m < 6 и0,01 < YAE < 0,04 МПа–1 трещина находится на стадиипластического деформирования, источник АЭ критиче$ски активный, при m > 6 и YAE > 0,04 МПа–1 идет разви$тие опасной трещины, источник АЭ катастрофически ак$тивный.

Таким образом, несмотря на различия стадий разру$шения, может быть предложена единая методика относи$тельной оценки состояния конструкции (см. табл. 11, 14),


� � � � ��'��

��

��

��

��

��

��

� ��!"""!��

��

��

��

��

#��$��%��&��

��'��

��

� ��(!"""�()��

��'��

��

��

��

#��$�� %*��+�

�� &� +�+��

�� ,-�� +�+��. .�

��/��/�� /��

� ��(�!"""�(!��

�� 0��+*��23� ��

��

� ��(�!"""�(!��

��

�� !"��!#��

�� $��

%��!��$ ��!��$ &��'��

�� $

��

�� !�"�� #� ��

��

��$$�#��%��&'�(�)��*��+��"��!��!�

,��-�.�� /�� 0�� %��&'�(�)��*��+��+�1

233�*��4��!��"�� /�� $� ��/��$� %��&'�(�)5��61

��"5��!�2��

%�� 7�!��"�1��&�� $� /��$�

��$#�$��8��%��&'�(�)��*��+��

2��"��!��!�,��-�.��

�� 9�� 0�� %��&'�(�)��*��+��(�1�-��+�:��-� �+��

�


используемая при отсутствии информации о предвари$тельной нагрузке и основанная на определении значениядиагностического показателя YAE по результатам регистра$ции сигналов АЭ во время диагностического нагружения.Если YAE 4 0, то данный источник сигналов АЭ классифи$цируем как неактивный, дефект является неопасным, со$стояние конструкции работоспособным (коэффициент за$паса статической прочности S более 4 по долговечности 5).При 0 4 YAE 4 YR источник сигналов АЭ является актив$ным, дефект неопасен, значения коэффициента запасапрочности попадают в диапазон [S] 4 S 4 4, где [S] — нор$мативный коэффициент запаса статической прочности([S] = 2...4), при YAE � YR источник сигналов АЭ принима$ется критически активным, значение коэффициента запа$са прочности S = [S]/Kпр в 2 [S]/100YAE (YAE — в МПа–1).При S 4 1 дефект классифицируется катастрофически опас$ным. По результатам исследований получен патент РФ№ 2270444 от 18.06.2004, а общая информация о некото$рых АЭ$показателях прочностного состояния техническихобъектов приведена в табл. 12.

AD = kAEC0/{�0exp[U0/(KT)]}.

Время до разрушения при постоянной нагрузке (= const)

t* 2 10–15exp(U0/KT – YAE�) = exp(M – YAE�) = B/expWAE.

Исходный ресурс:

NC = NB/expWAE,

где MU0/(KT) – 34, B = expM, NB = �NB, �N — частотанагружения.

Предел прочности:15

0

0

0

[ / ln(10 / )]/

[ /( ) 34]/ / ,

/( ) 34, exp .

B AE AE

AE AE

D

U KT X X

U KT Y M Y

M U KT B A M

� � � � ��

�

Способ неразрушающего контроля прочности изделийотносится к акустическим методам неразрушающего кон$троля прочности и предназначен для оценки прочностииспытуемых изделий. Способ носит универсальный харак$тер и может применяться для изделий различных разме$


ров и конструкции, а также выполненных из различныхконструкционных материалов.

Способ реализуется следующим образом. Изделие нагру$жается равномерно растущей нагрузкой или ступенчаторавномерно растущей нагрузкой с выдержкой на каждойступени. Диагностическое нагружение должно быть по$добно рабочему. Изделие может нагружаться растягиваю$щими нагрузками, изгибными и крутящими моментами,давлением и сочетаниями указанных видов нагрузок. Мак$симальная нагрузка, достигаемая в ходе диагностирова$

��

��

��

�

��

��

��

��

��

��

� � � ��

��

� � � ��

�

�!��"�� #� � ��" �� $��

%� % � �

% � �&'(� �&'(

�

��

� ��

��

� ��

)� ��"�� *��&'(�� +��

Рис. 105Оценка ресурса и стандартных показателей прочности

с помощью показателя YAE:YR — параметр кривой усталости эталонного образца; YRD — параметр кривой уста$лости диагностируемого образца, оцениваемого из уравнения YRD = YAE.


ния, может быть значительно ниже разрушающей. В ходенагружения и выдержки изделия при помощи специаль$ной измерительной аппаратуры проводят регистрациючисла импульсов АЭ и их амплитуд.

Для определения класса опасности выявленного в кон$тролируемом объекте источника импульсов АЭ определя$ют значения диагностических параметров изделия YAE

или WAE и значения их критической величины YR илиWR = YR раб. Общая схема оценки ресурса и параметра YR

приведена на рис. 105 и в табл. 13. В условных обозначе$ниях �В — предел прочности (временное сопротивление)материала контролируемого изделия (справочное); МАЕ —константа материала конструкции и условий ее нагруже$ния; nи — количество необходимых для ее определения

� � � � � � � � ��

��

��

�

��

��

�� !"#$�

�� %��&� $�� !"#$�

� � � �

'(��)��(�� (��*�� ( ��+��(��,��+�

-� ��.��

� �� /��0�12��

345�(��6��5 ��+��5��+��

��

7� ��8.8��9��

��

8� �� :��( ��


испытаний; YAEi, �Вi — значения диагностического пара$метра и предела прочности образца соответственно.

Если YАЕ � 0, WAE < 0, то источник импульсов АЭ клас$сифицируется как неактивный, дефект признается неопас$ным, состояние изделия — работоспособным. При 0 < YАЕ << YR , 0 < WАЕ < WR источник импульсов АЭ классифици$руется как активный, дефект признается неопасным, со$стояние изделия — работоспособным. При YАЕ 3 YR, WАЕ 33 WR источник импульсов АЭ классифицируется как кри$тически активный, дефект признается опасным, работоспо$собность изделия — ограниченной, нагрузки на диагно$стируемый объект должны быть снижены не менее чем вYАЕ/YR раз. При YАЕ > [S]YR , WАЕ > [S]WR — норматив$ный коэффициент запаса прочности, источник импульсовАЭ классифицируется как катастрофически активный, де$фект и состояние изделия признаются опасными, изделиенеработоспособно. Соотношения класса источника АЭ и зна$чений диагностического параметра приведены в табл. 14.

4.7. ДИАГНОСТИКА СОСУДОВ,РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Из всего многообразия элементов сложных тех$нических объектов наиболее вероятно и экологически не$благоприятно разрушение сосудов, выполняющих рольрезервуаров, корпусов, трубопроводов объектов атомнойэнергетики, химической, нефте$ и газодобывающей, су$достроительной промышленности, авиационной и косми$ческой техники. По статистическим данным, 14% отказов

� � � � � � � � ��

� ��

��

��

��

��

��

�� !��

�


оборудования атомных электростанций (АЭС) происходитиз$за разрушения трубопроводов. Наиболее типичными де$фектами тонкостенных сварных сосудов являются дефек$ты сварки (62% от общего числа дефектов и поврежденийсосудов), локальные коррозионные повреждения (13%),вмятины монтажного происхождения (11%), задиры метал$ла (6%), смещения кромок (4%), коррозионно$усталостныеи усталостные трещины (1%), прижоги. Число дефектов иповреждений возрастает с увеличением срока эксплуатациисосудов. Особенность перечисленных дефектов — в их скры$тости как по расположению, так и по степени опасности,которая не устраняется стандартными расчетными метода$ми. Остаточный ресурс резервуаров, работающих в услови$ях статического нагружения и активных коррозионно$эро$зионных процессов, определяют по скорости коррозии, арезервуаров, используемых в условиях малоциклового на$гружения, когда основной повреждающий фактор — ма$лоцикловая усталость, устанавливают по ГОСТ 25859$83.

Диагностика сосудов производится в соответствии с«Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосу$дов, работающих под давлением», «Методическими указа$ниями по определению остаточного ресурса потенциальноопасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору Рос$сии», РД 03$421$01. Техническое диагностирование сосудовследует проводить после истечения назначенного (расчет$ного) срока эксплуатации, после аварии или восстановитель$ного ремонта. Назначенный (расчетный) срок эксплуатациисосуда устанавливается предприятием$изготовителем идолжен быть указан в паспорте сосуда. При отсутствии впаспорте расчетного (назначенного) ресурса сроки техни$ческого диагностирования назначаются в соответствии синструкциями по данному виду сосуда (первичный срокдиагностирования, например, для баллонов составляет14...25 лет, вторичное диагностирование — через 3...5 лет).

Техническое диагностирование включает:� наружный и внутренний визуальный осмотр;� контроль геометрических размеров (внутреннего или

наружного диаметра, толщины стенки, смещение кро$мок стыкуемых элементов и т. п.);


� измерение выявленных дефектов (коррозионных язв илиэрозионных повреждений, трещин, деформаций и др.);

� контроль сплошности сварных соединений и зон ос$новного металла неразрушающими методами дефек$тоскопии;

� контроль толщины стенки неразрушающими методами;� измерение твердости с помощью переносных приборов;� лабораторные исследования (при необходимости) хи$

мического состава, свойств и структуры материала ос$новных элементов;

� гидравлические или пневматические испытания;� прогнозирование на основании результатов техниче$

ского диагностирования и расчетов на прочность воз$можности допустимых рабочих параметров, условийи сроков дальнейшей эксплуатации сосуда.Оценка технического состояния сосуда должна осущест$

вляться по параметрам, обеспечивающим его надежную ибезопасную эксплуатацию согласно нормативной или кон$структорской документации. Прогнозирование остаточно$го ресурса осуществляется согласно закономерностям изме$нения определяющих параметров, полученных при анализеповреждений или в результате измерения функциональныхпоказателей, изменение которых может привести сосуд внеработоспособное или предельное состояние.

В зависимости от критериев предельного состояния (кри$териев работоспособности) и условий эксплуатации сосудовпараметрами его технического состояния могут служить:� характеристики материалов (предел текучести, вре$

менное сопротивление, трещиностойкость, предел вы$носливости, структура, химический состав и др.);

� коэффициенты запасов прочности (по пределу текуче$сти, временному сопротивлению, циклической проч$ности и др.);

� технологические параметры (температура, давление,параметры циклической нагрузки, вибрации);

� данные гидравлических или пневматических испы$таний.Организация работ по техническому диагностированию

возлагается на предприятие$владельца сосуда, а работы по


техническому диагностированию проводятся организация$ми, имеющими разрешение (лицензию) органов Госгортех$надзора России на выполнение работ. Диагностированиепроводится по типовой программе, включающей различ$ные виды контроля и расчета сосуда. Результаты всех про$водимых исследований должны оформляться в виде заклю$чений, в которых даются рекомендации по допустимымпараметрам, срокам дальнейшей эксплуатации, замене илиремонту сосуда. Срок дальнейшей эксплуатации не долженпревышать нормативной (например, для баллонов 8 лет).

Первым после подготовки сосудов к диагностированиюпроводится визуальный и измерительный контроль, це$лью которого является обнаружение и определение раз$меров дефектов (поверхностных трещин, коррозионныхповреждений, эрозионного износа, выходящих на поверх$ность расслоений, механических повреждений, вмятин,выпучин и других изменений геометрии), образовавших$ся в процессе эксплуатации, при ремонте, изготовленииили монтаже сосуда. Особое внимание при этом уделяетсятрещинам, образующимся чаще всего в местах геометри$ческой, температурной и структурной неоднородности,коррозионным и коррозионно$усталостным повреждени$ям металла, наиболее часто встречающимся на внутрен$ней поверхности в нижней части сосуда, дефектам сваркив виде трещин, пористости, свищей, подрезов, прожогов,незаплавленных швов, смещению или уводу кромок, не$прямолинейностям соединяемых элементов. При выпол$нении визуального осмотра используют лупы до 20$крат$ного увеличения, эндоскопы, перископы или простейшиеприспособления в виде штанги с закрепленными на нейзеркалом и источником света.

Целью неразрушающего контроля является выявлениенаружных и внутренних дефектов в основном металле,сварном соединении, контроль толщины стенки (толщино$метрия). Контроль неразрушающими методами при этомдолжен проводиться специалистами, аттестованными в со$ответствии с «Правилами аттестации специалистов по не$разрушающему контролю» Госгортехнадзора России иимеющими квалификационный уровень не ниже второго.


Основными видами неразрушающего контроля сосу$дов при проведении технического диагностирования яв$ляются: ультразвуковой (ГОСТ 20415, ГОСТ 14782, ГОСТ12503, ГОСТ 26266, ГОСТ 28702), радиографический, маг$нитопорошковый (ГОСТ 21105, ОСТ 26.01$84$78), электро$магнитный (ГОСТ 24289), капиллярный (ГОСТ 18442),металлография, акустической эмиссии (ПБ 03$593$03).

Контроль механических свойств, химического соста)ва, структуры основного металла и сварных соединенийсосудов производят на образцах, вырезаемых из отобран$ного сосуда в окружном и продольном направлениях. Про$изводятся испытания на растяжение, ударный изгиб итрещиностойкость, металлографические исследованияструктуры и контроль химического состава материала со$суда.

Целью гидравлических или пневматических испыта)ний является проверка герметичности и прочности сосудапод давлением на завершающей стадии технического ди$агностирования. Сосуд считается выдержавшим гидрав$лическое испытание, если в процессе его проведения необнаружено падения давления по манометру, течи в ос$новном металле, резьбовом или сварном соединении, тре$щин или признаков разрыва, остаточных деформаций теласосуда. При проведении пневматических испытаний, не$обходимость в которых устанавливается разработчикомпрограммы, обязательно применение метода акустическойэмиссии.

На основании результатов контроля проводят анализповреждений, параметров технического состояния и (принеудовлетворении требованиям нормативной документа$ции) поверочный расчет сосуда на статическую (ГОСТ14249), циклическую (ГОСТ 25859) прочность и трещино$стойкость (ГОСТ 25.506$85, ПНАЭ Г$7$002$86, как прави$ло, по коэффициенту интенсивности напряжений). Приэтом следует устанавливать механизмы образования и рос$та обнаруженных дефектов и повреждений, вероятностиотказов вследствие развития разрушения. Для уточнениярасчетов должны быть применены экспериментальныеметоды (тензометрия, акустическая эмиссия).


Необходимая толщина sp стенки сосуда определяетсяиз условия прочности и уравнения Лапласа расчета на$пряжений

��

,2[ ]p

p

pDs

p

где р — давление в сосуде диаметром D; р — коэффици$ент снижения допускаемых напряжений [�].

Основной характеристикой способности материала со$противляться хрупкому разрушению является критиче$ский коэффициент интенсивности напряжений KIC, кри$тическая температура хрупкости и предел текучести. Со$противление хрупкому разрушению считают обеспеченнымпри

KI � [KI],

где [KI] = KIC/n = 20...230 МПа м1/2; n — коэффициентзапаса прочности по трещиностойкости (n = 1,5...2).

Критический коэффициент интенсивности напряже$ний может быть определен по результатам испытаний ма$териала на хрупкое разрушение по формуле

KIC = РQY1/tb1/2,

где РQ — нагрузка на стандартный образец, при которойнаблюдается существенное (более 5%) отклонение от еелинейной связи со смещением в области устья трещины;t, b — толщина и ширина образца (типа 1),

Y1 = 0,380[1 + 2,308(2l/b) + 2,439(2l/b)2],

где l — длина исходной усталостной трещины.Для цилиндрических, сферических, конических, эл$

липтических и плоских элементов, нагруженных внутрен$ним давлением и подверженных температурным воздей$ствиям, для расчета коэффициента интенсивности напря$жений допускается формула (см. [ПНАЭ Г$7$002$86])

KI = �(�рМр + �дМд)(�а/103)1/2/Q,

где � — коэффициент концентрации напряжений; �р —растягивающие напряжения, МПа; �д — составляющаяизгибных напряжений, МПа,


Мр = 1 + 0,12(1 – а/с); Мд = 1 – 0,64а/n,где а — глубина трещины, мм; с — полудлина трещины,мм; n — длина зоны, в пределах которой составляющаяизгибных напряжений сохраняет положительное значе$ние, мм,

Q = [1 + 4,6(a/2c)1,65]1/2.

Формула справедлива для а < 0,25S и а/с � 2/3, где S —толщина стенки изделия.

Используя уравнение Пэриса — Эрдогана скорости рос$та трещины (da/dN = C(�KI)

n), можно определить числоциклов нагружения, при котором трещина разовьется навсю толщину оболочки:

N = (S – a)/(C(�KI)n),

где n = 3,3, C = 6,9�10–9.

4.7.1. АЭ"ДИАГНОСТИКАСОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ

Рассмотрим пример акустико$эмиссионногоконтроля абсорбера очистки углеводородного газа. Объек$том контроля являлась колонна установки гидроочистки —абсорбер аминной очистки углеводородного газа с внут$ренним диаметром 1000 мм, высотой корпуса 16 050 мм,емкостью 13,6 м3, толщиной стенки 12 мм, выполненныйиз материала ВСт3. Обычное рабочее давление во времяэксплуатации составляло 0,5 МПа. Для регистрации АЭиспользовалась многоканальная АЭ$система LOCAN AT(Physical Acoustics Corporation, США). Полный коэффи$циент усиления составлял 40 + 23 дБ, порог дискримина$ции составлял 45 дБ.

После локализации участка контроля, проведенной впредварительных испытаниях, в процессе гидронагруже$ния колонны производилось повышение давления до уров$ня 0,65 МПа, выдержка при таком давлении проводится втечение 5 мин, давление поднимают до 0,81 МПа. На высо$кую вероятность развития дефекта указывал экспертам ха$рактер АЭ$активности, регистрируемой в ходе нагружения,в результате чего в локализованной зоне абсорбер был под$вергнут тщательному визуальному обследованию, выявив$


шему в ней более 10 опасных трещин. Характер располо$жения трещин — по окружности, в сечениях, совпадающихс участками приварки крепления тарелок колонны. Обра$ботка результатов испытаний (рис. 106) по предложеннойметодике позволяет определить диагностический параметр

YAE = dln�/d� == (ln5 – ln2)12/(0,81 – 0,65)500 = 0,137 МПа–1,

где значение � в данном случае принималось равным чис$лу сигналов, зарегистрированных за единицу времени по$сле снижения их амплитуды до минимального значения(150 с выдержки при постоянном давлении), напряжение �рассчитывалось по формуле Лапласа

� = Pd/(2�),

где Р — давление; d — внутренний диаметр абсорбера; � —толщина его стенки.

Рис. 106Схема абсорбера аминной очистки уг$леводородного газа (а), график подъе$ма давления P и корреляция амплиту$ды U сигнала АЭ и времени t при на$гружении объекта контроля (б)


В качестве информативного параметра � использова$лась как активность, так и суммарная амплитуда сигна$лов АЭ. Расчетные значения YAE при этом варьировались впределах 0,09...0,14 МПа–1. Для оценки YAE использовал$ся также участок равномерного нагружения в диапазоне660...760 с (см. рис. 106, табл. 15). Расчетные значения YAE

при этом варьировались в пределах 0,05...0,08 МПа–1. Та$ким образом, рассчитанные значения YAE превышали пре$дельно допустимые YАЕФ = YR = 0,01 МПа–1 (табл. 5), по$лученные в лабораторных испытаниях образцов, что сви$детельствовало об опасном состоянии абсорбера.

Рассмотрим представленные на рис. 107 результатыиспытаний стального цилиндрического сосуда диаметром660 мм, высотой 1500 мм и толщиной стенки 6 мм. Распре$деление источников АЭ геометрически обрисовывало наповерхности сосуда разрушающийся сварной шов привар$ки прямоугольной пластины, а визуальная оценка устано$вила прогрессирующее разрушение бандажного кольца.

� � � � � � � � ��

��

�� !� �� "� �� #�

�� !�

��"�� #�� $�� $�� $�� %��&� $��$ � � �� $'� '�

��(��$)� ��('��)� ��('�$)�*��+�� %��%��,��-�� .�/�%+��,� %��0�� 1$� ��$��!� ��'��

��(��$)� ��('��)� ��('�$)�*��+�� %��%��,��-�� %+��,� %��0�� 1$� ��$� � ��'��

��(��$)� ��('��)� ��('�$)�*��+�� %��%��,��-�� .�/�%+�� ,%��0�� 1$� ��!�$�$� ��'!��!� ��

��(��$)� ��('��)� ��('�$)�*��+�� %��%��,��-�� %+�� ,%��0�� 1$� ��$� � ��'�� ' ' ��

�


Регистрация суммы амплитуд АЭ$событий в кластередля интервалов подъема и выдержки нагрузки позволяларассчитать значение показателя YAE. При использованиивторого и третьего интервалов выдержки

YAE(2–3) = dlnN�Uср/d� == (ln2 – ln1)6/(9,5 – 8,5)330 = 0,14 МПа–1.

При использовании третьего и четвертого интерваловвыдержки

YAE(3–4) = dlnN�Uср/d� == (ln8 – ln2)6/(11,5 – 9,5)330 = 0,127 МПа–1.

Таким образом, полученные значения показателя YAE

явно выше предельно допустимых (0,01 МПа–1) и обязы$вают отнести источник АЭ к критически активному.

Рис. 107Динамика суммы амплитуд АЭ$событий�N�Uср

в кластере для интервалов подъема и выдержкинагрузки стального цилиндрического сосуда


Рассмотрим результаты гидроиспытаний работающихпод давлением сосудов блока очистки водорода водород$ной станции листопрокатного цеха № 5 ОАО «Новоли$пецкий металлургический комбинат» (ОАО «НЛМК»).В качестве объектов АЭ$контроля были выбраны корпуссепаратора водорода (рис. 108а) и корпус обечайки холо$дильника (рис. 108б) блока очистки водорода. Рабочее дав$ление данных сосудов составляет 1 МПа, толщина стенок� = 8...10 мм, материал — сталь 20, допускаемые напря$жения [�] = 190 МПа. Максимальное давление Рmах опрес$совки при гидроиспытаниях — 1,25 МПа. Таким образом,максимальные расчетные напряжения в стенках корпусасепаратора (формула Лапласа)

�max = Рmахd/(2�) = 1,25 � 200/8 = 31,25 МПа,

коэффициент запаса прочности

Sст = [�]/�max = 190/31,25 = 6,08,

или по формуле, рекомендованной НПО ЦКТИ им. И. И. Пол$зунова:

Рис. 108Объект контроля и схема

установки пьезопреобразователей АЭ:а — корпус сепаратора водорода; б — корпус обечайки холодильникаблока очистки водорода.

а б


ст max max207[ ] /( 1,1 )

207 19 8/(12,5 400 1,1 12,5 8) 6,43,

S P d P� � � � � � ��

где напряжения взяты в кГ/мм2, давление — в кГс/см2.Аналогично для обечайки Sо = 9,35, � �o 10,02.SТаким образом, коэффициенты запаса прочности ма$

териалов сосудов велики, в случае удовлетворительногосостояния сосудов сигналов АЭ во время диагностическо$го нагружения быть не должно (латентный период кине$тически неоднородного трещинообразования, см. рис. 94).Cигналы АЭ могут появиться при наличии либо концен$тратора напряжений, либо других источников упругогоизлучения (течи в соединениях, сдвижки частей соедине$ний при повышении давления).

Для проведения АЭ$измерений на поверхностях сосу$дов зачищались участки и устанавливались датчики АЭ счастотной характеристикой 200...2000 кГц. Температураиспытаний составляла 200�С. С целью уменьшения влия$ния промышленных помех применялись фильтры низкихчастот с частотой среза 200...1000 кГц. Предварительноеусиление сигнала АЭ составляло 34 дБ, коэффициент пере$дачи блока анализа — 10 дБ, уровень нижнего порога дис$криминации — 47 дБ в каждом канале. Акустико$эмисси$онные испытания проводились при ступенчатом гидрона$гружении сосудов уровнями постоянных давлений 0,5, 1,0,1,3 МПа в течение 5...10 мин с равномерными переходамиот первого уровня ко второму (20...25 с), от второго к треть$ему (15...20 с) и полным сбросом давления (рис. 109). В ре$зультате испытаний были зарегистрированы сигналы АЭот корпуса сепаратора водорода, что свидетельствовало

Рис. 109График гидронагру$

жения корпусасепаратора водорода

и амплитудасигналов АЭ


о наличии источника упругого излучения в материале кор$пуса или в местах его сопряжения с другими частями. Ви$зуальный осмотр сосудов после гидроопрессовки показаллокальную разгерметизацию корпуса (течи) в местах уста$новки манометра и во фланцевых соединениях, что и мог$ло стать источником упругого излучения.

Кроме того, источником сигналов АЭ мог стать сварнойшов на корпусе сепаратора. Анализ временных зависимо$стей числа импульсов АЭ позволяет рассчитать АЭ$показа$тель:

kYAE = ln(Ni/Nj)/(Pi – Pj) = 0,

где Ni, Nj — активности АЭ при постоянных давлениях Pi

и Pj соответственно.Амплитуда сигналов не превышала 62 дБ при пороге

опасности (по амплитудному критерию) 70 дБ, длитель$ность и энергия сигналов невысоки и не превышали зна$чений 120 мкс и 3 мВ2. Это позволяло отнести вероятныйконцентратор напряжений к неопасному виду, а состоя$ние сосудов принять удовлетворительным, что соответст$вовало результатам визуального осмотра сосудов послеопрессовки. Аналогичные выводы были сделаны в работепри анализе результатов АЭ$контроля целостности оболоч$ки, не имеющей опасных дефектов (рис. 110а). Времен$на´я зависимость же числа импульсов АЭ, полученная приопрессовке стальных сосудов с концентраторами напря$жений, обнаруживает существенное повышение актив$ности АЭ с ростом давления (рис. 110б). Разработаннаяметодика не требует проведения обучающего эксперимен$та, позволяет оценить диагностические параметры состоя$ния промышленных объектов контроля по результатам ре$гистрации АЭ в ограниченном временном интервале внезависимости от их размеров, количества, формы и распо$ложения сварных швов. Результаты оценки инвариант$ны к виду дефекта, форме и ориентации трещин по тол$щине материала, к количеству трещин или концентрато$ров напряжений в контролируемом объеме, к условиямраспространения импульсов АЭ, помехам и к другим кфакторам, дестабилизирующим связь разрушения и упру$гого излучения. Применение параметра YAE повышает точ$


ность диагностирования (см. рис. 111), связывает диагно$стические параметры с основными прочностными харак$теристиками сварных соединений металлоконструкций исовместима со стандартными методами оценки прочностии ресурса металлоконструкций.

Рис. 110Графики гидронагружения и временна ´я зависимость

числа импульсов АЭ оболочки сосуда:а — результаты испытаний оболочки без опасных дефектов; б — результаты ис$пытаний оболочки с концентраторами напряжений.

а

б


Рассмотрим результаты АЭ$контроля внутреннего кор$пуса сосуда давления ГХК$8/16$500 ОАО «Северная верфь»,проводимого с целью выявления возможности продлениясрока эксплуатации. При проведении экспертизы былииспользованы данные паспорта сосуда, результаты визуаль$ного контроля наружного кожуха сосуда, результаты цвет$ной дефектоскопии с использованием набора дефектоско$пических материалов в аэрозольной упаковке, акустико$эмиссионного контроля внутреннего корпуса, проверкигерметичности теплоизоляционной полости (по величинепадения давления в изоляционной полости за сутки), дан$ные владельца сосуда о количестве циклов нагружения.При проведении акустико$эмиссионного контроля нагру$жение объекта осуществлялось с использованием балло$нов через разрядную рампу. Были проведены два цикла

Рис. 111Иллюстрация

повышения точности(снижения диапазона

неопределенности)диагностирования

��

� ��

��

��

��!��"��!��

�� #�$ ��

��

%��&��'(� ��)�� *+�

��

��

��

��

��

!"��# ��$��%��# �� & �� $�� # ��

��"�'�& ��

�(� �)�*� �� + �� ,�# ��

1 < m � 6


Рис. 112АЭ при нагружении газификатора, ее анализ (однородное разрушение)

� � � � � � � � ��

��

��

� ��

��

��

�� !�

��

��

��"�� !�

��

��

#�� !�

��

��

�� $�� !�

��

��$��

� ��

��$��%��

�� !�

��

��$��

��

��$��%��

�� !�

��


ступенчатого нагружения с выдержками на промежуточ$ных ступенях и при испытательном давлении.

Проводилась оценка состояния газификатора по раз$работанной методике. Результаты оценки параметра YAE

при различных уровнях давления приведены в табл. 16 ина рис. 112. Как видно, разрушение сосуда протекает ки$нетически однородно, из таблицы видно, что большинствозначений показателя YAE больше допустимого 0,01 МПа–1.

4.8. АЭ"ДИАГНОСТИКА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Метод АЭ применяют для диагностики метал$локонструкций грузоподъемных машин в соответствии сМетодическими указаниями по обследованию грузоподъ$емных машин с истекшим сроком службы (Часть 2. Кра$ны стреловые самоходные общего назначения РД 10$112$2$09 [20]) при первичном обследовании кранов и при опре$делении их остаточного ресурса.

Основным критерием работоспособности металлокон$струкций грузоподъемных машин является прочность. Изопыта эксплуатации козловых кранов известно, что в ре$зультате воздействия различных неблагоприятных факто$ров в металлоконструкциях образуются опасные усталост$ные разрушения. Выявление таких дефектов в процессепроведения освидетельствования кранов традиционнымиметодами контроля по существующим методикам пред$ставляется крайне проблематичным, особенно в трудно$доступных или скрытых местах. Исходя из этого, с цельювыявления опасных эксплуатационных дефектов и досто$верной оценки технического состояния крана, применя$ют метод акустической эмиссии.

АЭ$контроль грузоподъемных машин осуществляетсяв соответствии с требованиями действующих ПБ 03$593$03,РД 22$28$36$01, т. е. конструкция ступенчато нагружа$ется подъемом груза до уровня, превышающего допусти$мую рабочую нагрузку. Цель проведения АЭ$контроля —выявление развивающихся и склонных к развитию де$фектов, проявляющихся в процессе изменения нагруз$


ки, определение их местоположения и оценка степениопасности.

Дополнительный дефектоскопический контроль (ДДК)основного металла и прилегающих сварных соединенийна предмет выявления недопустимых дефектов в местеобнаруженного источника АЭ проводился с применени$ем визуально$измерительного контроля, ультразвуково$го контроля, контроля проникающими веществами и маг$нитометрического контроля. По результатам ВИК из об$наруженных дефектов следует выделить только изгиббокового раскоса металлоконструкции. Такой результатпозволил специалистам сделать вывод о необходимости по$следующего ремонта сварных соединений в области выяв$ленного источника АЭ.

Схема расстановки ПАЭ на металлоконструкции мос$тового крана показана на рис. 113. Особенностью схемыявляется расположение ПАЭ в наиболее опасных местах сточки зрения развития усталостных разрушений: сварныесоединения главных и концевых балок, а также буксовыеузлы концевых балок. При этом с применением линейнойсхемы локации контролируется 100% металлоконструк$ций главных и концевых балок крана. Измерения акусти$ко$эмиссионного сигнала проводились в низкочастотномдиапазоне полосы частот фильтра. Выбор полосы частотбыл установлен экспериментально и обусловлен необхо$димостью устойчивой регистрации источников АЭ вда$ли от приемного преобразователя. Нагружение объектаконтроля проводилось в рабочих условиях в пределах10...18,75 т.

Исходя из результатов исследований предложена сле$дующая технология контроля грузоподъемных машин:

1. Объекты контроля должны контролироваться в ихрабочем положении. АЭ$диагностика реализуется в про$цессе статических испытаний машин, проводимых попрограмме, составленной в соответствии со стандартомИСО 4310.

2. После проведения подготовительных работ осуще$ствляются непосредственные работы по контролю, кото$рые начинаются с установки преобразователей АЭ (ПАЭ)


Концеваябалка № 1

Грузоваятележка

Главнаябалка № 2

Концеваябалка № 2

Главнаябалка № 1

12

11

10

1, 2, 11, 12 3, 10

2

4, 9 5, 6, 7, 88

8, 11

77, 9

10, 12

1

2

3

6

5

5, 2

6, 4,3, 1

Источник АЭ

№ 2

Источник

АЭ № 1, 3

ПАЭ

АЭ

Рис. 113Схема расстановки ПАЭ и расположения областей источников АЭ при

проведении диагностирования методом акустической эмиссииметаллоконструкций мостового крана

на объект. Количество и размещение ПАЭ определяетсяконфигурацией объекта и максимальным разнесениемПАЭ, связанным с затуханием сигнала, точностью опре$


деления координат дефектов. Размещение ПАЭ должнообеспечивать контроль всего объема контролируемого объ$екта. В ряде случаев допускается размещение ПАЭ тольков областях объекта, которые считаются важными. Учиты$ваются критические места («горячие точки») объекта, свар$ные швы, зоны высоких напряжений, зоны, подвергну$тые ремонту, и т. д. Координаты источников акустическойэмиссии вычисляют по разнице времен прихода (ВРП) сиг$налов на преобразователи, расположенные на объекте.

3. Нагружение объекта производят посредством много$кратного (минимум двукратного с повышением нагрузок)приподнимания испытательного груза на 100...200 мм отземли и удерживанием в таком положении не менее 10 мин.Максимальное значение нагрузки должно составлять неменее 1,25 Q, где Q — номинальная промежуточная гру$зоподъемность крана на данном вылете.

4. В процессе нагружения металлоконструкции произ$водится регистрация сигналов АЭ и определяются значе$ния первичных параметров.

4.1. Для диагностики состояния и оценки ресурса кон$струкции используется рис. 105. В качестве информатив$ного параметра � принимают суммарную амплитуду. Не$однородное разрушение соответствует работоспособномусостоянию, кинетически однородное разрушение требуетболее точной оценки ресурса на основе определения зна$чений диагностических параметров АЭ YAE, WAE с исполь$зованием данных рис. 105, 106, табл. 12, 14.

4.9. ДИАГНОСТИКА НЕИСПРАВНОСТЕЙПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ

4.9.1. ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

Являясь неотъемлемой частью машин и прибо$ров, подшипниковые узлы часто лимитируют их ресурс.Причиной преждевременного выхода из строя подшипни$ков являются дефекты, которые образуются в процессе из$готовления узла, его сборки и эксплуатации. Дефекты из$готовления представляют собой отклонения от проектныхформ, размеров и определенных физико$механических


свойств поверхностей качения. Дефекты сборки подшип$никового узла изменяют форму поверхностей качения исопровождаются появлением дополнительных радиальныхнагрузок на поверхности качения. Повреждения подшип$ников при эксплуатации могут быть связаны с усталостны$ми разрушениями материала, его износом, вызваны изме$нением зазора и посадок между деталями подшипников иопорами ротора, недостаточным поступлением смазки.

Усталостное разрушение подшипников качения про$является в виде выкрашивания материала дорожек колеци тел качения и преждевременно может происходить из$за чрезмерных нагрузок или скоростей вращения. Изностел качения и поверхностей колец приводит к увеличе$нию радиальных зазоров и в конечном итоге — к смеще$нию ротора. Интенсивный износ гнезд сепаратора проис$ходит в результате неправильного монтажа подшипников,от действия больших осевых нагрузок, от выкрашиваниядорожек качения и других причин. Наряду с изнашива$нием возможно усталостное разрушение сепараторов, по$явление трещин и разрывов перемычек и колец сепара$торов.

Из$за ограниченности доступа к подшипниковым уз$лам актуальной является безразборная их диагностика.Наиболее широкими возможностями здесь обладают ме$тоды, использующие в качестве диагностического сигна$ла вибрацию подшипникового узла и механизма в целом,электрические методы, при реализации которых о состоя$нии подшипника судят по значениям его электрическихпараметров, метод акустической эмиссии.

Диагностическими признаками предельного состоя$ния подшипниковых узлов являются:� повышение амплитуды виброускорений на характер$

ных составляющих частотного спектра вибрационнойхарактеристики, а также общего уровня подшипни$ковой вибрации;

� понижение до нуля электрических сопротивлений сма$зочных слоев между телами и дорожками качения —отсутствие гидродинамического режима смазки;

� повышение температуры подшипников на 30...40%;


� изменение времени выбега ротора в 2...3 раза относи$тельно исходного значения.Существующие методы вибродиагностики подшипни$

ков качения основаны на различных алгоритмах обработ$ки сигналов различного частотного диапазона. Наиболееинформативны высокочастотные сигналы, имеющие раз$личные характеристики для различных узлов механизмаи устойчивые к действию дестабилизирующих факторов.

Высокочастотная вибрация подшипникового узла рас$сматривается в виде случайного сигнала вибрации. Про$стейшей математической моделью такого сигнала явля$ется стационарный случайный процесс с гауссовым зако$ном распределения амплитуд и постоянной спектральнойплотностью в выбранной полосе частот. Дефекты сборкиподшипникового узла сопровождаются периодическимиизменениями силы нормального давления на тела каче$ния, дефекты износа создают периодическое изменениекоэффициента трения. Все это приводит к изменениюуровня вибрации различными частотами. В качестве ди$агностического параметра используется отношение �L ам$плитуд сигналов на выходе анализатора импульсов и гар$монической составляющей с частотой модуляции в спек$тре входного сигнала. Вероятность обнаружения дефектовв начальной стадии их развития и точность определенияих величины зависят от частот измеряемой вибрации. Наи$более полно создаваемые силами трения и дефектами сбор$ки случайные составляющие вибраций проявляют себя вдиапазоне частот 10...15 кГц.

Спектр огибающей вибрации бездефектного роликово$го подшипника при частоте вращения машины fвр имееттолько одну гармоническую составляющую на частоте fн

(см. рис. 114а). При перекосе внутреннего кольца в спек$тре огибающей появляется наиболее интенсивная состав$ляющая с частотой 2fвр (рис. 114б), а при перекосе наруж$ного кольца — с частотой 2fн (рис. 114в). При наклепе под$шипника в результате транспортировки машины в спектреогибающей появляется группа составляющих с частота$ми, кратными fн (рис. 114г). В результате износа осейдвигателя и привода при сборе основная гармоническая


составляющая спектра огибающей будет иметь частоту fвр

(рис. 114д).При реализации электрорезистивных методов со$

стояние подшипника оценивается при его работе в экс$плуатационных (или имитирующих эксплуатационные)режимах и условиях (рис. 115). При этом специальныепервичные преобразователи не применяются — сигнализмерительной информации снимается непосредственнос трущихся деталей или деталей, гальванически связан$ных с ними, а определение необходимых характеристикобъекта осуществляется с помощью соответствующих ал$горитмов обработки информации. Методы обеспечиваюткомплексную оценку состояния объекта, контроль мак$рогеометрии и поиск дефектов его рабочих поверхностей,оценку толщины и фактического состояния разделяющейповерхности смазочной пленки, количественную оценкурежима смазки в зонах трения и т. п. С их помощью эф$фективно решаются задачи входного контроля и контро$ля качества сборки узлов на этапе изготовления машин имеханизмов, функциональной диагностики объектов впроцессе эксплуатации изделий, оценки степени износа ивозможности эксплуатации объектов в течение следующей

Рис. 114Спектры огибающих сигналов от вибрации

роликового подшипника с различными дефектами


межконтрольной наработки (дефектация) при техниче$ском обслуживании и ремонте, функциональной диагно$стики объектов при проведении испытаний и трибологи$ческих исследованиях.

При работе смазанного узла вследствие гидродинами$ческого эффекта в зонах трения его деталей самопроиз$вольно образуется устойчивый слой (пленка) смазочногоматериала, препятствующий непосредственному контак$тированию поверхностей. Толщина пленки непрерывноизменяется — флуктуирует, возможны ее кратковремен$ные местные разрушения в контактах наиболее высокихнеровностей поверхностей (микроконтакты), что свиде$тельствует о переходе от жидкостной смазки к полужид$костной или граничной.

Состояние смазки в зонах трения формируется совме$стным действием большого числа факторов и параметров(микро$ и макрогеометрия рабочих поверхностей, нагруз$ка в контакте и скорость относительного перемещенияповерхностей, свойства конструкционных и смазочныхматериалов, температура, работоспособность системысмазывания и т. п.) и является комплексным критерием,

Рис. 115Блок$схема системы диагностирования подшипников качения

электрорезистивным методом:1 — подшипник; 2 — устройство нагружения; 3, 4 — вал и корпус подшипнико$вого узла; 5 — источник напряжения; 6 — преобразователь сопротивления в на$пряжение; 7 — токосъемник; 8 — унифицирующий усилитель; 9, 10 — узкополос$ные фильтры; 11, 12 — квадратичные детекторы; 13 — вычислительное устрой$ство; 14 — средство отображения информации.


количественная оценка которого обеспечивает получениенеобходимой информации как для контроля, так и дляпрогнозирования технического состояния узлов трения.

Смазочный материал обладает высоким удельным элек$трическим сопротивлением, поэтому изменения состояниясмазки в зонах трения (флуктуации толщины пленки, ееразрушения, изменения характера контактирования по$верхностей и т. п.) приводят к соответствующим измене$ниям электрической проводимости (g) и сопротивления (R)объекта.

Сопротивление трибосопряжения включает ряд состав$ляющих:

R = Rм + Rоп + Rст + Rсп,

где Rм, Rст, Rоп, Rсп — соответственно сопротивления кон$тактируемых деталей, стягивания, окисных пленок и сма$зочных пленок.

Значение Rм определяется удельным сопротивлениемматериалов деталей (>) и по сравнению с другими состав$ляющими R для металлов пренебрежимо мало (для ста$лей > ? [107; 10–6] Ом�м). Окислы металлов — полупровод$ники с >ок ? [102; 105] Ом�м, однако ввиду большой порис$тости окисных пленок поверхностей трения Rоп обычноимеет невысокие значения. Сопротивление стягивания Rст

зависит от радиуса контурной площади контакта ак, а так$же от размеров r и числа nп действительных пятен кон$тактов поверхностей:

� ��

стп к

1 1 .2 2

Rn r a

Сопротивление смазочных пленок Rсп также включаетнесколько составляющих: тонкие поверхностные пленки(3...10 нм) имеют туннельную проводимость с >пов ? [10–13;10–11] Ом�м2: ��

�пов

сп 2п

.Rn r

Тонкие граничные слои (0,1...1 мкм) обладают полу$проводниковыми свойствами, а смазочный материал в тол$стых слоях является диэлектриком (>см ? [105; 1022] Ом�м),


при этом значение сопротивления пленки связано с ее тол$щиной монотонной и практически линейной зависимо$стью, что широко используется в трибометрии.

В зависимости от вида смазки различные составляю$щие оказывают большее или меньшее влияние на значе$ние сопротивления объекта, комплексно характеризую$щее его состояние:� в условиях жидкостной смазки R определяется в ос$

новном параметрами гидродинамической смазочнойпленки (R 2 Rсп) и, изменяясь из$за флуктуации ее тол$щины и свойств смазочного материала при работе объ$екта, остается достаточно большим (при толщине плен$ки h = 1 мкм R ? [107; 1011] Ом);

� в условиях граничной смазки R определяется в основ$ном сопротивлением стягивания (R 2 Rст) и, изменяясьв зависимости от параметров действительных пятенконтактов поверхностей, существенно снижается (примикроконтактировании R ? [10–3; 102] Ом);

� при полужидкостной смазке (наиболее распространен$ный режим) R определяется комплексом различныхпараметров фрикционного взаимодействия и изменя$ется в широких пределах (на рис. 116а представлен схе$матично вид функции g(t)).Вследствие случайности происходящих в зонах трения

процессов флуктуации проводимости объекта при его ра$боте являются случайными, при этом характер закона рас$пределения вероятности проводимости для различных

Рис. 116Вид временно ´й зависимости проводимости g(t) для трибосопряжения


видов смазки соответствует графикам рис. 117, где gп иgк — характерные средние значения проводимости приналичии смазочной пленки в зонах трения и при микро$контактировании.

Одним из наиболее распространенных диагностиче$ских параметров является среднее сопротивление, кото$рое определяют либо непосредственно Rср, либо как вели$чину, обратную средней проводимости � �ср ср1/ :R G

� � � � ��

и и и

и и

срср 0

и 0 и 0 и 00 0 0

0 0ср

ср ср

и и0 0

1 1 1 1( ) ( ) ( ) ;

1 1 .1 1( ) ( )

T T T

T T

UR R t dt I R t dt U t dt

T I T I T I

U UR

G Ig t dt I t dt

T T

В первом случае объект подключают к источнику то$ка I0 и измеряют среднее значение падения напряжения Ucр

на нем за некоторое время Ти, во втором — к источникунапряжения U0 и измеряют среднее значение тока Iср.

По существу Rср и Gср являются оценками математи$ческого ожидания распределения значений сопротивле$ния и проводимости объекта, поэтому параметры Rср и �срR

а

б

в

Рис. 117Плотность распределения проводимости трибосопряжения

при жидкостной (а), граничной (б) и полужидкостной (в) смазке


однозначно и комплексно характеризуют его состояние.В случае жидкостной смазки (Gср = gп) они характеризу$ют усредненное значение толщины пленки в зонах трения,при граничной (Gср = gк) — несут информацию о размерахпятен контактов и толщине поверхностных пленок. Ши$рокое применение этих параметров обусловлено также про$стотой их измерения (достаточно использовать вольтметрили амперметр с магнитоэлектрической системой).

На основе совместного рассмотрения теорий фрикцион$ного изнашивания, контактирования шероховатых поверх$ностей и электрического контакта синтезирован универсаль$ный диагностический параметр ��срG , функционально связан$ный с интенсивностью фрикционного изнашивания:

��

�� и

сри 0

1 ( ) ,G

T

G R t dtT

где �G определяется типом объекта, свойствами материа$лов деталей, параметрами микрогеометрии рабочих по$верхностей, видом смазки. Так, например, для упругогоконтакта неровностей поверхностей стальных деталейпри режиме смазки, близком к граничному (нагрузку вос$принимают в основном микронеровности, а сближениеповерхностей определяется нагрузкой в контакте), реко$мендуется в зависимости от характеристик поверхностей�G ? [0,9; 1,1] для точечного контакта и �G ? [1,3; 1,7] длялинейного контакта; при полужидкостном режиме смаз$ки с редкими микроконтактами (нагрузку воспринима$ет в основном смазочный слой, сближение определяетсятолщиной гидродинамической пленки) рекомендуется�G ? [2,9; 3,6]. В случае пластического контакта микро$неровностей поверхностей при граничном трении для то$чечного контакта �G = 0,8, для линейного �G = 1,2, приполужидкостном режиме смазки с редкими микрокон$тактами �G = 2,6. Таким образом, широко применяемыйдиагностический параметр Gcp является частным случа$ем параметра ��срG при �G = 1.

Характерно, что всегда выполняется условие � �ср ср( / ) 1,R R


при этом знак равенства соответствует g(t) = const, что при$менительно к жидкостной смазке означает отсутствие ко$лебаний толщины пленки в зонах трения (идеализирован$ная ситуация). Это свойство параметров заложено в основуметода оценки степени флуктуации толщины пленки взоне трения по диагностическому параметру ��п ср ср/ ,k R Rа также метода прогнозирования состояния подшипни$ков качения в условиях жидкостной смазки по парамет$ру �� 3

д ср ср( / ) .R R Изменяясь от 1 при отсутствии коле$баний толщины пленки до 0 при полужидкостной смазке,�д характеризует относительное снижение долговечностиподшипника по сравнению с его долговечностью при тойже средней толщине пленки и отсутствии ее колебаний.

Для решения ряда трибометрических задач при рабо$те объектов в условиях полужидкостной смазки (оценкасредней толщины смазочной пленки в зонах трения, сте$пени ее флуктуации, размеров действительных площадокконтактов при микроконтактировании и т. п.) в качестведиагностических параметров применяются оценки сред$него сопротивления смазочной пленки Rп и среднего кон$тактного сопротивления объекта Rк.

Для контроля и диагностики узлов трения, количест$венной оценки состояния смазки в зонах трения, дефек$тоскопии рабочих поверхностей широко применяютсяэлектроконтактные методы, основанные на анализе пара$метров импульсов проводимости объекта при микрокон$тактировании. В качестве диагностических параметровиспользуют предельные и средние значения частоты и дли$тельности микроконтактирований за определенное времяили число оборотов подвижной детали. Наиболее универ$сальным и информативным параметром этой группы яв$ляется нормированное интегральное время (НИВ) электри$ческого контактирования (К). Значение этого параметраопределяется отношением суммарной длительности соот$ветствующих микроконтактированию импульсов прово$димости объекта за время измерения к значению Ти:

� �� к н

и1

.n

i it tK

T


Изменяясь от 0 при жидкостной смазке до 1 при гра$ничной смазке, параметр НИВ (К) является статистиче$ской оценкой вероятности микроконтактирования в объ$екте (Pк).

Электроконтактные методы традиционно используют$ся в трибологии для выявления и анализа металлическо$го контактирования деталей трибосопряжений, количе$ственной оценки полужидкостной смазки и т. п., при этомнаибольшее развитие эти методы получили в направле$нии диагностирования подшипников и опор качения.

При решении задачи выделения необходимой инфор$мации о состоянии подшипника принимаются во внима$ние следующие особенности электроконтактных методов:� на значение диагностического параметра влияют толь$

ко те участки рабочих поверхностей деталей, которыеза время его оценки попадают в контактные зоны на$груженных тел качения с кольцами;

� с увеличением нагрузки в контакте вероятность мик$роконтактирования деталей возрастает, что приводитк увеличению чувствительности параметра к состоя$нию находящихся в контактной зоне участков рабо$чих поверхностей;

� неравномерность распределения нагрузки между тела$ми качения создает возможность задания требуемойчувствительности параметра К к различным участкамповерхностей путем их соответствующего нагружения.С учетом указанных особенностей выделение необходи$

мой информации о состоянии объекта осуществляется пу$тем создания алгоритмов обработки информации о флук$туирующем значении его сопротивления (проводимости),адаптированных к имеющему место в объекте или созда$ваемому при диагностировании характеру его нагружения.

Физическая картина диагностирования заключаетсяв следующем. Попадание дефектного участка поверхно$сти (риски, лунки, трещины, раковины и т. п.) в нагру$женную контактную зону вызывает релаксацию давления,что приводит к снижению толщины разделяющей поверх$ности смазочной пленки, возрастанию вероятности мик$роконтактирования деталей и, соответственно, значения


параметра К. При этом степень влияния дефекта на К за$висит от его вида и величины, а между его размернымипараметрами (протяженность, глубина, объем) и значе$нием К существуют однозначные монотонные зависимо$сти (рис. 118).

Это явление положено в основу электрических мето$дов дефектоскопии, которые применительно к подшип$нику качения обеспечивают обнаружение регламентиро$ванных НТД повреждений рабочих поверхностей колец ител качения как отдельного подшипника, так и опоры ка$чения узла с глубиной поиска до поврежденного тела ка$чения и местоположения дефекта на дорожке качениякаждого из колец в условиях рабочего и тестового диагно$стирования.

За счет радиальной силы происходит одностороннийвыбор зазора, и в подшипнике образуется зона нагруже$ния, ограниченная некоторым угловым сектором 5 0

(рис. 119а). В этом случае зона контроля совпадает с зо$ной нагружения, расположена симметрично вектору Fr,

Рис. 118Примеры эпюр гидродинамическогодавления в контактной зоне подшип$ника (а) и расчетных зависимостей К

от глубины (б) и протяженности (в)моделируемой раковины:

1 — дефект отсутствует, h = 0,612 мкм; 2 —глубина дефекта 0,212 мкм, протяженность236 мкм, h = 0,547 мкм; 3 — глубина дефекта1 мкм, протяженность 221 мкм, h = 0,354 мкм;4 — глубина дефекта 1 мкм, протяженность236 мкм, h = 318 мкм.

а

б в


а нагрузка в ее пределах изменяется от максимального зна$чения в центре до 0 на ее границах (рис. 119б, в).

На рис. 120 в качестве иллюстрации представлены при$меры характерных диаграмм K(t) при поиске дефектоврабочих поверхностей бывших в эксплуатации подшип$ников (алгоритм непрерывного последовательного скани$рования за счет изменения положения контролируемойповерхности относительно Fr).

Перспективным направлением повышения достоверно$сти диагностирования узлов машин и механизмов являетсяреализация комплексного подхода, сущность которого при$менительно к опорам качения заключается в следующем:� в качестве объекта диагностирования рассматривает$

ся не собственно подшипник, а система «подшипник —сборка — смазка — режимы и условия работы»;

Рис. 119Схема радиально

нагруженногоподшипника качения

и распределение F�в зоне нагружения

подшипника типа 306для различных

значений радиально$го зазора Gr при

Fr = 3 кН (а) и дляразличной нагруз$

ки F при Gr = 20 мкми � = 180 (б) и отмаксимального

значения в центре до0 на ее границах (в)

б

в

а


� диагностирование проводится на различных этапахжизненного цикла изделий (входной контроль новыхподшипников и дефектация бывших в эксплуатацииподшипников, диагностирование опор в процессе про$

Рис. 120Примеры зависимостей K(t) при дефектоскопии подшипников 208

с различными локальными дефектами поверхностей:а — усталостное отслаивание на шарике; б — два участка коррозионной сыпи надорожке наружного кольца; в — трещина внутреннего кольца; г — локальныйизнос внутреннего кольца в виде коррозии; д — раковина усталостного выкраши$вания на шарике.

а

б

в

г

д


ведения механосборочных работ, диагностированиеподшипников в процессе эксплуатации ответственныхизделий, проведении исследований и испытаний);

� на каждом из этапов наряду с определением норми$руемых в НТД параметров технического состоянияподшипника осуществляется комплексная оценка егофактического состояния как системы с учетом решае$мых задач.Общий принцип комплексной оценки состояния под$

шипника как системы заключается в обеспечении для ка$ждого участка поверхности наружного и внутреннего ко$лец, а также каждого тела качения одинаковых условийвлияния их состояния на значение диагностического па$раметра при режимах и условиях работы объекта, соот$ветствующих эксплуатационным.

Входной контроль новых подшипников наиболее эф$фективен при изготовлении и ремонте сложных, ответ$ственных и дорогостоящих изделий, а также изделий стяжелыми условиями работы подшипников. Задача ком$плексной оценки состояния — выявление подшипников,обладающих потенциально низкой надежностью при кон$кретных режимах и условиях эксплуатации в данномвиде изделий.

Установлена высокая эффективность электрорезистив$ных методов комплексной оценки состояния опор каченияпри решении следующих научно$производственных задач:� предотвращение внезапных отказов высокоскорост$

ных опор при эксплуатации машин и механизмов;� мониторинг процесса технологической обкатки вы$

сокоскоростных опор с пластичным смазочным мате$риалом;

� обоснование режимов работы и экспресс$контроль сис$тем с малым расходом смазочного материала;

� идентификация вида и количественная оценка состоя$ния смазки в подшипнике;

� оценка характера и параметров закона распределениясопротивления объекта при полужидкостной смазке.Особую группу составляют средства непрерывного кон$

троля состояния опор при эксплуатации объектов с целью


предотвращения их аварийных отказов. Как правило, ониимеют устройства сигнализации и автоматического отклю$чения объекта, а конструктивно выполняются в качествевстроенных средств.

Одним из методов, позволяющих выявить дефектыподшипников качения на ранней стадии и непосредст$венно во время функционирования, является метод, ос$нованный на приеме, регистрации и анализе механиче)ских колебаний поверхности корпуса подшипника илиэлементов, жестко соединенных с его наружным коль$цом, вызванных взаимным соударением контактирую$щих поверхностей при образовании на них трещин иливыбоин. При таком соударении генерируются волны раз$личных типов с широким спектром частот. Они распро$страняются по элементам подшипника и достигают по$верхности его корпуса, где могут быть зарегистрирова$ны акустико$эмиссионной аппаратурой. Фиксируютсядва параметра сигналов — амплитуда и интенсивность.При наличии выбоин или трещин на беговых дорожкахили телах качения подшипников наблюдаются импуль$сы с «большой» амплитудой и частотой, пропорциональ$ной частоте вращения. При этом амплитуда шумов су$щественно ниже амплитуды полезных сигналов. В ходеэксперимента исследовали акустическую эмиссию и виб$рации подшипников с искусственным дефектом на до$рожке качения внутреннего кольца. Для измерений былаприменена испытательная машина радиального типа,схематически представленная на рис. 121. В качествеиспытуемых использовались шариковые подшипникитипа 6206 (с 9 шариками) с глубокой канавкой и роли$ковые подшипники типа NU206 (с 13 цилиндрическимироликами). Наружный диаметр подшипников обоих ти$пов равен 62 мм, внутренний — 30 мм, ширина равна16 мм. Подшипники были смазаны консистентной смаз$кой. Радиальная нагрузка (980 или 1960 Н) приклады$валась при вращении внутреннего кольца подшипниковс частотой 1074 об/мин. Датчик акустической эмиссиизакрепляли на передней стенке корпуса испытательноймашины, вибрационный датчик — на боковой. Всего в хо$


де эксперимента исследовали шариковые (один нормаль$ный, пять с искусственным дефектом — глухим цилинд$рическим отверстием на дорожке качения внутреннегокольца) и роликовые подшипники (один нормальный ишесть с искусственным дефектом — прямоугольным па$зом). На рис. 122, 123 показаны такие искусственные

Рис. 121Схема испытательной

машины для исследова$ния АЭ$подшипников

Рис. 122Искусственный дефект на

дорожке качения внутреннегокольца шарикового подшипника

Рис. 123Искусственный дефект на

дорожке качения внутреннегокольца роликового подшипника


дефекты, созданные методом электронного разряда. Диа$метр отверстия на дорожке качения шариковых подшип$ников варьировался от 0,1 до 1,5 мм, глубина отверстияравнялась 0,1 мм; ширина паза на дорожке качения ро$ликовых подшипников варьировалась от 0,1 до 0,5 мм,длина паза равнялась 4 или 8 мм, глубина 0,1 мм.

На рис. 124 приведены типичные огибающие спектрыакустической эмиссии. Видны пики, соответствующиечастоте дефекта внутреннего кольца (Fii), частоте враще$ния (Fri) и частотам модуляции Fi – Fr, Fi + Fr. Пики сви$детельствуют о наличии дефекта на дорожке качения внут$реннего кольца подшипника.

На рис. 125а показана взаимозависимость междудиаметром искусственного дефекта (отверстия) на внут$реннем кольце шарикового подшипника и амплитудой

а

б

Рис. 124Огибающий спектр акустической эмиссии:

а — для шарикового подшипника с отверстием диаметром 0,5 мм на внутреннемкольце; б — для роликового подшипника с пазом длиной 8 мм и шириной 0,1 ммна внутреннем кольце.


частотной составляющей сигналов. Нулевые значенияна оси абсцисс соответствуют нормальному подшипни$ку без дефекта.

Видно, что амплитуды частотной составляющей сиг$нала акустической эмиссии подшипников с искусствен$ным дефектом диаметром 0,1 и 0,2 мм малы и практиче$ски не отличаются от амплитуды нормального подшип$ника. При диаметре дефекта 0,5 мм и более амплитудазаметно возрастает по мере увеличения диаметра дефек$та. При одном и том же диаметре искусственного дефектаамплитуда частотной составляющей сигнала акустическойэмиссии возрастает по мере увеличения нагрузки на под$шипник.

Похожим образом изменяется амплитуда частотнойсоставляющей сигнала вибраций (рис. 125б): от малой придиаметре искусственного дефекта 0,1 и 0,2 мм до посте$пенно возрастающей по мере увеличения диаметра дефек$та, но до определенного предела (1 мм), после которого ростамплитуды практически прекращается. По мере увеличе$ния нагрузки на подшипник при одном и том же диаметредефекта амплитуда частотной составляющей сигнала виб$раций также возрастает.

а б

Рис. 125Результаты эксперимента с шариковыми подшипниками:

акустической эмиссии (а) и вибраций (б)


4.9.2. ДИАГНОСТИКАПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

4.9.2.1. ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИИЗНАШИВАНИЯ

Износ вкладыша подшипника определяется по формуле

m = m0 + kMEEАЭ,

где EАЭ — суммарная энергия сигналов АЭ; m0, kME — эмпи$рические коэффициенты определяются в предварительныхиспытаниях на трение материалов при скорости скольже$ния, равной эксплуатационной. В качестве информативныхпараметров для каждого сигнала АЭ предлагается регистри$ровать максимальное значение амплитуды А и его длитель$ность (количество осцилляций) S, а отбор полезных сигна$лов осуществлять в соответствии с критерием S/А > 0,2. Этосоотношение не зависит от уровня усиления, но каждыйфизический процесс может характеризоваться своим диа$пазоном соотношения S/А. Корреляция между m и ЕАЭ мак$симальна и составляет 0,98 при соотношении S/А > 0,2.

В рамках развития данного направления были проведе$ны работы по изучению кинетики изнашивания материа$лов, без разбора контактного узла была продолжена работана меди, бронзе, алюминиевых сплавах АО 20 и силумине,а также на баббите Б83. Причем не только при сухом тре$нии, но и в условиях граничной смазки. Эти материалышироко применяются в промышленности. В качестве мате$риала контртела, имитирующего вращающийся вал, ис$пользовалась среднеуглеродистая сталь 45. Для проведенияиспытаний на износ при сухом трении из исходных мате$риалов изготовлялись пальцы с размерами 5@5 мм2 и дли$ной 25 мм. Для проведения испытаний в масле из исходныхматериалов изготовлялись кольца с внешним диаметром6 мм и внутренним 4 мм. Подвижное контртело из стали 45имело форму диска диаметром 40 мм при испытаниях с паль$цами. При испытаниях с кольцами стальное контртело так$же имело форму кольца с аналогичными размерами.

Непосредственно перед проведением испытаний на тре$ние контактные поверхности всегда шлифовались на мел$кой наждачной бумаге$шкурке (размер зерна �10 мкм).


Такая процедура приготовления свежешлифованных по$верхностей способствует воспроизводимости результатов.

На рис. 126 показано типичное амплитудное распре$деление. При определении амплитуды отсечки сначаластроилась аппроксимационная огибающая — функцияраспределения (кривая 1) в виде

��

� 0

1 22( )/,

1 A A d

n C CC

n eгде безразмерные параметры C1, C2, A0 и d определялись спомощью пакета программ «Матлаб». Затем правый склонаппроксимакционной функции заменялся на прямую ли$нию (линия 2), которая и отсекала на оси абсцисс значе$ние амплитуды отсечки Ао.

Результаты по определению S/A и Ао, приведеные втабл. 17, становятся все больше для менее прочных и бо$лее пластичных материалов. Поэтому в таблице приведе$ны значения разрывной прочности для исследуемых ма$териалов. Наблюдается хорошая корреляция S/A с проч$ностными параметрами материалов. Эту корреляционнуюсвязь можно выразить следующей оценочной формулой:

(S/A)новый = �В, новый/�В, этал(S/A)этал.

Рис. 126Амплитудное распределение

сигналов АЭ при сухом трениибаббита по стали


Эта формула может быть весьма полезна для оценкивеличины фактора S/A при работе с новым материалом.

В качестве эталона можно взять любой хорошо проме$ренный материал из табл. 17, например медь. С помощьюполученной оценочной формулы можно в десятки раз со$кратить время испытаний.

4.9.2.2. ОЦЕНКА АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИАНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Для проведения АЭ$испытаний металлополимерныхвтулок был спроектирован и изготовлен стенд, схема ко$торого представлена на рис. 127. Стенд состоит из нагру$зочного вала 1, обоймы 3 и нагрузочного приспособления.Поверхность нагрузочного вала была обработана накат$кой, что позволяло увеличить коэффициент трения валапо покрытию до необходимой величины. Втулка 2 с по$крытием зажималась в обойме 3, представляющей собойаналог реального подшипникового корпуса, с усилием,достаточным для предотвращения ее проскальзывания вовремя диагностического нагружения, осуществляемогопосредством проворачивания нагрузочного вала 1.

Радиальная нагрузка к обойме, обеспечивающая при$жатие покрытия к поверхности вала, прикладывалась припомощи специального приспособления, состоящего из сто$ек 4 и упругой балки 5, выполненных из швеллеров, по$средством нагрузочного винта 11. Величина радиальнойнагрузки измерялась при помощи индикатора 6 по пере$мещению свободного конца пластины, жестко скреплен$

� � � � � � ��

��

��

��

��

��


ной через прокладки с упругой балкой 5 на одном из ееконцов. Радиальная нагрузка уравновешивалась реакция$ми прикрепленных к раме 7 опор 9 и 10 нагрузочного вала,опорные поверхности которого шлифовались и смазыва$лись консистентной смазкой «Литол$24».

Для возможности нагружения вала на нем фрезеровал$ся участок под гаечный ключ, с помощью которого осущест$влялось диагностическое нагружение покрытия. Предотвра$щение проворачивания втулки с обоймой 3 обеспечивалосьупором 12. Для регистрации трещинообразования в покры$тии при помощи стального волновода 13 осуществлялсяакустический контакт датчика АЭ с телом втулки. Для это$го на внешней поверхности втулки фрезеровалась площад$ка, к которой производилась притирка контактирующей сней поверхности волновода. Места контакта втулки с вол$новодом и волновода с датчиком смазывались маслом.

Нагружение вала осуществлялось при помощи испы$тательной машины Р$5, обеспечивающей постоянную

Рис. 127Схема стенда для оценкиадгезионной прочности

антифрикционных покрытий


скорость роста нагрузки на ключе. Рама 7 стенда крепи$лась к передвижной нижней траверсе разрывной маши$ны. К верхней траверсе машины с помощью тяги присое$динялся ключ 8 нагрузочного вала установки. Сила Q ра$диального давления во всех опытах задавалась постояннойи равнялась 30 000 Н. Постоянными были также значе$ния толщины покрытия (0,35 мм) и радиального зазора(0,8 мм), что создавало близкие к реальным контактныенапряжения.

Во всех исследованных случаях временны ´е зависимо$сти числа N� сигналов АЭ имели экспоненциальный вид,которые в полулогарифмических координатах по истече$нии некоторого времени оказались близкими к прямоли$нейным вплоть до момента начала проскальзывания по$верхности вала по поверхности покрытия, когда нагруз$ка Р на ключе 8 и создаваемый ею момент Мтр переставалирасти (рис. 128). Наличие прямолинейного участка зави$симости lnN�(t) позволяло определить параметр XАЕ опи$санным ранее способом. Его значения коррелировали созначениями �шт показателя адгезионной прочности мето$да нормального отрыва штифтов, полученными на втул$ках того же размера. Отслоения покрытия в большинствеслучаев не происходило, однако когда оно наблюдалось,величина площади отслоения также коррелировала с ве$

Рис. 128Временны ´е зависимости числа импульсов АЭ, регистрируемые

при нагружении покрытия моментом сил трения Мтр


личиной параметра XАЕ. При этом прямолинейный уча$сток зависимости lnN�(t) во всех случаях образовывалсязначительно раньше отслоения, предоставляя возмож$ность неразрушающей оценки адгезионной прочности по$крытия.

Для оптимизации технологии изготовления металло$полимерных деталей были проведены исследования поустановлению влияния температуры предварительногонагрева втулки и скорости ее вращения в патроне токар$ного станка (осуществлялся центробежный способ нане$сения покрытия) на величину параметра XАЕ. Для этогоего оценка производилась при различных температурахнагрева втулки, по результатам которой строился графиктемпературной зависимости. Эта зависимость, как и ожи$далось, имела ярко выраженный минимум (рис. 129), по$зволяющий определить оптимальное значение температу$ры нагрева втулки. В данном случае она равнялась 270�С.

Влияние скорости вращения втулки при остывании иотверждении покрытия на его адгезионную прочностьожидалось за счет действия нормального давления, созда$ваемого центробежными силами полимера. Действие это$го давления, как известно, существенно влияет на качест$во адгезионного контакта.

Исследования показали, что для ненаполненного по$лиамида и для полиамидной композиции, содержащей

Рис. 129Зависимость показателей адгезионной прочности покрытий

от температуры Тн технологического нагрева втулки

а б


10% талька, с ростом скорости вращения втулки наблю$дается уменьшение величины XАЕ (рис. 130а, кривые 1и 2), что объясняется структурными преобразованиями вадгезионном слое: более полным заполнением микроне$ровностей подложки в результате увеличения действияполя центробежных сил, а также уменьшением количест$ва влаги, пор, несплошностей, увеличением фактическойплощади адгезионного контакта. Сформированная причастоте вращения вала n = 2000 об/мин структура адгези$онного слоя обеспечивала максимальную прочность.

Иная картина наблюдалась для композиции, напол$ненной тяжелыми ингредиентами — порошками меди иникеля (рис. 130а, кривая 3). Очевидно, это связано с се$парацией составляющих композиции, которая происхо$дила за счет разницы плотностей полиамида и металличе$ских частиц. Металлические наполнители вытесняют по$лиамид из граничного адгезионного слоя, что приводит кчрезмерному повышению их концентрации и понижениюадгезионной прочности покрытия. Поэтому скорость вра$щения втулки должна быть минимальной, достаточнойлишь для создания покрытия равномерной толщины.

На рис. 129б и рис. 130б представлены результаты оцен$ки показателя �шт адгезионной прочности метода нормаль$

Рис. 130Зависимость показателей адгезионной прочности покрытий от

частоты вращения n втулки при ее остывании во время изготовления

а б


ного отрыва штифтов, сравнение которых с результатамиоценки параметра XАЕ показывает высокую представитель$ность последнего: при изменении величины параметра XАЕ

в 3 раза значение �шт в рассматриваемом технологическоминтервале температур изменяется лишь в 1,3 раза. Разбросвеличины XАЕ при этом в каждой точке графика составлялв среднем 125%, тогда как в испытаниях со штифтамизначения �шт при одних и тех же условиях опыта расходи$лись на 150...250%. Приближенные расчеты показали,что более точная оценка качества покрытия позволяетповысить вероятность безотказной работы металлополи$мерного подшипника в 1,1...1,2 раза.

4.10. ДИАГНОСТИКА ВАЛКОВПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Валки прокатных станов используются в тех$нологическом процессе изготовления листопрокатной про$дукции. Повреждения валков бо ´льшей частью происхо$дят из$за аварий на линии прокатного стана. Аварии мо$гут быть вызваны обрывом полосы, двойным пропускомполосы, дефектами валка, сбоями в работе линии прокат$ного стана, неправильным обслуживанием. Для повыше$ния качества продукции, снижения затрат и обеспечениятехники безопасности в технологическом процессе прокат$ные валки подвергают неразрушающему контролю повре$ждений с помощью ультразвуковых и вихревых методов.

95% повреждений валков являются повреждениямиих поверхности, представляющими собой в большинствеслучаев трещины и структурные изменения, которые воз$никают из$за значительных изменений давления во вре$мя аварий. Своевременное устранение этих дефектов по$зволяет существенно уменьшить риск возможных повре$ждений валка, клети (стана) или дефектов и снижениякачества конечного продукта — полосы. Определить частьповерхностных дефектов валков можно визуально (при на$личии опыта такого определения), однако существенноеколичество дефектов, например валков стана холодной про$катки, можно определить только после струйной обработ$ки поверхности валка. Для выявления таких дефектов


используются токовихревые дефектоскопы, устанавливае$мые на вальцешлифовальных станках.

На новых вальцешлифовальных станках с ЧПУ токо$вихревая дефектоскопия связана напрямую с программойшлифования, которая позволяет автоматизировать кон$троль качества валка и управлять процессом шлифованияс помощью ЭВМ. Приборы токовихревой дефектоскопииспособны обнаруживать поверхностные дефекты на глу$бине до 3 мм.

4.11. ДИАГНОСТИКА МАШИНИ МЕХАНИЗМОВНА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПРОБМАШИННОЙ СМАЗКИ

Анализ масла позволяет определить:� концентрацию поверхностно$активных веществ;� содержание воды, солей, кислот, степень расщепления

масла;� количество микроскопических частиц в пробах;� размер и формы микрочастиц в пробах;� содержание в масле частиц алюминия, меди, железа,

магния, никеля, серебра, хрома, олова, кремния, ти$тана.Пробы масла подвергают различным видам анализа:

� атомно$абсорбционному;� эмиссионному;� спектральному;� спектрографическому;� оптическому и др.

Анализ масла дает возможность характеризовать:� техническое состояние механической системы;� состояние трущихся деталей;� качество фильтрации масла.

Результаты анализа используются для прогнозирова$ния состояния машин и механизмов путем:� построения кривых характера износа деталей;� определения пороговых значений для «нормального»

механизма на основе аппарата математической стати$стики;


� выявления характера поломок и прогнозирования ихпроявления;

� разработки теории скорости загрязнения маслянойсистемы.Выводы исследований:1. Существует типовая корреляционная зависимость

между скоростью износа деталей и появлением неисправ$ностей.

2. Содержание любого элемента в работающем маслеявляется нормально распределенной случайной величиной.

3. Наличие в масле частиц размером 0,1...1 мкм не сви$детельствует о поломках в системе.

4. Содержание примесей в масле может быть исполь$зовано для диагностики технического состояния механи$ческой системы на основе математической статистики итеории распознавания образов.

4.12. КОНТРОЛЬМАКРОСТРУКТУРЫ СЛЯБОВ

В настоящее время на большинстве металлурги$ческих комбинатов в условиях жесткой рыночной конку$ренции одной из самых важных задач является повышениекачества готовой продукции. В связи с этим исследования,направленные на выявление дефектов металлопродукциина ранних стадиях их образования, а также совершенство$вание методов контроля качества непрерывнолитых заго$товок являются весьма актуальными.

Существующие методы контроля не позволяют оцени$вать каждую заготовку, к тому же они являются разру$шающими, длительными и неточными. После обзора ди$агностических методов было сделано заключение, что ме$тод акустической эмиссии позволяет делать сплошнойконтроль литых заготовок и может быть встроен в техно$логический процесс. Поэтому была поставлена задача раз$работки технологии контроля макроструктуры литых сля$бов на основе данного метода.

Цель работы — выявление перспектив разработки тех$нологии неразрушающего контроля качества слябов мето$дом акустической эмиссии для внедрения в технологический


процесс цехов производства горячего проката. Для дости$жения поставленной цели необходимо создать системуклассификации сигналов и зависимости сигналов от ви$дов дефектов, кроме того, установку диагностическогонагружения и определить требуемые параметры нагруже$ния. В работе получила развитие идея использования ме$тода акустической эмиссии по обнаружению дефектов наслябе, проводимая с участием ОАО «НЛМК». Результа$том эксперимента было выявление несплошности в мате$риале сляба, соответствующей по расположению коорди$натам, указанным при анализе полученных показанийакустико$эмиссионной аппаратуры. Это свидетельствуето возможности использования метода. Основной особен$ностью метода является использование не косвенных при$знаков дефектов, таких как геометрические размеры не$сплошностей, а параметров, прямо указывающих на воз$можность дальнейшего развития дефекта при прокатке.Это наиболее важная отличительная особенность, посколь$ку наличие в слябе такого дефекта, как несплошность ма$териала, не является достаточным признаком, указываю$щим на проявление дефекта в полученной горячекатанойполосе. Это объясняется тем, что при прокатке во времядеформации может происходить как развитие дефектов,так и их уменьшение и исчезновение, в зависимости отсочетания параметров дефекта и действующих напряже$ний в процессе прокатки. Поэтому для получения воз$можности корректного анализа методом акустическойэмиссии наличия дефектов в слябе и возможности даль$нейшего развития этих дефектов в процессе производст$ва горячекатаной полосы нужно обеспечить нагружение,наиболее близко имитирующее действие напряжений впроцессе прокатки. Так, к примеру, для прокатки с низ$ким очагом деформации напряжения, действующие вдольоси прокатки, у поверхности слитка — растяжения, а вцентральной зоне слитка — сжатия. Для этого случая наи$более подходящим является диагностическое нагружениена изгиб, осуществимое поочередным поднятием сляба сприложением сил в центральной части и крайних частяхслитка. Возникающие в слябе под действием силы тяже$


сти напряжения имитируют напряжения, действующиепри прокатке. При этом происходит регистрация сигна$лов акустической эмиссии, дальнейший анализ которыхпозволит выявить дефекты и определить степень их опас$ности.

Для выявления общих корреляций параметров сигна$лов акустической эмиссии и дефектов в слябе были сдела$ны заготовки прямоугольной формы, отношение длины,ширины и высоты которых характерно для слябов. Онибыли отлиты из легкоплавких металлов и сплавов. Проб$ная партия была предназначена для определения возмож$ности использования материалов для определения нали$чия дефектов методом акустической эмиссии, поэтому онибыли выполнены с грубыми нарушениями технологиилитья, что привело к образованию значительного количе$ства дефектов в них. Нагружающее устройство изготовле$но в виде двух опор, которые поддерживают края слиткаснизу, и нагружающего механизма, который давит на цен$тральную часть слитка сверху. Устройство имитирует дей$ствие сил тяжести на реальный сляб. Для регистрациисигналов акустической эмиссии на слитке были установ$лены два пьезопреобразователя.

Первая серия нагружений показала, что наиболее под$ходящим для проведения экспериментов материалом яв$ляется баббит Б83. Вид зарегистрированного амплитуд$ного распределения числа импульсов АЭ (см. рис. 131)близок к распределениям дефектов по размерам и можетстать базой для микромеханической оценки дефектности.В дальнейшем планируется проведение серии эксперимен$тов, состоящих из диагностического нагружения слитковиз баббита Б83 с одним преднамеренно полученным де$фектом в каждом и без дефектов. После нагружения и ре$гистрации сигналов предполагается прокатать слитки срежимами прокатки, имитирующими реальные производ$ственные условия. Сопоставив результаты диагностиче$ского нагружения и проверки качества полосы, можнобудет установить корреляции параметров сигналов АЭ иобразованных дефектов. Также будут проверены способынагружения и выбран наиболее подходящий.


Были проведены промышленные эксперименты. На$гружение сляба проводилось его собственным весом и при$водило к появлению максимальных растягивающих на$пряжений на поверхности величиной 245 МПа, что со$ставляло 20...30% от предела текучести и обеспечиваловысокую вероятность регистрации сигналов АЭ. Датчи$ки АЭ устанавливались в средней части сляба на расстоя$нии 2 2 м друг от друга.

Сопоставление результатов регистрации сигналов АЭи внешнего осмотра поверхности сляба после ее высоко$температурной обработки позволило идентифицироватьодин дефект. Для более детальной идентификации тре$буется привлечение результатов существующих методовопределения дефектов.

По результатам испытаний были сделаны следующиевыводы:

1. Для контроля макроструктуры литых слябов воз$можно использование метода акустической эмиссии.

2. Для установления связи параметров АЭ с парамет$рами дефектов макроструктуры литых слябов в условияхнеоднородного напряженного состояния сляба необходи$мо сопоставление результатов регистрации АЭ с результа$тами металлографического анализа.

Рис. 131Амплитудное распределение сигналов АЭ, полученное

после нагружения образца баббитовой отливки


3. Расчет технических параметров системы регистра$ции акустических сигналов для определения трехмерныхкоординат дефектов макроструктуры слябов.

4. Описание методики определения количества требуе$мых каналов измерительной АЭ$системы, способной кон$тролировать весь объем диагностируемого сляба.

Количество требуемых каналов измерительной систе$мы диагностируемого на прочность объекта определяетсямаксимально возможным расстоянием между преобразо$вателями (датчиками) АЭ, которое выбирают (согласно РД03$131$97) таким образом, чтобы сигнал от имитатора АЭ(излома грифеля карандаша — это аналог значимой дляпрочности трещины), расположенного в любом месте кон$тролируемой зоны, обнаруживался тем минимальным ко$личеством преобразователей АЭ, которое требуется длярасчета координат.

Определение максимально возможного расстояния ме$жду преобразователями ведут на основе определения харак$теристики затухания и порога дискриминации (чувстви$тельности) измерительной системы АЭ. Для определения ко$эффициента затухания вне группы преобразователей АЭ налинии, их соединяющей, и расстоянии 10...20 см от одногоиз них имитируем сигнал с помощью имитатора (излом гри$феля карандаша) и определяем разницу амплитуд сигналовв каналах. Деление этой разницы на расстояние между пре$образователями дает характеристику затухания. Порог дис$криминации определяется помехами при регистрации АЭи определяется в месте проведения диагностирования.

4.13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТЫ ТЕЧИВ ТРУБОПРОВОДАХ

4.13.1. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯСИГНАЛОВ ОТ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИНА ОСНОВЕ КОРРЕЛЯЦИОННОГОИ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Сущность акустического метода течеисканиязаключается в определении координаты акустическихсигналов, измеряемых в связи с истечением жидкости че$рез сквозной дефект. Сигналы имеют частоту, попадающую


в диапазон от нескольких десятков герц до сотен кило$герц, распространяются по воде и регистрируются датчи$ками, устанавливаемыми по концам диагностируемогоучастка. Местоположение протечки определяется посред$ством кросс$корреляционного анализа сигналов двух дат$чиков. Физическую основу анализа составляет естествен$ное представление о том, что сигналы более удаленного оттечи датчика регистрируются позднее, чем более близко$го к течи датчика. Возникающее запаздывание обнаружи$вается не столь четко, как при обнаружении трещины илиметодами УЗК, из$за большой протяженности волн, чтотребует совместного статистического анализа сигналовдвух датчиков. Определяют взаимную корреляционнуюфункцию A(�) двух процессов f1(t) и f2(t), регистрируемыхдвумя датчиками

� � � 1 2

0

( ) (1/2 ) ( ) ( ) ,T

A T f t f t dt

где Т — время регистрации, которое должно существеннопревышать период самой низкочастотной составляющейпроцесса и составляет обычно доли секунд. Максимумфункции A(�) достигается при значении аргумента �, рав$ном разности времен прихода сигналов на датчики. Раз$ность расстояний от места течи до первого и второго дат$чика �l определяется как �l = с�, где с — скорость звука, скоторой распространяются волны в данной среде. Еслирегистрируется шум внутри трубы, то это скорость звукав жидкости или газе, находящихся в трубе, с учетом тече$ния самой среды. При регистрации волн, возбуждаемыхсредой в металле трубы, приходится проводить градуиро$вочные опыты, так как в трубе будут распространяться нор$мальные волны с разными скоростями, зависящими от час$тоты. Градуировка требуется и в случае регистрации сиг$налов через почву в случае подземного трубопровода.

Оценка характеристических частот указанного излуча$теля и отделение полезных сигналов от общего фона шу$мов осуществляется на основании спектрального анализа.

Спектральный анализ — один из методов обработкисигналов, который позволяет охарактеризовать частотныйсостав измеряемого сигнала. Преобразование Фурье явля$


ется математической основой, которая связывает времен$но´й или пространственный сигнал (или же некоторую мо$дель этого сигнала) с его представлением в частотной об$ласти. Важную роль в спектральном анализе играют ме$тоды статистики, поскольку сигналы, как правило, имеютслучайный характер или зашумлены при распростране$нии или измерении. Если бы основные статистическиехарактеристики сигнала были точно известны или их мож$но было определить по конечному интервалу этого сигна$ла, то спектральный анализ представлял бы собой отрасль«точной науки». Однако в действительности по отрезкусигнала можно получить только оценку его спектра.

Определение местоположения источника излученияосуществляется с использованием функции корреляции.Процедура определения местоположения течи заключа$ется в первоначальном определении момента времени (за$паздывания) �Аmax, которому соответствует наибольшеезначение функции кросс$корреляции Amax(�) (рис. 132), споследующим умножением �Аmax на скорость распростра$нения акустической волны по среде V. При этом диапазонизменения � от (–L/2V) до (+L/2V), т. е. отсчет длины из$начально осуществляется от середины участка, а затемпересчитывается относительно расположения одного издатчиков.

Рис. 132Зависимость амплитуды акустического сигнала

от местоположения течи


Таким образом, использование операции пересчетавремени запаздывания в расстояние от точки постановкидатчика до течи обусловливает требование для обеспече$ния точности местоположения течи: определение истин$ного расстояния между точками постановки датчиков,т. е. проведение трассировки.

4.13.2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССАОБРАЗОВАНИЯ ТЕЧИ В ТРУБОПРОВОДЕ

Для проведения исследований АЭ$контроля при выте$кании воды через трещину в трубопроводе была изготов$лена установка, показанная на рис. 133.

В центральной части трубы 1 был вварен участок тру$бопровода 2 < 101,6@5,7 мм контура охлаждения бланке$та из стали 08Х18Н10Т со сквозной трещиной. После за$полнения трубы водой в ней создавалось избыточное дав$ление при помощи баллона с азотом 3. Величина давленияподдерживалась на заданном уровне при помощи регуля$

Рис. 133Схема установки для течеискания:

1 — труба � 110�10 мм, длиной 150 м; 2 — участок трубопровода � 101,6�5,7 мм;3 — баллон с азотом; 4 — регулятор давления; 5 — АЭ$система; 6 — предусили$тель; 7 — АЭ$датчик; 8 — ЭВМ IBM PC.

газ

течь


тора давления 4. Поступающая из трещины вода собира$лась в емкость с целью измерения расхода. Для регист$рации АЭ использовалась система СДАЭ$8 с датчикамиАП$206. Использованный частотный диапазон находил$ся в пределах 20...150 кГц. Была получена графическая(табличная) зависимость амплитуды сигналов АЭ от рас$стояния до течи при различных расходах жидкости черезтечь (рис. 134). Установлено, что при минимальном рас$ходе воды в данном эксперименте 0,23 л в минуту течь на$дежно фиксировалась методом АЭ при установке датчи$ков на расстояниях от 0 до 20 м. Течи с расходом менее0,23 л в минуту можно зафиксировать, расположив дат$чик АЭ на минимальном расстоянии от трещины. Мини$мальный расход, который можно зафиксировать в такихусловиях, зависит от уровня шума, создаваемого работаю$щим оборудованием. Его можно уточнить в дальнейшем.

Анализ графика показывает, что затухание сигнала оттечи имеет величину примерно 0,5...1 дБ/м (в среднем0,77 дБ/м).

4.13.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВАСИГНАЛОВ АЭ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДЛИНАХУСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ

Исследования спектрального состава сигналов акусти$ческой эмиссии производились на модели трубопровода< 76,3@5,2 мм. Под действием внутреннего давления про$исходило истечение теплоносителя через сквозную трещи$ну. Одновременно на трубе, на расстояниях 40 и 430 мм от

Рис. 134Зависимость амплитуды сигналов АЭ от расстояния

до течи при различных величинах расхода:

ряд 1 — расход 0,23 л/м; 2 — 0,35 л/м; 3 — 0,6 л/м; 4 — 2 л/м.


Рис. 135Спектральный состав сигналов АЭ от жидкости,

истекающей через трещину длиной 5 мм (масштаб по оси Х 5 МГц(частота); масштаб по оси Y В/МГц (спектральная плотность))




трещины на волноводах были установлены датчики аку$стической эмиссии с целью фиксации акустических сиг$налов, излучаемых течью. Регистрировались непрерыв$ные сигналы от течи или пара. Спектральный состав сиг$налов АЭ показан на рис. 135...137.

Результаты эксперимента представлены в табл. 18.

Можно отметить три основные закономерности:1. Амплитуда сигналов АЭ растет с ростом размеров

трещины и расхода среды через течь.



� � � � � � ��

��

��

��

�� !��"��

��

��

�


2. Частота сигналов АЭ снижается с увеличением дли$ны трещины и расхода среды при переходе от трещиныразмером 5 мм к трещине размером 12 мм, а затем стаби$лизируется в пределах разброса.

3. Данные результаты показывают, что при распро$странении сигналов АЭ от течи спектральный состав сиг$налов меняется. На малых расстояниях основная энергиясосредоточена в частотном диапазоне 300...400 кГц. Помере продвижения по трубе вдаль от источника в спектресигнала начинает доминировать низкочастотная состав$ляющая с частотой 70...80 кГц.

5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯДИАГНОСТИКА

5.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Экологическая диагностика (ЭкоД) изучаетпричины неблагоприятных изменений экосистемы подвоздействием антропогенных и природных процессов (яв$лений), определяет расположение и параметры источни$ков, а также диагностические признаки возникновения иразвития неблагоприятных процессов.

ЭкоД использует результаты многолетних исследова$ний космических и внутриземных процессов, воздушнойи водной сред, состояния флоры и фауны с целью опреде$ления благоприятных для экосистемы состояний природ$ной среды и построения диагностических моделей экоси$стемы. Построение алгоритмов диагностирования заклю$чается в выборе такой последовательности элементарныхпроверок, по результатам которых можно отличить бла$гоприятное состояние природной среды от контролируе$мого, угрожающего необратимыми неблагоприятнымидля экосистемы изменениями или жизни и здоровью че$ловека.

Современная земная атмосфера — многокомпонентнаяоболочка Земли массой менее 106 ее массы и радиусом по$рядка 103 радиуса Земли. Непосредственное влияние начеловека в основном оказывает тонкий слой приземнойатмосферы, высота которого составляет несколько сотенметров. Именно этот атмосферный слой подвергается наи$большим воздействиям в результате деятельности чело$века, определяя условия жизнедеятельности биоты, а так$же климатических изменений.


Первая группа компонент атмосферы — механическаясмесь газов в атомарном, молекулярном или кластерном(комплекс из нескольких атомов или молекул) состоянии.

Второй группой компонент атмосферы являются ат$мосферные аэрозоли — взвешенные в воздухе частицытвердого тела или капли жидкости природного и антропо$генного происхождения. Аэрозоль с жидкими (туман, об$лако) и твердыми частицами (пыль, дым, смог) постоянноприсутствует в атмосфере, но варьируется в широких пре$делах по размерам (от кластеров до дождевых капель) ипо концентрации.

Третью группу компонент атмосферы составляют фи$зические поля, определяющие многие свойства и струк$туру земной атмосферы, среди которых можно выделить:электромагнитное поле, включающее оптическое излуче$ние (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное); грави$тационное поле, определяемое преимущественно полемтяготения Земли; электростатическое поле (атмосферноеэлектричество), характеристики которого в земной атмо$сфере варьируются в широком диапазоне и являются важ$ными параметрами для многих атмосферных процессов иявлений; магнитное поле Земли (геомагнетизм); косми$ческие лучи.

Почва представляет собой сложную смесь минеральныхи органических веществ, обладающих различными физи$ческими и химическими свойствами, которые могут вли$ять на ее поглощательную и отражательную способность.

Содержание влаги, количество органического вещест$ва, оксида железа, соответствующее содержание глины,пыли и песка, характеристики шероховатости поверхно$сти почвы — все это влияет на спектральную отражающуюспособность почвы.

Одной из главных характеристик почвы является еетекстура, которая подразумевает соответствующие про$порции частиц глины, пыли и песка: частицы диаметромменее 0,002 мм — глина; диаметром 0,002...0,05 мм —пыль и 0,05...2 мм — песок. Соответствующее количест$во этих компонент определяет текстуру (например, песча$нистая глина, пылеватый суглинок и т. д.).

5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА 323

К водным объектам относятся: влага в атмосфере; водо$стоки (русла рек, каналы); водоемы (озера, пруды, болота,водохранилища); моря, океаны; почвенная влага, подзем$ные воды; снежный покров, ледники (материковые, горные).

Основные экологические проблемы окружающей сре$ды показаны на рис. 138.

5.2. ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Одной из главных задач экодиагностики явля$ется прогноз землетрясений.

Задача формулируется как оценка вероятности того,что в данной области в течение времени Т произойдет зем$летрясение с магнитудой больше определенного порога M0.

В зависимости от продолжительности периода време$ни Т различают прогноз: долгосрочный (годы), средне$срочный (месяцы), краткосрочный (дни, недели).

Рис. 138Основные экологические проблемы окружающей среды


Диагностирование землетрясения основано на направ$ленном поиске предвестниковых диагностических призна$ков землетрясений в развитии природных процессов —сейсмических, геодеформационных, электрических, маг$нитных, геохимических, гидрогеологических и др.

Многие наблюдения свидетельствуют о том, что зем$летрясениям предшествуют шквалистые ветры, туман,засуха, свечение атмосферы, особенное поведение живот$ных, изменения дебита источников и вкуса воды. Необхо$димо изучение особенностей сейсмического режима, хи$мического состава воды, деформаций земной поверхности.

Из всего многообразия, насчитывающего более 150 ме$тодов выделения индивидуальных предвестниковых эф$фектов, экспертами отобраны около 30, которые рекомен$дованы для внедрения в Федеральную систему сейсмоло$гических наблюдений и прогноза землетрясений.

Методика долгосрочного сейсмического прогноза ос$нована на закономерностях размещения в пространстве ивремени сильных землетрясений и свойств сейсмическо$го цикла для прогноза на годы и десятилетия вперед.

Методика определения периодов повышенной вероят)ности возникновения сильных землетрясений с М > 7указывает интервалы времени длительностью в несколь$ко лет, в течение которых такие землетрясения ожидают$ся с вероятностью, в несколько раз превышающей сред$нюю.

Методика оценки закономерностей динамики сей)смического режима изучает вариации углового коэффи$циента наклона графика повторяемости землетрясений имоделирует форшоковые последовательности с помощьюуравнения саморазвивающихся процессов.

Методика диагностики периодов повышенной веро)ятности (ППВ) землетрясений с магнитудами М > 8 наоснове алгоритма М = 8, в основе которого лежит явлениеаномальной активизации сейсмического потока, предше$ствующее сильному землетрясению, определяет функции,характеризующие сейсмическую активность, изменениеее долговременного тренда, концентрацию и группирова$ние очагов землетрясений.


Методики среднесрочного прогноза землетрясений наоснове алгоритмов КН и MS основаны на следующих ха$рактеристиках сейсмического потока: уровне сейсмиче$ской активности; вариации ее во времени; пространствен$но$временном группировании землетрясений; их удален$ном взаимодействии.

Методика удаленных афтершоков показывает, что втечение времени ТАВ на расстоянии Dbc после триггерныхсобытий с магнитудой М > 7 все землетрясения объявля$ются удаленными афтершоками на время Tbc, т. е. пред$вестниками будущих сильных землетрясений с магниту$дой М > 7 в кругах радиуса Dbc.

Анализ кинематических параметров сейсмическихволн показывает на временное поведение параметра, свя$занного с дисперсией времен пробега упругих волн от сла$бых землетрясений для группы сейсмических станций.Показано, что данный параметр для различных сейсмо$активных районов увеличивается перед землетрясением.

Гидрогеодинамические методы основаны на представ$лении о том, что уровень подземных вод в скважинах пря$мо отражает изменения напряженно$деформированногосостояния в земной коре. Их применяют для целей сред$не$ и краткосрочного прогноза.

Геохимические методы основаны на поисках и анали$зе аномальных вариаций содержания ряда химическихэлементов в подземных водах, газах, почве перед земле$трясениями. Наиболее широко используются методы кон$троля радона, гелия, ртути, углекислого газа, водорода иуглеводородов.

Методы электрического зондирования базируются наанализе вариаций электрического сопротивления горныхпород при подготовке землетрясений.

Глубинные исследования проводятся методами верти$кального электрического, дипольного и частотного зон$дирования.

Отдельную группу методов составляют многокомпо$нентные наблюдения за вариациями естественного электри$ческого и электромагнитного полей в широком частотномдиапазоне. Использование площадных систем измерений


оказывается эффективным для целей средне$ и кратко$срочного прогноза.

Электромагнитное излучение (ЭМИ) в радиоволновомдиапазоне изменяет интегральную интенсивность огибаю$щей ЭМИ и аномалии потока импульсов за несколько су$ток или часов перед рядом сильных землетрясений.

Метод зондирования ионосферы на сверхдлинных вол)нах в волноводе Земля — ионосфера выделяет «бухтооб$разные» возмущения фаз и амплитуд сигналов опорнойсистемы на трассах, проходящих через сейсмоактивныерайоны.

Деформационные и наклономерные методы основанына алгоритме поиска точек на временны ´х рядах данных, вкоторых изменение скорости процесса деформированияпревышает определенный пороговый уровень.

Геодезические методы позволяют фиксировать гори$зонтальные и вертикальные смещения и определять де$формационные параметры земной коры.

Они должны использовать:� необслуживаемые сейсмометры, размещенные в неглу$

боких скважинах; автономные выносные пункты, об$разующие микроапертурную сейсмическую антенну(микрогруппу); постаментные системы;

� устройства телеметрии и центральных станций, осна$щенных соответствующей вычислительной техникойи развитым программным обеспечением.При регистрации региональных землетрясений (рас$

стояния 100...200 км) с магнитудами М = 5,0...8,2 частот$ный диапазон составляет 0,01...10 Гц (среднечастотный),динамический — 140 дБ.

При регистрации телесейсмических землетрясенийчастотный и динамический диапазоны составляют соот$ветственно 0,001...1 Гц (низкочастотный) и 160 дБ.

В состав комплекса для измерения деформаций зем$ной поверхности входят двухкоординатные маятниковыенаклономеры, кварцевые деформометры, датчик атмо$сферного давления и температуры. В зависимости от об$стоятельств возможна установка гидростатического ниве$лира с промежуточными станциями.


Электротеллурические измерения проводятся с помо$щью пар приемных электродов с горизонтальными и вер$тикальными разносами.

Технические требования к приемным электродам сле$дующие: частотный диапазон — 0...1 Гц; динамическийдиапазон — 80 дБ; чувствительность — 10–5.

Измерения электрического сопротивления осуществля$ют методом магнитотеллурического зондирования (МТЗ),который дает информацию о распределении электрическо$го сопротивления по глубине и его изменениях, связанныхс процессом подготовки сильного землетрясения.

Датчиком электромагнитного поля служит площаднаяантенна, измеряющая шесть компонент геомагнитныхпульсаций.

Технические требования к магнитной измерительнойаппаратуре следующие: частотный диапазон — 0...1 Гц;динамический диапазон — 80 дБ; погрешность измере$ний — 10–10 Тл.

Магнитометры требуют специальных условий дляустановки, выбора точек, обладающих естественной по$вышенной информативностью регистрируемого магнитно$го поля. Датчиками абсолютных значений поля служатпротонные магнитометры.

Гидрогеологические измерения осуществляются в сква$жинах и состоят в измерении уровня воды, соответствую$щего пластовому давлению в одном из водоносных слоев —коллекторов, измерении атмосферного давления и темпе$ратуры.

Метод дипольных зондирований применяют для по$лучения информации о достаточно больших глубинах (до10...15 км), приемные электроды выносят на расстояниядо 20...30 км от источника, расстояние между питающи$ми электродами — до 1 км, между приемными — до не$скольких сотен метров. Широко используется вертикаль)ное электрическое зондирование.

В автоматизированных системах краткосрочного про$гноза землетрясений используют вариометры сопротивле)ния, обеспечивающие непрерывный мониторинг измененийэлектрического сопротивления горных пород земной коры.


Геохимические измерения связаны с контролем содер$жания радона (альфа$ и бета$активности) в атмосфере подпочвой и в подземных водах; гелия, углеводородов в водеи свободных газах; pH изливающихся подземных вод.

Измерения температуры ведутся в сухих и водозапол$ненных скважинах на различных глубинах, с учетом того,что температурное поле инертно.

Наиболее быстрое развитие аномалий происходит втечение минут или десятков минут и отмечается толькосамыми высокоточными измерениями — до 0,0001�С. Из$менения величиной до 0,1�С происходят, как правило, завремя не менее нескольких часов.

Разрушение горных пород, образование микродислока$ций, крип сопровождает электромагнитная эмиссия, ко$торая имеет вид коротких радиоимпульсов, генерируемыхв единицу времени, амплитуда которых превышает уста$новленный порог. Измерения проводятся как под землей(в скважинах, шахтах, тоннелях), так и на поверхности.

Поле акустической эмиссии по ряду измеряемых ха$рактеристик близко к полю электромагнитной эмиссии.

Изменение пористости, трещиноватости и водонасы$щенности горных пород сопровождается изменениямисилы тяжести, которые выявляют микрогравиметриче скими и вариационными методами. Абсолютные грави$метрические измерения с помощью высокочастотных бал$листических гравиметров позволяют зарегистрироватьмедленные вертикальные движения земной поверхностии служат дополнением к методам космической геодезии.

Наибольшие трудности представляет краткосрочныйпрогноз, так как краткосрочные предвестники землетря$сений имеют наиболее изменчивый характер и нестабиль$ны в пространственном проявлении. Реализация достиг$нутых возможностей сейсмической диагностики требуетсоздания специальных сетей для прогноза землетрясенийв наиболее сейсмоопасных районах, а также примененияспециальных спутниковых наблюдений и разработки но$вых алгоритмов прогноза и принятия решений, основан$ных на общих представлениях об эволюции природных иприродно$техногенных процессов.


5.3. ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯУЧАСТКА МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Современное состояние горнодобывающей про$мышленности характеризуется увеличением глубины ве$дения горных работ. Добыча руды на глубоких удароопас$ных горизонтах сопряжена с необходимостью повышениябезопасности труда рабочих, что требует больших затратна проведение профилактических противоударных меро$приятий, применения дорогостоящих систем защиты отгорных ударов. Все это в целом снижает объем добычируды и повышает ее себестоимость.

Решение проблемы может быть основано на разработ$ке методов контроля напряженно$деформированного со$стояния массива горных пород и прогнозирования дина$мических проявлений горного давления, внедрение кото$рых позволит рационально планировать горные работы,применять соответствующие состоянию массива системыразработки руды. При этом наиболее перспективным яв$ляется направление, связанное с непосредственным на$блюдением за физическими явлениями, которые проис$ходят внутри массива горных пород (МГП) и несут наи$большую содержательную ценность. К таким явлениям, вчастности, относятся процессы разрушения, проявляю$щиеся в образовании трещин с выделением энергии аку$стических колебаний, тепловых потоков и электромагнит$ных излучений.

Поля упругих колебаний в скальных массивах по срав$нению с электромагнитными, тепловыми, гравитацион$ными и другими полями имеют длину волн, соизмеримуюс исследуемыми неоднородностями среды распростране$ния. Упругие колебания в скальных породах имеют удов$летворительную дальность распределения и определяютприемлемую масштабность методов, использующих ихполя. Упругие колебания, испускаемые из массива приобразовании трещин, интерпретируются как сейсмоаку$стические импульсы.

Проблема контроля и оценки степени удароопасностинапряженного массива горных пород является наиболеесложной и актуальной в совокупности проблем, которые


создает горное давление при разработке глубоких подзем$ных месторождений. Количество и мощность горных уда$ров увеличивается с ростом глубины горных выработок.Проявление горных ударов на подземных предприятияхв большинстве случаев приводит к крупным авариям, дез$организует производственную деятельность, наносит зна$чительный материальный ущерб. Горные удары сопрово$ждаются сильным звуковым эффектом и сотрясением гор$ного массива, что приводит к разрушению крепи горныхвыработок и образованию завалов значительной протя$женности.

Впервые признаки горных ударов были зарегистриро$ваны на оловянных рудниках Англии в 1738 г. Во второйполовине XIX в. горные удары стали отмечаться при раз$работке угольных месторождений в странах Западной Ев$ропы. В нашей стране горные удары отмечены на уголь$ных шахтах в 1940–1950$х гг. В связи с увеличением глу$бины разработки проблема горных ударов обостряется навсе большем количестве рудников.

Интенсивное проявление горных ударов отмечается наСеверо$Уральском бокситном, Таштагольском железно$рудном, Джезказганском медном и некоторых других ме$сторождениях.

Согласно созданной теории горных ударов, горныйудар представляется как хрупкое разрушение предельнонапряженной части породы в зоне влияния выработок,образующихся в процессе подземной добычи полезныхископаемых, приводящей к перераспределению гравита$ционных и тектонических напряжений. Перенапряжен$ная область массива стремится к более устойчивому со$стоянию, процесс перехода к которому происходит в видеразрушения участков среды, сопровождающегося выде$лением энергии акустических колебаний, тепловых по$токов, электромагнитного излучения, а также разгруз$кой окрестностей выработки от напряжений. Наиболееинтенсивно указанный процесс и сопровождающие егоявления происходят в начальный период перенапряже$ний, вызываемых, в частности, созданием полостей в ходетехнологических процессов.


В условиях Северо$Уральского бокситного рудника(СУБРа) в районах ведения очистных работ более 60% уда$ров происходит во время взрывных работ либо в первыйчас после них. На руднике «Октябрьский» РАО «Нориль$ский никель» условия проявления горных ударов возни$кают на участках повышенного горного давления послевзрывных работ непосредственно в самой выработке илив соседней. Исследования на рудниках Южной Африкиустановили, что 95% горных ударов происходит во времяведения взрывных работ.

Первые попытки оценить степень удароопасности МГПпривели к несколько одностороннему пониманию пробле$мы, сводя ее к оценке только напряженного состояниямассива. Для этих целей используется множество мето$дов, всю совокупность которых можно разделить на меха$нические и физические. К первой группе относятся:� метод полной разгрузки (метод дискования керна), при

котором оценка напряженного состояния производит$ся по результатам дискования керна, выбуренного изскважин породы;

� метод компенсационной нагрузки, основанный на вос$становлении упругой деформации частично разгру$женного породного массива при повторном его нагру$жении давильными устройствами;

� методы, основанные на изменении усилий вдавлива$ния штампа в стенки или торец скважины;

� методы, основанные на изменении усилий подачи прибурении скважины и на изменении сечения скважин судалением от ее устья.Физические методы основаны на ультразвуковых, рент$

геновских, сейсмических, электрических, тепловых, опти$ческих и электромагнитных эффектах. Их применениерасширяется и является более перспективным, посколь$ку отражает происходящие в МГП процессы, определяю$щие его состояние, которые кроме напряжений зависяттакже и от структуры массива.

Наибольшее применение для целей прогноза динами$ческих проявлений горного давления на подземных пред$приятиях в настоящее время получил сейсмоакустический


метод. Сейсмоакустические события, происходящие приобразовании трещин с размерами порядка 0,8 м, интерпре$тируются как сигналы акустической эмиссии. От другихфизических данный метод выгодно отличает то обстоятель$ство, что упругие колебания, возникающие в массиве гор$ных пород при трещинообразовании, могут распространять$ся на значительные расстояния. Дальность регистрациисейсмических эффектов в частотном диапазоне 0...500 Гц —не менее 100 м. Более мощные события регистрируются наеще больших расстояниях. Сейсмографы с диапазоном ре$гистрируемых частот 0...100 Гц имеют эффективный ради$ус действия около 1000 м, что вполне достаточно для под$земных рудников, шахтные поля которых имеют предель$ные размеры 5...7 км.

Разработка и развитие методов прогнозирования гор$ных ударов с помощью сейсмоакустического метода про$исходит в настоящее время по двум направлениям. Уста$новление удароопасности всего месторождения или отдель$ных рудных тел в пределах шахтного поля производитсяна уровне регионального прогноза (первое направление),при котором наиболее опасные по проявлению горныхударов районы выделяются по поверхности изолиний сей$смической активности. Размеры областей, представляю$щих опасность по возможному проявлению горных уда$ров, могут составлять десятки и сотни метров. Для выде$ления участков с различной степенью удароопасности впределах установленных опасных районов применяетсялокальный прогноз степени удароопасности (второе на$правление).

На основании результатов длительных акустико$эмис$сионных исследований предложена методика оценки со$стояния угольных пластов Донбасса и прогноза опасностидинамических явлений, опирающаяся на анализ формывременно ´й зависимости числа импульсов АЭ на длитель$ных интервалах времени. Отмечено, что неудароопаснаяобстановка характеризуется постоянным во времени зна$чением сейсмоакустической активности, перед динами$ческими же макропроцессами рост эмиссии становитсяболее быстрым, происходящим по степенно$показатель$


ному закону. Изображая временну ´ю зависимость числаимпульсов в билогарифмических координатах, в качест$ве критерия удароопасности предложен ее угловой коэф$фициент, скорость роста этого коэффициента и дисперсияего значений. Данный способ может быть интерпретиро$ван как способ оценки АЭ$показателя относительной уда$роопасности ��АЕ (см. табл. 12), где в качестве эталона вы$ступает состояние МГП с активностью 1 имп/час.

Большой объем сейсмоакустических исследованийпроведен на СУБРе специалистами НПО «Сибцветме$тавтоматика» совместно с НПО «Унипромедь», анализ ре$зультатов которых показал, что наибольшее повышениеудароопасности вызывается проведением взрывных ра$бот в очистном блоке. При этом установлено, что в тече$ние 1...2 мин после взрыва происходит нарастание сейс$моакустической активности, а затем наблюдается ее спад,происходящий по экспоненциальному закону.

Определение координат источников сейсмоакустиче$ских импульсов показало, что бо ´льшая их часть (до 85%)возникает в полосе, находящейся на расстоянии 0...6 мот забоя. На основании этого были сделаны следующиевыводы:� неудароопасная обстановка характеризуется низким

уровнем сейсмоакустической активности;� для неудароопасной обстановки характерно быстрое

уменьшение сейсмоакустической активности послевзрывных работ до первоначального уровня — в тече$ние 0,5...1,5 ч;

� удароопасная обстановка характеризуется низким гра$диентом затухания сейсмоакустической активностипосле взрывов и сохранением ее достаточно высокой втечение 10...12 ч.Было предложено оценивать состояние участка мас$

сива по времени спада интенсивности акустической эмис$сии после взрывных работ до уровня, ниже которого гор$ные удары не происходят. Для условий СУБРа была реко$мендована критическая величина времени спада — 40 мин.Кроме того, для оценки напряженного состояния участкамассива был предложен показатель FАЕ (табл. 12).


Рассмотрим процесс разрушения участка горного мас$сива, происходящий после проведения в массиве техноло$гического взрыва с целью обрушения добываемой породы.Наблюдение за разрушением осуществлялось с помощьюметода АЭ. При изучении характера изменения сейсмо$акустической активности (СА) массива были охваченынаиболее характерные горно$геологические и горно$тех$нические ситуации рудников «Октябрьский» и «Таймыр$ский» Норильского горно$металлургического комбината[10,11]. Для более детального изучения СА массива былаустановлена минимальная длительность интервала време$ни счета — минутная. Сравнивался характер измененияСА массива на участках с различным уровнем напряже$ний, при взрыве различного количества взрывчатых ве$ществ, при ведении взрывных работ по проходке горныхвыработок, по ведению очистных выемок. В результатеисследований установлено, что при отсутствии непосред$ственного воздействия на массив регистрируемая сейсмо$акустическая активность не имеет систематической из$менчивости, среднее количество N�р� зарегистрированныхза одинаковые промежутки времени сигналов АЭ сущест$

Рис. 139Графики изменения СА массива, находящегося в равновесном

состоянии (1), и СА, вызванной взрывом (2)


венно не изменялось (1 на рис. 139). Общее количество N�сигналов, регистрируемых за время t , изменялось пропор$ционально времени:

N�(t) = N�р� � t.

Произведенный же в массиве технологический взрыввызывает импульсное возрастание сейсмоакустическойактивности. Вызванная взрывом СА массива в первыймомент времени (1–2 мин) достигала максимального зна$чения, а далее происходил ее спад.

В большинстве случаев регистрируемое за единицу вре$мени количество N�� сигналов АЭ изменялось по экспо$ненциальному закону (2 на рис. 139)

N��(t) = NO�exp(–�t),

где N�O� — сейсмоакустическая активность в начальныймомент времени ее спада, � — показатель скорости спадаСА. Величина коэффициента корреляции между действи$тельными и рассчитанными по этому уравнению значе$ниями N�� для различных случаев регистрации попадалив диапазон 0,8...0,98.

Временна ´я зависимость общего количества N� сигна$лов АЭ, зарегистрированных после взрыва, имела вид

N�(t) = N�O�[1 – exp(–�t)]/�.

Сравнивая эти выражения с результатами моделиро$вания § 3.3.2, можно записать

N�р� = kAECo/:p,

�� О О/ CoКТ/( ),AEN k

� � �� /(КТ),

N�O� = kAECo/:O,

где N�р� — сейсмоакустическая активность в конечныймомент времени ее спада; �� — средняя скорость спада на$пряжений в призабойной области МГП после взрыва.

Возникающие в первый момент времени после взры$ва в призабойной области участка массива средние на$пряжения �О можно представить как сумму среднего на$


пряжения �р массива, находящегося в равновесном со$стоянии, и перенапряжения �в, вызванного взрывом. То$гда получим

� = (�О – �р)�/(�р � КТ),

где �р — время спада напряжений и сейсмоакустическойактивности после взрыва до минимального уровня,

N�O� = {kAECoexp[(�р + �в)]�/(КТ)]}/{�Оexp[UО/(KT)]}.

Суммарное количество импульсов АЭ, выделившихсяиз массива на этапе спада напряжений за время �р,

N�(�р) 2 kAECo�рexp[��р/(КТ)]/{�Оexp[UО/(KT)]}.

Из последних выражений следует, что показатель �скорости спада сейсмоакустической активности, величи$на N�O� максимального ее всплеска и суммарная АЭ N�(�р),выделившаяся за время спада напряжений, связаны суровнем напряжений �р на контролируемом участке мас$сива.

Для проверки справедливости данного вывода па$раллельно с регистрацией СА некоторых участков мас$сива производилась оценка их напряженного состоя$ния методом полной разгрузки (разделения керна надиски), который в настоящее время используется какбазовый для прогноза степени удароопасности горногомассива. В качестве показателя напряженного состоя$ния принималось отношение максимального радиаль$ного напряжения к пределу прочности породы участкапри одноосном сжатии, определяемое по диаметру и тол$щине дисков, на которые делился выбуриваемый измассива керн.

На рис. 140 приведены данные, иллюстрирующие из$менения параметров СА N�O�, � и N�(�р) в зависимости отуровня напряжений в зоне проходки. Проходка выработ$ки осуществлялась последовательно на интервале 0...20 мв пределах подработанной защищенной зоны со значения$ми �/[�] = 0,6...0,8, на интервале 20...35 м в частично за$щищенной зоне со значениями �/[�] = 0,8...1,2, на интер$


вале 35...60 м в зоне повышенного опорного давления при�/[�] = 1,2...1,45.

Как видно из рисунков, характер зависимостей пара$метров СА от напряжений в массиве соответствует приве$денным выше выражениям связи.

Степень удароопасности массива горных пород (МГП)наиболее полно может характеризоваться временем, ме$стом и энергоемкостью прогнозируемого динамическогоявления. Применительно к задачам рассматриваемого ло$кального прогноза оценка состояния МГП сводится к опре$делению времени динамического явления, поскольку ме$сто и энергоемкость прогнозируемого горного удара опре$деляется местом и объемом находящегося в призабойнойобласти контролируемого участка. Для массива, находя$щегося в квазистатическом напряженном состоянии, ко$гда средние напряжения �р в нем постоянны, время �* доразрушения определяется из условия достижения концен$трацией С трещин критической величины С*

�* = 0,01�Оехр[UO – ��р/(KT)].

Рис. 140Взаимосвязь напряженного состояния массива с величиной N O�

максимального всплеска активности, показателем � скоростиее спада и суммарной эмиссией N�(р)


Значения величин �О, UO, К, Т, как правило, извест$ны или могут быть определены перед испытаниями. По$этому оценка степени удароопасности участка массивагорных пород может быть сведена к оценке только вели$чины АЭ$показателя ZАЕ = �р = ��р/(KT)

ZAE = lnN�p� – lnAd,

где величина Ad = kАЕCo/{�Оexp[UO/(KT)]} — априори не$известна в связи с неопределенностью kАЕCo и должнаопределятся экспериментально.

В качестве АЭ$показателя напряженного состоянияучастка массива горных пород принята величина (табл. 12,19–21)

FAE =lnN�p�/lnN�O� 2 �p/[�],

где N�p� — сейсмоакустическая активность в конечныймомент времени ее спада, а удароопасной следует считатьобстановку при FAE > 0,5 (рис. 141).

� � � � � � � � ��

�� !

��"�"�� #��"�"��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

$�� %�� "�� "��%��%�&��! ��

'��(��)*+,�-./012+'345675

89�� :�� : � ��

�


Рис. 141Результаты регистрации вызванной СА

при прохождении удароопасного участка МГП

� � � � � � � � ��

��

��

��

��

��

��

!��

��

��

�� "��#� ��

��


5.4. РАДИАЦИОННЫЙМОНИТОРИНГ

Радиационный контроль за объектами природ$ной среды (почвы, атмосферного воздуха и поверхностныхвод) ведется путем измерения мощности дозы гамма$из$лучения, отбора проб и измерением суммарной бета$ак$тивности атмосферных выпадений и воды в основных во$доемах, измерением концентрации радиоактивных аэро$золей в приземном слое атмосферы. Этот контроль долженносить регулярный характер и решать задачи раннегопредупреждения в случае ядерных аварий. Измерения,проводимые при данном типе контроля, относят к мони$торинговым типам измерений и проводят на постоянныхпостах и метеостанциях. Осуществляется также радиаци$онный контроль почв сельскохозяйственных угодий, про$дукции растениеводства, кормов и удобрений.

Радиационный контроль объектов ведется по соответ$ствующим методикам:� измерений величин определенными методами и сред$

ствами измерений;� пробоотбора;� подготовки счетных образцов.

Дозиметр — прибор или установка для измеренияионизирующих излучений — предназначен для полученияизмерительной информации об экспозиционной дозе и мощ$ности экспозиционной дозы фотонного излучения и/илиоб энергии, переносимой ионизирующим излучением илипереданной объекту, находящемуся в поле действия из$лучения.

Дозиметры являются наиболее распространеннымиприборами в радиационном контроле, поскольку даютбыструю и точную информацию об опасности конкретно$го объекта для здоровья человека.

Радиометр — прибор или установка для измеренияионизирующих излучений — предназначен для получе$ния измерительной информации об активности радионук$лида в источнике или образце, производных от нее вели$чин, о плотности потока и/или потоке и флюенсе (перено$се) ионизирующих частиц.


Переносные радиометры потока используются глав$ным образом для индикации наличия радиоактивного за$грязнения на различных предметах и поверхностях илиопределения соответствия поверхностей нормам загряз$нения.

Распространены альфа$радиометры, в которых исполь$зуется сцинтилляционный детектор на основе ZnS илиCaF; (Еи) и бета$радиометры, использующие пластиковыйсцинтиллятор.

Радиометры активности используются в задачах из$мерения удельной, объемной и суммарной активности.Радиометры активности делятся на гамма$, бета$ и альфа$радиометры.

Спектрометр — прибор или установка для измеренияионизирующих излучений — предназначен для получе$ния информации о распределении ионизирующего излу$чения по одному и более параметрам, характеризующимисточники и поля ионизирующих излучений.

Радиохимический метод анализа проб окружающейсреды состоит из стадий:� получения исходного раствора;� отделения изучаемого радионуклида от массы макро$

компонентов и мешающих излучателей;� окончательной очистки изучаемого радионуклида;� количественных измерений по радиоактивному излу$

чению.Одним из важнейших методов диагностики радио$

активного загрязнения является метод гамма$спектро$метрии.

5.5. ХИМИКО"АНАЛИТИЧЕСКАЯДИАГНОСТИКА

Химико аналитическая экодиагностика (ХАЭД)занимает ведущее место в экодиагностике. Она имеет наи$большую номенклатуру технологий, методик, методов иприборов. Хорошо известны сотни видов экозагрязните$лей атмосферы.

Эти компоненты определяют с помощью переносныхприборов и стационарных постов, передвижных лабора$


торий на автомобильном, железнодорожном и морскомтранспорте, а также с помощью самолетно$вертолетных иавиационно$космических систем.

В настоящее время во всем мире производится около80 тысяч видов химических продуктов. Если учесть, чтоиспользуется около 250 млн т органических химическихпродуктов, значительная часть которых после исполь$зования бесконтрольно попадает в окружающую среду,то становится очевидным, что данные продукты сами посебе могут изменить материальный состав окружающейсреды.

Под понятием материальный состав окружающейсреды понимается химический состав биосферы (литосфе$ры, гидросферы и атмосферы с находящимися на них жи$выми существами). Материальный состав окружающейсреды устанавливается аналитическими методами. Поня$тие качество материального состава окружающей сре)ды включает также оценку этой среды, т. е. принимаетсяво внимание непосредственное состояние экосистемы —воды, воздуха и почвы, а также продуктов питания и жи$лья человека. Значение состава окружающей среды длячеловека определяется различным объемом суточного по$требления — в среднем около 10 кг воздуха, 2 л воды и1 кг твердых продуктов питания. Для изучения и оценкиизменений материального состава окружающей среды ис$пользуют:� сопоставление изменений, связанных с чисто природ$

ными процессами (биогеохимия, химическая эколо$гия) и с деятельностью человека;

� выяснение временного масштаба изменений;� пространственное распространение изменений со$

держания веществ — локальное, региональное, гло$бальное.Основная задача состоит в исследовании взаимоотно$

шений между химическими продуктами, живыми и не$живыми составляющими экосферы.

Официально утверждено более 700 методик и техно$логий химического анализа атмосферного воздуха, атмо$сферных аэрозолей, осадков, промышленных выбросов,


питьевой, природной, сточной, очищенной сточной, мор$ской воды, почвы и донных отложений, а также биологи$ческих показателей.

Для этого используют десятки методов: газовую хро$матографию, электрохимию, фотометрию, флюорес$ценцию, инфракрасную, ультрафиолетовую и атомно$эмиссионную спектроскопию, а также другие, на основекоторых созданы сотни приборов и передвижных лабо$раторий.

В настоящее время в Госреестр РФ включено более250 видов газоанализаторов атмосферы, измерителей фи$зико$химических параметров почвы и гидросферы, кото$рые должны работать, отвечая всем требованиям более200 стандартов ИСО, а также более 60 типов приборов хи$мического анализа универсального назначения.

В целом направление ХАЭД имеет сегодня более 1000типов приборов и измерительных каналов, более 2000 ме$тодик и технологий диагностирования.

ХАЭД используют для решения двух типов задач: кон$троля микрокомпонентов, имеющих национальное и гло$бальное значение, и контроля микрокомпонентов регио$нального значения. Для определенных микрокомпонентовисходят из распространенности веществ, их токсичностии значимости в местных выбросах.

Методикам контроля биологических показателей какхарактеристикам загрязнения окружающей среды прида$ется особое значение.

Некоторые виды высших и низших растений, а такжемикроорганизмов могут быть применены в качестве тест$организмов в области оперативного контроля за состояни$ем загрязнения природной среды. Растения и микроорга$низмы в качестве тест$организмов по сравнению с авто$матическими приборами$анализаторами недороги, легковоспроизводимы и избирательны.

ХАЭД использует более 50 различных методов, основ$ные из которых:� инфракрасная спектроскопия исследует колебатель$

ные и вращательные переходы в молекулах, исполь$зуя спектры испускания, поглощения и отражения;


� оптическая флюоресцентная спектроскопия исследу$ет электронные спектры испускания молекул, возни$кающие под действием квантов в оптической областиэлектромагнитного спектра;

� фотометрия — измерение экстинкций при установ$ленных длинах волн для определения концентрацийрастворов;

� нефелометрия — измерение рассеяния света мутны$ми растворами и суспензиями;

� турбидиметрия — измерение ослабления интенсив$ности светового потока вследствие поглощения и рас$сеяния твердыми частицами, содержащимися в рас$творе;

� масс$спектрометрический метод основан на свойст$ве ионов газов, ускоренных электрическим полем, от$клоняться и двигаться в однородном магнитном полепо различным траекториям, зависящим от массовогочисла ионов;

� атомно$эмиссионная спектроскопия — измерениепараметра линейчатого спектра возбужденных атомовдля определения природы и количеств определенныхэлементов;

� атомно$абсорбционная спектроскопия — измерениепараметра резонансного поглощения излучения опре$деленной длины волн;

� атомно$флюоресцентная спектроскопия — измере$ние оптической дезактивации атомов, возбужденныхизлучением накачки;

� оптико$акустический эффект возникает в результа$те преобразования части энергии возбужденных поддействием излучения молекул в тепловую энергию сре$ды за счет безызлучательной дезактивации;

� хемилюминесценция представляет собой свечение, воз$никающее при возбуждении продуктов химическойреакции в результате переноса энергии от других про$дуктов реакции или компонентов, участвующих в ре$акции;

� фотоколометрические методы определяют ион с по$мощью реагента, который переводится в окрашенное


состояние, измеряемое через светопоглощение, илииспользуют вспомогательные окрашенные соединения,которые при взаимодействии с определенным иономлибо разрушаются, либо образуют новые светопогло$щающие соединения;

� спектрофотометрия осуществляет фотометрирова$ние через сравнение измеряемого потока излучения сэталонным потоком;

� ультрафиолетовая спектроскопия использует моле$кулярные спектры поглощения в УФ$области;

� гравиметрический метод количественного анализаустанавливает массу определяемого компонента илипродукта его химического превращения, а также из$менение массы вещества в результате химической ре$акции или физического процесса с участием опреде$ляемого компонента;

� кондуктометрический метод — совокупность элек$трохимических методов исследования и анализа веще$ства, основанных на измерении электрической прово$димости электролитов;

� ионообменная и жидкостная хроматография основа$на на разделительной способности ионов в растворе кионному обмену с ионитом (неподвижная фаза). При$меняется для разделения фенолов и карбоновых ки$слот, аминосахаров, нуклеонидов и др.;

� люминесцентный метод основан на явлении люми$несценции; зависимости интенсивности люминесцен$ции от количества люминесцирующего вещества;

� рентгено$флюоресцентный метод — кратковремен$ное свечение вещества, возникающее после поглоще$ния им энергии возбуждения;

� вольтампермия — электрохимический метод количе$ственного и качественного анализа и исследования ве$ществ, основанный на определении зависимости меж$ду силой тока в цепи электролитической ячейки и на$пряжением поляризации Е при электролизе раствораили расплава излучаемого вещества;

� электрохимический метод — анализ физико$химиче$ских свойств ионных систем, а также явлений, возни$


кающих на границе двух фаз с участием заряженныхчастиц (ионов и электронов);

� газовая хроматография основана на различии скоро$стей движения концентраций зон исследуемых ком$понентов, которые перемещаются в потоке подвижнойфазы (элюента) вдоль слоя неподвижной;

� атомно$абсорбционная спектроскопия — метод эле$ментного анализа и исследования по атомным спек$трам поглощения;

� жидкостная хроматография — хроматография, в ко$торой подвижной фазой служит жидкость. В зависи$мости от агрегатного состояния неподвижной фазыразличают распределительную (жидко$жидкофазную)и абсорбционную (жидко$твердофазную);

� тонкослойная хромотография основана на различиискоростей перемещения компонентов анализируемойсмеси в плоском тонком слое сорбента при движениипо нему растворителя (элюента).Универсальные системы ХАЭД для определения хими$

ко$аналитических признаков вещества представляют какколичественно выраженную для данного компонента сово$купность признаков, общих для остальных компонентов.

Такое определение дало ключ к оптимизации решениякрупных массивов рутинных химических анализов за счетрадикального сокращения требуемой номенклатуры при$борно$методического обеспечения.

В каждом конкретном случае из компонентов хими$ко$аналитических признаков формируются химико$ана$литические коды определяемых веществ, позволяющиеселективно и с требуемой точностью произвести химиче$ский анализ.

Такими компонентами являются: индексы хромато$графического удерживания, интенсивности пиков спек$тров, положение этих пиков, градуировочные коэффици$енты детекторов и другие, включая двойные и тройныесоотношения этих компонентов. Эти коды поддаются ма$тематической формализации, что позволяет создать ком$пьютерные программы надежной идентификации опреде$ляемых веществ.


5.6. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫЭКОДИАГНОСТИКИ

Закономерности, которые используются в опти$ческих методах для измерения атмосферных характери$стик, следующие:� молекулярное поглощение оптического излучения ат$

мосферными газами. При поглощении солнечного из$лучения безызлучательные переходы из возбужден$ного состояния молекул в нормальное увеличиваюттепловую энергию последних. При поглощении высо$коинтенсивного лазерного излучения возможны излу$чательные переходы;

� молекулярное рассеяние оптического излучения явля$ется результатом его взаимодействия с оптическиминеоднородностями в молекулярной среде. Аэрозольноерассеяние является основным физическим процессомв земной атмосфере по изменению пространственногораспределения и поляризации оптического излученияпри его взаимодействии с атмосферным аэрозолем, из$менения состояния поляризации рассеянного излуче$ния по сравнению с падающим.Оптические методы экологического контроля и мони

торинга отличаются широким разнообразием по физиче$ским эффектам, по способам детектирования оптическихсигналов, по схемам и месту размещения тех или иныхтехнических реализаций методов. Ценным достоинствомявляется их помехоустойчивая совместимость между со$бой и с другими (неоптическими) методами, что открыва$ет широкие возможности для создания уникальных изме$рительных комплексов и многофункциональных эколо$гических станций.

Оптические методы оказываются более эффективны$ми по чувствительности и относятся к числу неразрушаю$щих методов контроля атмосферных компонент.

Выделяют четыре класса оптических методов: спек$трофотометрические, радиометрические, нефелометриче$ские и лидарные.

Спектрофотометрические методы основаны на фо$тометрии удаленных естественных или искусственных


источников оптического излучения. Измеряемой физиче$ской величиной является прозрачность атмосферы, кото$рая определяется как отношение ослабленного оптическо$го сигнала к неослабленному.

Методы солнечной и звездной спектрофотометрииоснованы на фотометрии ослабленного атмосферой излу$чения от Солнца и звезд.

Методы лазерной спектрофотометрии основаны нафотометрии ослабленного атмосферой лазерного излу$чения.

Методы Фурье$спектроскопии выделены в отдельнуюгруппу по специфическим способам монохроматизации иобработки регистрируемых сигналов от широкополосныхисточников оптического излучения с помощью Фурье$спектрометров.

Методы спектральной прозрачности атмосферыприменяют с оптическими схемами трассовых измеренийв широком спектральном интервале. При контроле и мо$ниторинге атмосферных аэрозолей природного и антро$погенного происхождения результаты таких измеренийобеспечивают качественно новые возможности анализамикрофизических и химических характеристик наблю$даемого аэрозоля путем решения обратных задач (обра$щением измеренных коэффициентов аэрозольного ослаб$ления). При контроле и мониторинге атмосферных газовудается на основании результатов измерений по методи$ке дифференциального поглощения оценить содержаниенекоторых газов в атмосфере, не прибегая к спектрофо$тометрическим методам высокого разрешения.

Радиометрические методы основаны на фотометриипотоков оптического излучения от природных источников,включая тепловое и рассеянное атмосферой излучение.В радиометрических методах выделяют методы ультрафио$летовой радиометрии (УФ$радиометрии), инфракраснойрадиометрии (ИК$радиометрии), актинометрические мето$ды и методы поляризационной радиометрии.

Прямая солнечная УФ$радиация и рассеянное фоно$вое УФ$излучение неба обладают высокой биологическойи фотохимической активностью.


Методы ИК$радиометрии связаны с измерениямипреимущественно потоков теплового излучения атмосфе$ры и подстилающей поверхности.

Актинометрические методы сосредоточены на реше$нии задач, связанных с абсолютными значениями пото$ков оптического излучения и энергетического балансаэтих потоков.

Методы поляризационной радиометрии измеряютполяризационные характеристики регистрируемого опти$ческого излучения. Такие измерения проводятся преиму$щественно для потоков солнечного излучения, отражен$ного подстилающей поверхностью различного типа.

Нефелометрические методы основаны на измерениях,связанных с особенностями угловой зависимости рассея$ния падающего излучения отдельными частицами (аэро$золями и молекулами) или их ансамблями в атмосфере.

Лидарные методы исследования атмосферы относятсяк активным дистанционным методам. Они основаны на яв$лениях рассеяния и поглощения лазерного излучения ат$мосферными компонентами и реализуются путем посылкилазерного импульса в атмосферу и приеме обратнорассеян$ного излучения после его взаимодействия с атмосферой.

Методы резонансного рассеяния используют длиныволн, совпадающие с частотой определенного перехода ватоме. При этом падающее на атомы лазерное излучениерассеивается с большим сечением и наблюдается на исход$ной частоте. Наиболее эффективно этот метод работает приисследовании натриевых слоев в верхней атмосфере.

Методы лазерной флюоресценции используют явлениепоглощения лазерного излучения на частоте определенно$го перехода в атоме или молекуле с последующим переиз$лучением на более низкой частоте. Метод широко исполь$зуется для исследования загрязнений водной поверхности.

Дифференциальное поглощение и рассеяние в настоя$щее время являются одними из наиболее отработанныхметодов дистанционного газоанализа. Использование двухдлин волн в зондирующем излучении, одна из которыхблизка к частоте молекулярного перехода исследуемогогаза, а вторая находится вне полосы поглощения, позво$


ляет достигнуть высокой чувствительности при значитель$ном пространственном разрешении.

Лидар для контроля аэрозольных загрязнений атмо$сферы должен оперативно обнаруживать очаги загрязне$ний и определять их координаты, выявлять зоны повы$шенного содержания аэрозольных выбросов и проводитьоценку массовой концентрации.

Использование моностатической схемы лидара, когдапередающее и приемное устройства объединены в одинблок и установлены на общем поворотном устройстве, це$лесообразно с точки зрения обеспечения оперативного об$зора пространства.

К достоинствам лидарных методов газового анализа сле$дует отнести дистанционность, оперативность, высокое про$странственное и временное разрешение при достаточно вы$сокой чувствительности, возможность создания карт аэро$зольных полей в радиусе нескольких километров от лидара.

Фотографические средства являются родоначальни$ками систем дистанционного зондирования и характери$зуются очень высоким пространственным разрешением.Фотографическая система — кадровая система: все данныеоб изображении получаются одновременно. Пленка, ис$пользуемая как детектор, по сравнению с многоспектраль$ной сканерной системой имеет относительно ограниченныйспектральный диапазон. Высокоразвитая технология, атакже относительно низкая стоимость фотографическихсистем способствуют широкому использованию их в дис$танционном зондировании.

Многозональное фотографирование с самолетов испутников Земли значительно повышает достоверностьраспознавания состава экосистем — это синхронное фо$тографирование одного и того же участка многообъек$тивной фотокамерой с разными комбинациями фотопле$нок и светофильтров.

Применение многозональных фотографий с оптималь$ным сочетанием зон чувствительности повышает вероят$ность правильного распознавания состава экосистем.

Телевизионные системы дают видимое изображениезондируемой поверхности. Их разновидностью являются


тепловизионные системы, дающие видимый аналог теп$лового изображения.

В основе работы телевизионных и тепловизионныхсистем лежит сканирование, благодаря которому осуще$ствляется переход от пространственно$энергетическойформы сигнала к временно ´й.

Оптико$электронными спектрометрами называютприборы, предназначенные для измерения спектрально$го распределения яркости протяженных излучателей.Если измеряется распределение энергетической яркости,такие спектрометры называют спектрорадиометрами. Приизмерении распределения фотометрической яркости спек$трометры называют спектрофотометрами. В спектромет$рах реализуется сканирование по спектру в определенномспектральном интервале.

5.7. ТЕПЛОВАЯ, СВЧ" И УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯЭКОДИАГНОСТИКА

Тепловую экодиагностику больших городовстроят на основе трех вариантов тепловой ИК$съемки (воз$душной, наземной и водной). Аэровариант обладает наи$большей универсальностью.

Дистанционное СВЧ$радиоволновое зондирование зем$ного покрова, атмосферы и акваторий Мирового океанаосновано на регистрации собственного или отраженного ирассеянного электромагнитного излучения.

Дистанционный мониторинг нацелен на оценку био$логической продуктивности, понимание взаимодействийв системе «почва — растение — атмосфера», на расчет ди$намики биомов, на моделирование биогеохимическихциклов с учетом роли растительности.

Перспективными направлениями в радиоволновоммониторинге леса являются контроль гидрологическогорежима почвы под пологом леса и изучение динамикилесовосстановительного процесса в районах вырубок илесных пожаров. Эти задачи решаются применением де$циметрового диапазона, в котором полог леса прозрачендля СВЧ$волн, а следовательно, возможно зондированиепочвы до уровня грунтовых вод. Проникновение излуче$


ния с длиной волны 25 см в глубь тропического леса до$стигает 12 м.

СВЧ$диапазон является информативной составляю$щей в многоканальных системах радиофизического мо$ниторинга температурных аномалий, таких как лесныепожары, а также зоны возгорания торфяных болот и шта$белей торфа, областей геотермальной активности и др.

Формирование радиотеплового поля излучения океанав СВЧ$диапазоне зависит от температуры и солености воды,поверхности, концентрации хлорофилла и других компо$нентов океанской среды. Исследования показывают, чторадиоволновые методы исследования атмосферы проигры$вают оптическим на коротких трассах и становятся неза$менимыми при контроле обширных территорий.

В измерениях УФ$радиации применяются фотохими$ческие, термоэлектрические, фотографические, спектро$болометрические, флюоресцентные, фотоэлектрическиеметоды.

Оптические методы измерения озона основаны на спо$собности молекулы озона поглощать излучение УФ$облас$ти спектра.

Тепловая экологическая диагностика (ТЭД) основанана регистрации аномалий температурного поля объектовэкосистем, обусловленных отклонениями от стандартныхусловий их существования в естественных условиях.

Термометры разделяют на жидкостные, манометри$ческие, термопары, сопротивления, термоиндикаторы.

Действие жидкостных термометров основано на тер$мическом расширении жидкости, заключенной в капил$ляре термометра.

Действие пирометров излучения основано на фото$электрической, визуальной и фотографической регистра$ции интенсивности теплового излучения нагретых тел,пропорционального температуре. Пирометры обычно име$ют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор,светофильтры и блок электронной обработки сигнала. Приконтроле температуры объектов в труднодоступных полос$тях применяют пирометры в сочетании с волоконно$опти$ческими световодами. Калибровка пирометров проводит$


ся по эталонным источникам (АЧТ, пирометрические лам$пы и т. д.).

Тепловизор позволяет выделять на тепловом изобра$жении объекта области одинаковых температур с помо$щью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижнейчасти кадра формируется серая шкала, которая использу$ется для измерения температуры.

При мониторинге окружающей среды в обязательномпорядке предусматривается тестирование с использовани$ем чувствительных к ксенобиотикам живых организмов(простейшие, рыбы и др.).

5.8. БИОДИАГНОСТИКА

Наряду с биотестированием существуют специ$альные методы биодиагностики состояния среды обитания,которые включают в себя морфогенетические (генный ана$лиз, морфологические и анатомические изменения и др.),биофизические и биохимические методы (биолюминесцен$ция, фотосинтетическая активность и др.), биоэнергетиче$ские и иммунологические методы, токсикологические иэмбриологические методы, популяционные и экосистем$ные методы.

Поскольку биодиагностические методы обеспечиваютдостоверную оценку качества среды и, главное, ее пригод$ности для жизни, биодиагностика должна считаться обя$зательным компонентом комплексной оценки состояниясреды обитания.

Технический приборный парк, используемый в био$диагностике, весьма обширен и во многом аналогичен ис$пользуемому при аналитических методах контроля состоя$ния среды.

5.9. ПЕРЕДВИЖНЫЕ ЭКОЛАБОРАТОРИИИ СТАНЦИИ

Неуклонное возрастание объема выбрасывае$мых загрязняющих веществ, связанное с ростом про$мышленного производства и химизации промышленно$сти, а также многообразие форм процесса загрязнения


сделали проблему защиты окружающей среды актуаль$ной, привели к необходимости создания самых разнооб$разных средств контроля загрязнения воздуха, почвы иводы. Одним из наиболее перспективных направленийконтроля загрязнения окружающей среды является кон$троль с помощью передвижных лабораторий. К ним от$носятся комплексы приборов и оборудования, имеющиевозможность перемещения по контролируемой террито$рии либо самостоятельно, либо с помощью буксировочно$го устройства: автомобиля, самолета, вертолета, планера,корабля и т. д. При этом конструкция передвижных средствпредусматривает защиту оборудования, входящего в составлабораторий и станций, от атмосферных и транспортныхвоздействий, а также создание условий для автономнойработы приборов в течение периода продолжительностьюот суток до нескольких недель.

НПО «Химавтоматика» (Москва) изготавливает пере$движную лабораторию целевого назначения, предназначен$ную для оперативного контроля за содержанием вредныхпримесей в выбросах, атмосферном воздухе и сточных во$дах на территории предприятия и санитарно$промышлен$ных зон.

В состав лаборатории входят:� средства автоматического контроля вредных веществ

в промышленных выбросах и атмосферном воздухе:газоанализаторы;

� средства автоматического контроля вредных веществв сточных водах: кондуктомер, УФ$фотометр, ИК$фо$тометр, спектроколориметр;

� хроматографический модуль, включающий: перенос$ной ионный хроматограф, газовый хроматограф, жид$костной хроматограф;

� метеорологический комплекс содержит средства отбо$ра и подготовки проб: стационарное воздухоотборноеустройство, выносное воздухоотборное устройство, про$боотборный зонд для газовых проб, пробоотборныйзонд$разбавитель для газа, пробоотборный зонд дляводы, переносное программируемое устройство дляотбора проб воды;


� вспомогательная аппаратура: блоки, пневматика по$будителей расхода нулевого газа, генератор калибро$вочных смесей, линия транспортировки газа, линиятранспортировки воды, баллоны с поверочными газо$выми смесями;

� устройства сбора и обработки информации;� система энергоснабжения: распределительный щит, ак$

кумуляторная батарея, система защиты от пораженияэлектрическим током, система защитного заземления;

� система кондиционирования и обогрева.Лаборатория выполнена на шасси трехосного автомо$

биля.Контроль газов и вредных примесей в выбросах авто$

транспорта и отходов производства наиболее целесооб$разно осуществлять фотоакустическим газоанализатором(фирма «Брюль и Кьер», Дания), поскольку эта модельпо своим функциональным и метрологическим характе$ристикам превосходит другие известные газоанализато$ры как зарубежного, так и отечественного производства.

Для измерения тяжелых и легких элементов наиболеепредпочтителен переносной ионный хроматограф ХПИ$1,выпускаемый НПО «Химавтоматика».

Контроль уровня радиационного излучения рекомен$дуется выполнять малогабаритной аппаратурой типа КР,изготовляемой заводом «Электрон» (г. Желтые Воды).

Аппаратура КР состоит из трех блоков, предназначен$ных соответственно для измерения радиационных излу$чений в жестких производственных условиях. Каждый изблоков весит не более 1,5 кг.

Шум, вибрация, электростатические поля относятсятакже к приоритетным параметрам контроля. Для кон$троля этих параметров в экологическую лабораториювключены приборы: шумомер, виброизмерительный ком$плекс, измеритель напряженности электростатическогополя и нейтрализатор зарядов статического электриче$ства. Лаборатория содержит бензоагрегат, дистиллятор,систему отопления, кондиционер, устройства пробоотбо$ра, компьютер и радиосвязь. Обслуживают лабораториютри человека.

ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Технический объект может находиться водном из четырех состояний с равной вероятностью. Опре$делить количество информации, которое требуется дляустановления достоверного диагноза.

Р е ш е н и е.В случае равной вероятности диагнозов (состояний)

величина энтропии оценивания, равная величине инфор$мации, необходимой для установления диагноза, опреде$ляется по формуле Хартли

H = log2mk = log24 = 2 бита.

Ответ. Количество информации равно 2 бита.

Пример 2. Определить количество информации в би$тах, дитах и нитах, получаемой при измерении тока ам$перметром со шкалой от 0 до 10 А с ценой деления 0,1 А иабсолютной погрешностью измерения 50,25 А.

Р е ш е н и е.Несмотря на то, что число делений на шкале равно 100,

вследствие того, что относительная погрешность е равна0,025, оказывается, что число mk ступеней квантования(различимых значений) равно 21, т. е. различимы значе$ния 0, 0,5, 1,0, ..., 9,5, 10, количество информации поформуле Хартли

Н = log221 = 4,392 2 4 бита;Н = log1021 = 1,32 2 1 дит;Н = ln21 = 3,044 2 3 нита.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 357

Ответ. Количество полученной в измерении инфор$мации равно 4 бита, 1 дит или 3 нита.

Пример 3. Технический объект может находиться всостояниях D1 (работоспособное состояние) и D2 (нерабо$тоспособное состояние) с вероятностями P(D1) = 0,8 иP(D2) = 0,2 соответственно. Определить количество ин$формации, которое потребуется для диагностированиясостояния технического объекта.

Р е ш е н и е.При неравновероятных событиях количество инфор$

мации оценивается с помощью меры Шеннона:

2 2 21

( )log ( ) 0,8log 0,8 0,2log 0,2

0,722 бита.

n

i ii

H P D P D�

� � � � � �

�

�

Ответ. Количество информации равно 0,722 бита.

Пример 4. Технический объект до диагностирования могнаходиться в состояниях D1 (работоспособное состояние) и D2

(неработоспособное состояние) с вероятностями P(D1) = 0,8и P(D2) = 0,2 соответственно. После диагностического обсле$дования с использованием диагностического признака Kапостериорные вероятности диагнозов стали соответствен$но 0,4 и 0,6 (см. пример 3). Оценить количество информации,внесенное в систему диагнозов диагностическим обследова$нием при наблюдении диагностического признака.

Р е ш е н и е.При неравновероятных событиях количество априор$

ной информации оценивается с помощью меры Шеннона:

1 2 2 21

( )log ( ) 0,8log 0,8 0,2log 0,2

0,722 бита.

n

i ii

H P D P D�

� � � � � �

�

�

Для апостериорных вероятностей

2 2 2 21

( | )log ( | ) 0,4log 0,4 0,6log 0,6

0,971 бита.

n

i ii

H P D K P D K�

� � � � � �

�

�


Таким образом, диагностическое обследование увели$чило степень неопределенности диагностических состоя$ний (энтропию) на

�Н = Н2 – Н1 = 0,971 – 0,722 = 0,249 бита.

Состояние технического объекта стало более неопре$деленным, так как результаты диагностического обследо$вания не подтвердили, а опровергли первоначальные (ап$риорные) диагнозы.

Ответ. Количество информации, внесенное в систе$му диагнозов диагностическим обследованием, равно0,249 бита.

Пример 5. Определить количество информации о те$кущем времени, которое получит студент, сидящий на за$нятии продолжительностью 2 ч (120 мин) и определяющийвремя по часам различной конфигурации:

1) только с часовой стрелкой (log22 = 1 бит);2) с часовой и минутной стрелками (log22 + log260 =

= 1 + 5,9 = 6,9 2 7 бит);3) c часовой, минутной и секундной стрелками (log22 +

+ log260 + log260 = 1 + 5,9 + 5,9 2 13 бит).

Пример 6. Определить количество информации о те$кущем времени, которое получит студент, сидящий налекции продолжительностью 90 мин, проводимой с хро$нологически строго подаваемым материалом из четыреходинаково продолжительных частей и определяющий вре$мя по часам с часовой и минутной стрелками.

Р е ш е н и е.Н1 = log22 = 1 бит информации дают сведения о том, пер$

вая или вторая половина занятия, устраняющая часовуюнеопределенность (2 — количество уровней квантования).

Н2 = log24 = 2 бита информации дают сведения о номе$ре читаемого раздела лекции, снижающего минутную не$определенность до 22,5 мин.

Н3 = log222,5 = 4,492 бита информации дают сведенияо времени, определяемом по часам с минутной стрелкой вдиапазоне 22,5 мин.


Ответ. 4,492 бита информации дают сведения о вре$мени, определяемом по часам при хронологически строгоподаваемом материале.

Пример 7. Определить количество информации о те$кущем времени, которое получит студент, сидящий налекции продолжительностью 90 мин, проводимой с хроно$логически не строго подаваемым материалом из четыреходинаково продолжительных частей (вероятность попада$ния каждой части в 22,5 мин — 91%), определяющий вре$мя по часам с часовой и минутной стрелками (P(D1) = 0,91,P(D2) = P(D3) = P(D4) = 0,03).

Р е ш е н и е.Неопределенность, связанная с нестрогостью подавае$

мого материала (оставшаяся после информации о номерераздела)

1 21

2 2

( | )log ( | )

0,91log 0,91 3(0,03log 0,03) 0,579 бита.

n

i ii

H P D K P D K�

� � �

� � � �

�

Н2 = log222,5 = 4,492 бита информации — дают сведе$ния о времени, определяемом по часам с часовой и минут$ной стрелками в диапазоне 22,5 мин.

�Н = Н2 + Н1 = 4,492 + 0,579 = 5,057 бита.

Ответ. 5,057 бита информации дают сведения о вре$мени, определяемом по часам с часовой и минутной стрел$ками при хронологически не строго подаваемом мате$риале.

Пример 8. 1. Определить прогиб биметаллической пла$стины прибора, выполненной с применением инвара, приее нагревании на 40�С.

2. Определить порог срабатывания (порог чувствитель$ности) биметаллического термометра, пружина которогонажимает на упор с силой 1 Н.

3. Определить информативность измерения и классточности прибора, измеряющего температуру в диапазо$не –50...+50�С с погрешностью 1�С.


Р е ш е н и е.Измерительная информация представляется в виде

исходящих от объекта контроля сигналов, являющихсяее носителями. Сигнал есть физическая величина, изме$няющаяся во времени, имеющая хотя бы один параметр,который содержит информацию, и эта информация мо$жет быть определена. Указанные параметры носят на$звание информативных и должны допускать измерениемножества их значений. Информативность параметраопределяет степень достоверности сведений об объектеконтроля и оценивается количеством получаемой инфор$мации. По ГОСТ 23563$79 информативность выбранногодиагностического параметра Y оценивают по виду функ$ции Y = f(F), где F — параметр состояния объекта диагно$стирования (структурный параметр). Характеристикойинформативности является производная dY/dF. Оценива$ют также степень нелинейности f(F). Предпочтительнойявляется линейная зависимость, наличие экстремумов уфункции f(F) нежелательно. Для оценки информативно$сти диагностического параметра Y удобно также исполь$зовать отношение I производной dY/dF к абсолютной по$грешности �Y его определения I = dY/(dF�Y). Эта величи$на обратно пропорциональна абсолютной погрешностиизмерения �F = 1/I.

Зная диапазон �F изменения параметра состояния F,определяем число m квантований диагностической шка$лы, по которой определяется значение Y,

m = 2I�F + 1m = 2�F/�F + 1,

которое по формулам Хартли или Шеннона позволит опре$делить количество получаемой при измерении информа$ции и оценить информативность выбранного диагности$ческого параметра Y.

Пример 9. Расчет платинового термопреобразователясопротивления.

Р е ш е н и е.Измерение температуры термопреобразователями со$

противления при проведении теплового контроля основа$


но на свойстве металлов и полупроводников изменять своеэлектрическое сопротивление пропорционально измене$нию их температуры.

Наиболее точными термопреобразователями сопротив$ления являются платиновые. Недостатком платины яв$ляется нелинейность температурной зависимости, кото$рую необходимо рассчитывать.

Рассчитать и построить температурную зависимостьплатинового термометра сопротивления.

Температурная зависимость рассчитывается по сле$дующей зависимости:

Rti = R20 + �(t – 20) + �(t – 20)2, (1)

где Rti — сопротивление при температуре t�С; R20 — со$противление при температуре 20�С; t — температура ре$зистора.

Построить график температурной зависимости плати$нового термометра по таблице двух совместных измере$ний температуры и сопротивления (№ соответствует по$следней цифре шифра).

Решение производить в следующей последовательности:1. Вычислить коэффициенты � и � путем решения сис$

темы линейных алгебраических уравнений (2)

�(t1 – 20) + �(t1 – 20)2 = Rt1 – Rt20;�(t2 – 20) + �(t2 – 20)2 = Rt2 – Rt20. (2)

2. Построить температурную зависимость в интервалетемператур от 20�С до t2.

3. В случае равенства нулю детерминанта решаемойсистемы уравнений увеличьте Rt2 на 15 Ом и повторитерасчет.

��

��


Пример 10. Расчет чувствительности капиллярногоконтроля.

Рассчитать и сравнить максимальную глубину запол$нения пенетрантом щелевидного капилляра с параллель$ными и непараллельными стенками. Глубина капилляра l0,ширина устья b, пенетрант на основе керосина с поверхно$стным натяжением �, cos: = 0,9. Атмосферное давлениепринять pa = 1,013�105 Па. Диффузионное заполнение неучитывалось.

Исходные данные к задаче:

Указания к выполнению задачи.Глубину заполнения капилляра с параллельными стен$

ками рассчитаем по формуле pk = 2�cos:/b.Рассматриваемый нами капилляр тупиковый, запол$

нение его отличается тем, что воздух, сжатый вблизи ту$пикового конца, ограничивает глубину проникновенияпенетранта. Рассчитаем предельную глубину заполнениякапилляра l1 исходя из равенства давлений на пенетрантснаружи и изнутри капилляра. Наружное давление скла$дывается из атмосферного pa. Для капилляра постоянно$го сечения

l1 = l0(pk/(pk + pa)).

Решение выполнено таким образом, чтобы продемон$стрировать, что капиллярное давление составляет около5% атмосферного, а глубина заполнения — около 5% отполной глубины капилляра.

Выведем формулу для заполнения щели с непараллель$ными поверхностями, имеющей в сечении вид треуголь$ника. Из закона Бойля — Мариотта найдем давление воз$духа, сжатого у конца капилляра pa:

pa(l0b/2) = pb(l0 – l1)b1/2,

��

��

��


где b1 — расстояние между стенками на глубине l1; b1 == b(l0 – l1)/l0. Отсюда находим

pb = pa(l/(l0 – l1))2.

Капиллярное давление равно

pk = 2�cos:/b1 = 2�l0cos:/b(l0 – l1).

Из равенства давлений снаружи и изнутри капилляраpa + pk = pb найдем

pkl0/(l0 – l1) + pa – pa(l0 – l1))2 = 0,

где pk — капиллярное давление для капилляра постоян$ного сечения. Обозначим

x = l0/(l0 – l1).

Тогда

� � � � � �2 2/ 1 0; /2 ( /1 ) 1.k a k a k ax xp p x p p p p

Знак плюс перед корнем выбран с учетом положитель$ности решения. С учетом малости pk/pa по сравнению сединицей найдем

x = 1 + pk/2pa; l1 = l0 – l0/(1 + pk/pa) = l0pk/2pa.

По приведенной выше формуле найдем l1.Сравним заполняемость пенетрантом щелей с парал$

лельными и непараллельными стенками.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯИ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

П.1.1. Практическое занятие № 1«ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ»

Задача 1. Определить вероятность безотказной работы заназначенный ресурс (1000 ч), плотность вероятности и интен$сивность отказов редукторов в различные моменты времени,если известно, что из 1000 редукторов после наработки 50, 100,150, 200, 250, 300 ч общее число снятых с эксплуатации соот$ветственно было 20, 25, 35, 45, 50, 55.

Задача 2. Определить вероятность безотказной работы одно$ступенчатого цилиндрического редуктора при известных значе$ниях вероятностей безотказной работы всех последовательносоединенных элементов: быстроходного вала Р1 = 0,999, ша$риковых подшипников Р2 = Р3 = 0,9995, шестерни Р4 = 0,999,шпоночного соединения Р5 = 0,999, выходного вала Р6 = 0,999,шариковых радиальных подшипников Р7 = Р8 = 0,9995, колесР9 = 0,999, шпоночного соединения Р10 = 0,999, масла, осущест$вляющего смазывание Р11 = 0,99995, корпуса редуктора Р12 � 1.

Задача 3. Определить 99%$ный ресурс редуктора со сред$ней интенсивностью отказов 0,2�10–6 ч–1. Дать графическую ин$терпретацию зависимости ресурса от вероятности отказа.

Задача 4. Определить запас прочности и вероятность разру$шения по проходящему через галтель сечению промежуточноговала редуктора, сконструированного в рамках курсового проек$та по ДМ, при увеличенной в три раза нагрузке (моменте) навыходном валу редуктора, заданном ресурсе, а также его треть$ей части, удвоенном и утроенном значении [2, гл. 3].

П.1.5. Практическое занятие № 2«ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ»

Задание. Определить апостериорные вероятности диагнозовв случае ненаблюдения диагностических признаков. Определитьдиагностическую ценность обследования.

ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ И ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 367

П.2. Лабораторная работа № 1«ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

ИЗМЕРЕНИЙ»

Цель работы: изучение структуры приборов и принциповмеханических измерений.

Задание.1. Описать объект исследования и его измеряемые парамет$

ры (на примере лабораторных работ «Исследование ременнойпередачи», «Исследование резьбового соединения», «Исследо$вание подшипников скольжения и качения»).

2. Описать принцип измерения величины параметра объекта.3. Описать структуру средства измерения с выделением его

основных элементов.

П.3.3. Практическое занятие № 3«УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА»

Задание.1. Привести классификацию методов акустического контро$

ля и диагностики.2. Описать область применения, принципы и прибор ульт$

развукового контроля.

П.3.3.1. Лабораторная работа № 2«УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ»

Задание. Описать процедуру проведения ультразвуковойтолщинометрии и дефектоскопии, расшифровать показанияразвертки дефектоскопа.

П.3.3.2.1...3.3.2.4. Практическое занятие № 4«ЯВЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ЕГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЦЕЛЯХ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ»

Задание.1. Описать явление акустической эмиссии и принципы его

использования в диагностике машин и оборудования.2. Описать микромеханическую модель АЭ.

П.3.3.2.5. Лабораторная работа № 3«ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ

АКУСТИКО ЭМИССИОННАЯ СИСТЕМАИ МЕТОДИКА АЭ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ»

Задание.1. Описать метод акустической эмиссии и принцип дейст$

вия измерительной системы АЭ.


2. Вывести формулы расчета координаты источника АЭ че$рез РВП и разницу амплитуд сигнала.

3. На основе полученных данных экспериментов рассчитатькоэффициент затухания и скорость распространения сигналапо образцу.

П.3.6, 3.9. Практическое занятие № 5«РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИКАПИЛЛЯРНОГО КОНТРОЛЯ»

Задание.1. Определить прогиб биметаллической пластины прибора,

выполненной с применением инвара, при ее нагревании на 40�С.2. Определить порог срабатывания (порог чувствительности)

биметаллического термометра, пружина которого нажимает наупор с силой 1 Н.

3. Определить класс точности прибора, измеряющего тем$пературу в диапазоне –50...+50�С с погрешностью 1�С.

4. Рассчитать и построить температурную зависимость пла$тинового термометра сопротивления.

5. Рассчитать и сравнить максимальную глубину заполне$ния пенетрантом щелевидного капилляра с параллельными инепараллельными стенками.

П.4.1. Практическое занятие № 6«ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

И ПРИНЦИПЫ ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ»

Задание. Описать основные принципы прогнозирования ос$таточного ресурса и привести примеры формул расчета с пояс$нениями.

П.4.2...4.5. Практическое занятие № 7«ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ»

Задание.1. Описать основные дефекты сварных соединений и мето$

ды их выявления.2. Описать принципы прогнозирования остаточного ресур$

са сварных соединений.3. Построить временны ´е зависимости числа импульсов АЭ,

средней амплитуды и коэффициента вариации ее значений, дли$тельности и энергии сигнала, числа выбросов и коэффициентавременного перекрытия сигналов АЭ.

ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ И ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 369

4. Определить диагностическую ценность параметров АЭ,интервалы неоднородного, однородного и пластического разру$шения и по этапу однородного разрушения — параметры мик$ромеханической модели разрушения (ммр) сварных соединений.Сравнить значения YAE и YR уравнения кривой усталости свар$ных соединений.

П.4.6. Лабораторная работа № 4«ДИАГНОСТИКА СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ»

Задание.1. Вывести уравнение Лапласа и формулы расчета напря$

жений для типовых оболочковых конструкций.2. Перечислить параметры технического состояния, описать

организацию работ и порядок технического диагностированиясосудов давления.

3. Описать основные виды неразрушающего контроля, прин$ципы расчета на статическую, циклическую прочность и тре$щиностойкости сосудов давления.

4. По данным результатам АЭ$контроля сосудов определитьих состояние, используя локально$динамический и концентра$ционно$кинетический критерии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биргер, И. А. Техническая диагностика. — М. : Машинострое$ние, 1978. — 240 с.

2. Болотин, В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструк$ций. — М. : Машиностроение, 1984. — 312 с.

3. Сероштан, В. И. Диагностирование грузоподъемных машин //В. И. Сероштан, Ю. С. Огарь, А. И. Головин [и др.] / под ред.В. И. Сероштана, Ю. С. Огаря. — М. : Машиностроение, 1992. —192 с., ил.

4. Воробьев, В. Г. Диагностика и прогнозирование техническогосостояния авиационного оборудования : учеб. пособие для вузовгражд. авиации // В. Г. Воробьев, А. А. Глухов, Ю. А. Козлов[и др.] / под ред. И. Н. Синдеева. — М. : Транспорт, 1984. —191 с.

5. Макаров, Р. А. Средства технической диагностики машино$строения. — М. : Машиностроение, 1981. — 223 с.

6. Махутов, Н. А. Методические аспекты оценки остаточного ре$сурса оборудования потенциально опасных объектов // Н. А. Ма$хутов, А. А. Шаталов, А. М. Лепихин [и др.] / Безопасностьтруда в промышленности. — № 11. — 2002. — C. 19–23.

7. Методы дефектоскопии сварных соединений // Под общ. ред.В. Г. Щербинского. — М. : Машиностроение, 1987. — 336 с., ил.

8. Мозгалевский, А. Г. Техническая диагностика : учеб. пособиедля вузов // А. Г. Мозгалевский, Д. В. Гаскаров. — М. : Высш.шк., 1975. — 207 с.

9. Клюев, В. В. Неразрушающий контроль и диагностика : спра$вочник // В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, А. В. Ковалев [и др.] / подобщ. ред. В. В. Клюева. — М. : Машиностроение, 2003. — 656 с.

10. Носов, В. В. Механика композиционных материалов : учеб.пособие. — Изд$во политехн. ун$та, 2010. — 165 с.

11. Носов, В. В. Оценка механического состояния массива горныхпород по результатам регистрации сейсмоакустической актив$

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 371

ности, вызванной взрывом // Физико$технические проблемыразработки полезных ископаемых. — № 2. — 1995. — C. 3–10.

12. Носов, В. В. Кинетическая модель разрушения адгезионныхсоединений // В. В. Носов, С. В. Носов / Изв. вузов. Строитель$ство. — № 3. — 1993. — C. 92–95.

13. Носов, В. В. Микромеханическая модель акустической эмис$сии гетерогенных материалов // В. В. Носов, И. Н. Бураков /Дефектоскопия. — № 2. — 2004. — C. 53–61.

14. Носов, В. В. Микромеханика акустической эмиссии гетероген$ных материалов // Научно$технические ведомости СПбГПУ. —№ 3. — 2006. — C. 20–27.

15. Носов, В. В. Оценка прочности и ресурса технических объ$ектов с помощью метода акустической эмиссии // В. В. Но$сов, А. И. Потапов, И. Н. Бураков / Дефектоскопия. — № 2. —2009. — С. 47–57.

16. Носов, В. В. Оценка прочности и ресурса сварных конструк$ций с помощью метода акустической эмиссии // Дефектоско$пия. — № 2. — 2009. — С. 58–66.

17. Способ неразрушающего контроля прочности изделий. Патент№ 2270444. Заявка 2004118473/28 от 18.06.2004. Опублико$вано 20.02.2006, бюл. № 5.

18. Петров, В. А. Физические основы прогнозирования долговеч$ности конструкционных материалов / В. А. Петров, А. Я. Баш$карев, В. И. Веттегрень. — СПб. : Политехника, 1993. — 475 с.

19. Носов, В. В. Акустико$эмиссионная диагностика сварных соеди$нений металлоконструкций // В. В. Носов, Г. С. Ельчанинов /Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно$транспортных комплексов / Cборник трудов II Международногоэкологического конгресса (IV Международной научно$техниче$ской конференции 24–27 сентября 2009, Тольятти, Россия). —Тольятти : ТГУ, 2009. — Т. 4. — С. 120–124.

20. РД 10$112$2$09. Методические рекомендации по экспертномуобследованию грузоподъемных машин. Часть 2. Краны стре$ловые общего назначения и краны$манипуляторы грузоподъ$емные, 01.05.2009.

21. Кузьмин, А. Н. Акустико$эмиссионная дефектоскопия грузо$подъемных механизмов // А. Н. Кузьмин, С. Ю. Филиппов /В мире неразруш. контроля. — № 2. — 2008. — С. 46–48.

22. Shen Gongtian, Wu Zhanwen. Study on Spectrum of AcousticEmission Signals of Bridge Crane // Insight : Non$Destruct. Test.and Cond. Monit. — № 3. — 2010. — C. 144–147.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1. Общие вопросы разработки и применения средствнеразрушающего контроля и диагностики . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1. Техническая диагностика как основа повышениянадежности машин и оборудования . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Цель, задачи и основные понятиядиагностирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3. Классификация методов, параметрови систем диагностирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.4. Принципы разработки систем диагностирования . . 301.5. Оценка эффективности диагностирования . . . . . . . . 321.6. Метрологическое обеспечение диагностирования . . 42

2. Механические приборы и средства измерений . . . . . . . . . . 492.1. Механические чувствительные элементы . . . . . . . . 502.2. Передаточные механизмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.2.1. Рычажные механизмыи механизмы прерывистого действия . . . . . . 67

2.3. Средства отображения информации.Отсчетные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3. Методы неразрушающего контроляи технического диагностирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.1. Система неразрушающего контроляи основные направления ее развития . . . . . . . . . . . . 80

3.2. Стандартизация средств неразрушающегоконтроля и технического диагностирования . . . . . . 82

3.3. Акустические методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . 853.3.1. Ультразвуковая дефектоскопия . . . . . . . . . . . 873.3.2. Метод акустической эмиссии . . . . . . . . . . . . . 92

3.3.2.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.3.2.2. Модели источников и информа$

тивные параметры акустическойэмиссии при разрушениигетерогенных материалов . . . . . . . . . 96

СОДЕРЖАНИЕ 373

3.3.2.3. Микромеханическая модельакустической эмиссии,регистрируемой при разрушениигетерогенных материалов . . . . . . . . 108

3.3.2.4. Метрологические аспектыакустико$эмиссионной оценкипрочности конструкционныхматериалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.3.2.5. Измерительнаяакустико$эмиссионная системаи методика экспериментальныхисследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.4. Вихревые методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303.4.1. Физические основы и область

применения метода вихревых токов . . . . . . 1303.4.2. Классификация преобразователей . . . . . . . . 1353.4.3. Амплитудный, фазовый,

амплитудно$фазовый и спектральныйметоды контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

3.4.4. Методы высших гармоники модуляционного анализа . . . . . . . . . . . . . . 138

3.4.5. Вихревые дефектоскопы . . . . . . . . . . . . . . . . 1403.5. Магнитные методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

3.5.1. Природа диа$, пара$ и ферромагнетизма . . . 1423.5.2. Физические основы

магнитных методов контроля . . . . . . . . . . . . 1453.5.3. Магнитопорошковый, магнитографический,

феррозондовый, индукционный,магниторезисторный, с использованиемэффекта Холла методы . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

3.5.4. Способы намагничивания . . . . . . . . . . . . . . . 1503.5.5. Магнитные дефектоскопы,

толщиномеры, коэрциметры . . . . . . . . . . . . 1513.6. Тепловые методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

3.6.1. Физические основы пассивныхи активных методов теплового контроля . . . 157

3.6.2. Способы и устройства тепловогонагружения, регистрации тепловых полей . 160

3.6.3. Преобразователи теплового излучения . . . . 1613.7. Радиационные методы контроля . . . . . . . . . . . . . . 164

3.7.1. Физические основы взаимодействияионизирующих излучений с веществом.Рентгеновское, тормозное,гамма$излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

3.7.2. Радиографический, радиоскопический,радиометрический методы . . . . . . . . . . . . . . 166

3.7.3. Рентгеновские аппараты,гамма$дефектоскопы, бетатроны,микротроны и линейные ускорителизаряженных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168


3.7.4. Радиоскопическиеи радиометрические системы . . . . . . . . . . . . 174

3.7.5. Контроль толщины, плотности,других физических параметровматериалов и изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

3.8. Электрические методы контроля . . . . . . . . . . . . . . 1773.8.1. Физические основы и область применения

методов. Электропотенциальный,электроемкостной, трибоэлектрический,термоэлектрический методы,метод экзоэлектронной эмиссии . . . . . . . . . . 177

3.9. Контроль проникающими веществами.Капиллярные методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . 184

3.10. Методы течеискания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1883.11. Оптические методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

3.11.1. Области применения эндоскопов . . . . . . . . 196

4. Диагностика состояния технических объектов . . . . . . . . . 1994.1. Остаточный ресурс технического объекта

и принципы его прогнозирования . . . . . . . . . . . . . . 2004.2. Диагностика состояния сварных

соединений металлоконструкций . . . . . . . . . . . . . . 2074.3. Неразрушающий контроль сварных

соединений ультразвуковым методом . . . . . . . . . . 2234.4. Акустико$эмиссионный контроль

прочности сварных соединений . . . . . . . . . . . . . . . 2254.5. Диагностические АЭ$показатели прочности

конструкционных материалови способы их определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

4.6. Методики АЭ экспресс$оценкипрочности и ресурса конструкций . . . . . . . . . . . . . 246

4.7. Диагностика сосудов,работающих под давлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2624.7.1. АЭ$диагностика сосудов давления . . . . . . . . 268

4.8. АЭ$диагностика металлоконструкцийгрузоподъемных машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

4.9. Диагностика неисправностейподшипниковых узлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2814.9.1. Подшипники качения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2814.9.2. Диагностика подшипников скольжения . . . 300

4.9.2.1. Оценка интенсивностиизнашивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

4.9.2.2. Оценка адгезионной прочностиантифрикционных покрытий . . . . 302

4.10. Диагностика валков прокатных станов . . . . . . . . . 3074.11. Диагностика машин и механизмов

на основе анализа проб машинной смазки . . . . . . . 3084.12. Контроль макроструктуры слябов . . . . . . . . . . . . . 3094.13. Определение координаты течи

в трубопроводах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

СОДЕРЖАНИЕ 375

4.13.1. Построение модели распространениясигналов от вытекающей жидкостина основе корреляционногои спектрального анализа . . . . . . . . . . . . . . . . 313

4.13.2. Исследования процесса образованиятечи в трубопроводе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

4.13.3. Исследование спектрального составасигналов АЭ при различных длинахусталостной трещины . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

5. Экологическая диагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3215.1. Общие вопросы экологической диагностики . . . . . 3215.2. Прогноз землетрясений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3235.3. Оценка геомеханического состояния

участка массива горных пород . . . . . . . . . . . . . . . . 3295.4. Радиационный мониторинг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3405.5. Химико$аналитическая диагностика . . . . . . . . . . . 3415.6. Оптические методы экодиагностики . . . . . . . . . . . 3475.7. Тепловая, СВЧ$ и ультрафиолетовая

экодиагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3515.8. Биодиагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3535.9. Передвижные эколаборатории и станции . . . . . . . 353

Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

Приложение. Практические заданияи лабораторные работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

Documents

795093 01854 Nosov v v Diagnostika Mashin i Oborudovaniya