Способ электромагнитного контроля кристаллической структуры нагруженных элементов машин и механизмов в процессе их эксплуатации

/4 К ПА Т талла несущих элементов маш Повышение точности прогнозир ферромагнитных объектов под трещин достигается путем ре аномального изменения сигна преобразователей. 8 процессе к момент скачкообразного измене раметров электромагнитного по зона их изменения, и по нему образования микротрещин. 5 ил,И СР омитет Российской Федерации о патентам и товарным знакам(76) Колнин Юрий Иванович(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для непрерывногоконтроля состояния кристаллической структуры меин и механизмов. ования разрушения действием микрогистрации начала лов вихретоковых онтроля фиксируют ния вторичных пая к началу диапапределяют начало30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля состояния кристаллической структуры металла несущих элементов машин и механизмов, доступ к которым в процессе эксплуатации затруднен или невозможен, регистрации скорости устапостного ипи коррозионного старения их кристаллической структуры и определения времени эксплуатации, оставшееся до их усталостного или коррозионного разрушения и выработки сигнала для предотвращения дальнейшей эксплуатации машин и механизмов, если хотя бы один из контролируемых элементов находится на грани разрушения,Известен способ контроля физико-механических параметров ферромагнитных изделий, заключающийся в сравнении параметров вихретокового преобразователя, в электромагнитном поле которого находится исследуемое ферромагнитное изделие, с параметрами вихретокового преобразователя, электромагнитное поле которого находится в свободном пространстве,Недостатком указанного способа является его неспособность дать полную информацию а состоянии кристаллической структуры контролируемого изделия, так как измерение его Физико-механических параметров производится только в одной тачке баланса частот электромагнитных полей преобразователя с изделием и преобразователя, находящегося в свободном пространстве,. Наиболее близким по своей сущности является способ, заключающийся в определении состояния металла силовой оболочки по изменению параметров магнитного поля, создаваемого перераспределяющимися, в зависимости от изменения состояния металла компонентами тока, протекающего по стенкам оболочки,Недостатком этого способа является невозможность определения момента появления микротрещин в объеме контролируемого металла, образование которых является началом быстрого его разрушения.Цель изобретения - повышение точности прогнозирования разрушения ферромагнитных обьектов под действием микротрещин, а также прогнозирование времени наработки до разрушения,Поставленная цель достигается тем, что в известном способе электромагнитного контроля эпектропроводящих объектов в процессе эксплуатации, заключающимся в том, что создают электромагнитное поле, взаимодействующее с контролируемым объектом, измеряют вторичные параметры электромагнитного поля, определяют их изменение во времени и по ним судят о состоянии контролируемого объекта, дополнительно предварительно определяют 5 нижний и верхний пределы изменения вторичных параметров электромагнитного поля. соответствующие началу и концу, эксплуатации обьекта, фиксируют момент скачкообразного изменения вторичных па раметров электромагнитного поля к началудиапазона их изменения и по нему определяют начало образования микротрещин,Наиболее перспективным представляется использование предлагаемого способа 15 для контроля состояния кристаллическойструктуры несущих элементов конструкции атомных реакторов, трубопроводов внутреннего кольца теплообменника его энергетической установки, работа которых 20 проходит в условиях высокой плотности радиационных излучений, температур и интенсивных окислительных процессов, доступ к которым во все время эксплуатации исключен, а аварии вызывают долговремен ные тяжелейшие катастрофические последствия, Получение достоверной информации об оставшемся лимите. времени безаварийной работы или же начале появления микротрещин тем более необходим, если это касается атомных энергетических установок, расположенных на подвижных объектах, находящихся в условиях жесткой долговременной эксплуатации, например крейсерные походы атомных подводных падок, надводных кораблей, а также магистральных газо- и продуктопроводов, разрушение которых приводит к катастрофическим последствиям. На фигЛ приведена блок-схема системы контроля состояния кристаллической структуры металла несущих элементов машин и механизмов, поясняющих предлагаемый способ, Система контроля содержит катушку контура автогенератора 2, омическое сопротивление 3, блок 4 определение знака и абсолютного приращения частоты задающего контура автогенератора 2, блок 5 определения знака абсолютного приращения переменной составляющей тока катушки 1 автогенератора 2, блок 6 измерения постоянной составляющей тока катушки 1 контура автогенератора 2, блок 7 управления частотой автогенератора 2, аналоговый мультиплекс 8, анапого-цифровой преобразователь, блок 10 авода-вывода, блок 11 памяти, ЭВМ 12, апфавитно-цифровое печатающее устройство 13, индикатор 14 аварийной ситуации, дисплей 15,таймер 16, блок 17 управления исполнительным меха 2003091низмом, исполнительный механизм 18, крыло 19 самолета, соединительную линию 20.На фиг,2 приведены графики, показывающие смещение границ перехода из области положительных приращений переменного тока катушки контура автогенератора в область их отрицательных значений, а также смещение резонансных и антирезонансных пиков и изменение их амплитуд по оси частот автогенератора генерируемых им в диапазоне 0,5 18 кГц. Графики 21-23 построены для положительных и отрицательных приращений токов катушки при взаимодействии ее электромагнитного поля с образцом иэ ."нормального" железа (график 21), потерпевшего отжиг (график 22) и нагартовку (график 23), а графики 24-26 для образца из "нормального" никеля (график 25), претерпевшего отжиг (график 24) и график 26, построенный для никелевого образца имеющего микротрещину. Под "нормальными" понимаются образцы, выполненные их исходного металла и не претерпевшие после изготовления какихлибо механических или физических воздействий.На фиг.3 приведены графики 27-29, показывающие смещение границ перехода из области частот автогенератора, где кристаллическая структура никеля при взаимодействии с электромагнитным полем катушки его контура проявляет парамагнитные свойства, в область частот, где она ведет себя как диамагнетик, а также смещение по оси частот резонансных и антиреэонансных пиков и их амплитуд по оси частот, генерируемых актогенератором в диапазоне 0,545 кГц, График 27 построен для положительных и отрицательных приращений частоты контура автогенератора при взаимодействии электромагнитного поля его катушки с образцом из "нормального" никеля, а графики 28 и 29 соответственно для никелевого образца с микротрещиной и образца из отожен ного никеля.На фиг,4 приведены совмещенные графики (30 - 32) смещения границ перехода иэ области положительных приращений переменной составляющей тока катушки конту ра в область их отрицательных приращений и смещение резонансных и антирезонанс- ных пиков и их амплитуд с графиками (33,34.35) смещения граний переходов из области отрицательных приращений по ча-. 55 стоте (парамагнитная область) в область их положительных приращений(диамагнитная область), и смещение их резонансных и антирезонансных пиков и амплитуд в диапазоне изменения частот автогенератора 0,5Ф 42 кГц для трех образцов: для "нормального" никеля (графики 30 и 33), никельного образца с микротрещиной (графики 31 и 34) и отоженного никеля (графики 32 и 35),На фиг.5 приведены совмещенные графики (36-38) смещения границ перехода из области положительных приращений переменной составляющей тока катушки контура авто генератора в область их отрицательных приращений и смещение резонансных и антирезонансных пиков и их амплитуд, с графиками (39-41) смещения границ переходов из области отрицательных приращений по частоте (парамагнитная область) в область их положительных приращений (диамагнитная область), и смещение их резонансных и антирезонансных пиков и амплитуд в диапазоне измерения частот автогенератора 0,5142 кГц, для трех образцов; для "нормального" железа (графики 36 и 39), отожженного (графики 37 и 40) и начартованного железа (графики 38 и 41),Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.Контроль за состоянием кристаллической структуры несущих элементов, напри-. мер крыла 19 самолета, начинается с введения в блок 11 параметров их кристаллической структуры, справедливой для начала эксплуатации. Последнее достигается взаимодействием ее с электромагнитным полем катушки 1 образуемого протекающим по ее виткам переменным током контура автогенератора 2, расположенного в непосредственной близости от нее, Запись параметров осуществляется в диапазоне частот автогенератора 2, перестройка которого осуществляется блоком 7 управления его частотой.Экспериментально установлено, что диапазон частот, охватывающий все границы переходов, и наиболее активное развитие резонансных и антирезонансных явлений для ферромагнитных металлов составляет 05 1 45 кГц.Что же касается параметров кристаллической структуры металлов, соответствующих концу их эксплуатации, то они вводятся в блок 11 памяти после их определения, которое достигается путем взаимодействия электромагнитного поля катушки 1 контура автогенератора 2 с кристаллической структурой несущего элемента аналогичной конструкции, но прошедший процесс старения путем воздействия .на него соответствующих нагрузок в лабораторных условиях.Наиболее опасным для эксплуатации несущих элементов конструкции (в нашем50 55 случае - несущие элементы крыла самолета) является возникновение в их кристаллической структуре микротрещин, появление которых неминуемо ведет к их быстрому разрушению и, как вследствие этого к аварии эксплуатируемого устройства.Результаты экспериментов, приведенные на графиках показывают, что развитие процессов изменения вторичных параметров электромагнитного поля при взаимодействии с изменяющейся в процессе эксплуатации кристаллической структурой металла происходит не однозначно.При появлении микротрещин монотонное изменение параметров нарушается. Наблюдается скачкообразное изменение вторичных параметров электромагнитного поля к началу диапазона их изменения. Причем в зависимости от величины микротрещины или от их множеств ход параметров в скачке меняется на противоположный, т.е. их показания возвращаются к нижнему пределу и в зависимости от интенсивности образования микротрещин могут значительно их превзойти,Так, например графиками 25,27,30 и 33 для никеля и 21,36 и 39 для железа показан ход изменения вторичных параметров электромагнитного поля по оси частот автогенератора 2 для "молодой" кристаллической структуры этих металлов, находящихся в начале эксплуатации.Графиками 25 и 30 показан ход приращений по амплитуде тока контура и граница перехода этих приращений из области положительных в область отрицательных их значений, а графиками 28 и ЗЗ - приращений из парамагнитной области в диамагнитную.Соответственно графиками 21 и 36 показан ход приращений амплитуды тока контура и граница перехода этих приращений для железа, а графиком 39 - ход приращений и граница перехода по частоте,Принимая такую структуру металлов за "молодую" дальнейший счет времени ее старения определяется по смещению границ перехода.Так процесс старения кристаллической структуры этих металлов при переходе их иэ состояния "молодой" структуры к "старой" показан изменением приращений вторичных параметров электромагнитного поля соответственно для никеля графиками 24 и 32 по амплитуде тока контура и графиками 29 и 35 по частоте, А для железа ход изменений этих приращений и смещение границ переходов по оси частот автогенератора показаны соответственно графиками 22 и 37. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Этот процесс старения происходит во времени, отрезок которого - гарантия безаварийной работы машины или механизма,При совпадении частоты границ перехода контролируемых текущих параметров с частотой границ перехода "старой" кристаллической структуры, соответствующей верхнему пределу изменения вторичных параметров, дальнейшая эксплуатация машин или механизмов прекращается,Вначале разрушение кристаллической структуры, вызванное нагрузками, превышающими критические, и сопровождаемое появлением микротрещин значение текущих параметров мгновенно изменяется. Особенно резко это выражено в скачкообразном смещении границ переходов к соответствующим границам "молодого" металла справедливым для начала эксплуатации и в зависимости от величины микротрещины или их множеств далеко за эти границы Этот скачкообразный процесс смещения границы перехода приращения по амплитуде тока зафиксирован для никеля с микро- трещиной графиками 26 и 31 и смещением границ перехода по частоте соответственно графиками 28 и 34,Для железа с микротрещинами в начальной стадии развития соответственно графиками 23 и 38 зафиксировано смещение границ перехода амплитуд тока к параметрам его "молодой" кристаллической структуры, соответствующие началу эксплуатации. График 41 показывает соответствующее смещение границы перехода приращений по частоте.Снятие контролируемых параметров осуществляется с омического сопротивления 3 величиной 0,2-0,3 Ом, включенного последовательно витками катушки 1. Для этой цели к омическому сопротивлению 3 подключаются концы длинной линии 20, по которой информация об измеряемых параметрах контролируемой кристаллической структуры передается к блокам 5 и 6,Снятие информации с омического сопротивления 0,2-0,3 Ом, обеспечивает работу линии 20 и входных цепей блоков 4-6 практически в режиме короткого замыкания, что исключает воздействие внешних помех на работу длинной линии 20 и взаимного влияния входных цепей блоков 4-6 друг на друга, Этим обеспечивается вывод информации о состоянии контролируемых элементов, расположенных в недоступных местах машин и механизмов, например несущих элементах крыла 19 в места. удобные для подключения остальных приборов, входящих в систему контроля.10 2003091 10 15 20 25 30 35 40 С выхода блоков 4 - 6 информация о текущих параметрах контролируемой кристаллической структуры поступает на аналоговой мультиплекс 8, обеспечивающий последовательность подключения этих устройств к аналого-цифровому преобразователю 9 и преобразующий их аналоговые сигналы в цифровые необходимые для работы ЭВМ 12 Управление аналоговым мультиплексом 8 аналого-цифровым и реобразователем 9 и блоком 7 управления частотой автогенератора 2 осуществляется каналом 10 ввода-вывода.Обработанная таким обрэзом информация о текущих параметрах кристаллической структуры поступает в Э В М 12, которая и роизводит их сравнение с вторичными параметрами, соответствующими началу и концу эксплуатации и записанными в блоке 11 памяти.Время, прошедшее с момента начала эксплуатации и момента поступления текущих параметров в ЭВМ 12, регистрируется с помощью таймера 16, а по скорости их приближения к вторичным параметрам, соответствующим концу и удалению от параметров начала эксплуатации, определяется время эксплуатации, оставшееся до конца безаварийной работы контролируемого элемента,Информация о состоянии каждого несущего элемента выводится на алфавитноцифровое печатающее устройство 13 и на дисплей 15, С устройства 13 получают документальную распечатку о состоянии каждого контролируемого элемента, а дисплей 15 дает отображение текущей информации на экране монитора,В экстремальных условиях эксплуатации, например при грубо проиЪведенной Формула изобретения СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ, заключающийся в том, что создают электромагнитное поле, взаимодействующее с контролируемым обьектом, измеряют вторичные параметры электромагнитного поля, определяет их изменение во времени и по ним судят о состоянии контролируемого объекта, отличапосадке самолета, возможно появление микротрещин в несущих элементах крыла 19, В этом случае система фиксирует момент скачкообразного изменения вторичных параметров электромагнитного поля к началу диапазона их изменения, Тогда по команде с ЭВМ 12 срабатывает блок 17 управления исполнительным механизмом 18. Последний снимает напряжение питания цепей запуска двигателей самолета, не допуская его полета с несущими элементами, кристаллическая структура которых близка к разрушению, и предотвращая тем самым неминуемую его аварию или катастрофу,Длл указания экипажу причины незапуска двигателей на табло 14 выдается информация о поломке несущего элемента крыла 19 и месте его нахождения,Единственным элементом, претерпевающим изменение своей конструкции при использовании описанного способа контроля, например элементов атомных энергетических установок, газо, и родуктоп роводов и т.п., являетсл конфигурация катушки 1, способной обеспечить взаимодействие электромагнитного поля со всем обьемом контролируемого металла и протяженность длинной линии, обеспечивающая подключение приборной части измерительной системы вне зоны радиоактивного излучения или иных опасных для жизни воздействий, а та кже обеспечение дистанционного контроля состояния кристаллической структуры контролируемых обьектов. 56) Авторское свидетельство СССРМ 665259, кл, 6 01 й 27/86, 1979,Авторское свидетельство СССР1 Ф 905764, кл. 6 01 М 27/90, 1982. ющийся тем, что, с целью повышения 45 точности прогнозирования разрушенияферромагнитных объектов под действием микротрещин, предварительно определяют нижний и верхний пределы изменения вторичных параметров электромагнитного 50 полл, соответствующие началу и концу эксплуатации объекта, фиксируют момент скачкообразного изменения вторичных параметров к началу диапазона их изменения и по нему определяют начало 55 образования микротрещин.2003091 фч т ъ Ф Составитель С.ФинютинаТехред М.Моргентал Корректо ила ячев дакто Тираж Подпис НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5