SU1732256A1 - Способ вибродиагностики элементов конструкций - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - повышение чувствительности диагностики малых объектов. Способ осуществл етс  следующим образом. Резонансные колебани  возбуждают последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси одного исправного объекта из партии. Затем, использу  зарегистрированные значени  частот, определ ют диагностическую модель объекта, на которой моделируют различные виды дефектов в объекте, при этом регистрируют скачки частот, соответствующие различным стади м развити  дефекта. Затем предлагаетс  возбуждать резонансные колебани  в другом исследуемом объекте из партии последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси объекта, фиксировать собственные частоты объекта в каждом из направлений. Сравнива  полученные значени  частот с диагностической моделью объекта, местонахождение и степень развити  дефектов определ ют по характеру скачков частот. 6 ил., 1 табл. Ё

Description

Изобретение относитс  к испытани м и измерени ми может быть использовано дл  неразрушающего контрол  механических изделий в процессе доводки при изготовлении , а также дл  прогнозировани  ресурса работы при эксплуатации, например, прецизионных элементов механических конструкций (детали микроэлектродвигател , подвес динамически настраиваемого гироскопа и т.п.).

Известен способ виброакустического контрол  тонкостенных конструкций, заключающийс  в том, что в нагруженных зонах конструкций возбуждают упругие колебани  с посто нной амплитудой и по измеренной амплитуде возбуждающей силы определ ют контролируемые параметры .

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ акустического контрол  тонкостенных изделий. Способ заключаетс  в том, что импульсы свободных колебаний последовательно возбуждают в акустически нагруженных зонах и по зависимости изменени  частоты принимаемых колебаний от местоположени  нагруженной зоны суд т о контролируемом параметре.

Однако в обоих способах предлагаетс  достаточна  линейна  прот жность обследуемого издели , что неприемлемо дл  прецизионного объекта ввиду его малых размеров. Даже если размеры издели  не малы, указанные способы применимы лишь втом случае, если конструкци  издели  дает доступ в обследуемую зону. /,

Целью изобретени   вл етс  повыитвг ние чувствительности диагностики дефек- - тов.

Указанна  цель достигаетс  следующим образом. Резонансные колебани  возбуждают последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси одного исправного объекта из партии. Использу  зарегистрированные значени  частот, определ ют диагностиче- скую модель объекта, на которой моделируют различные виды дефектов в объекте. При этом регистрируют скачки частот, соответствующие различным стади м развити  дефекта . Затем возбуждают резонансные колебани  в другом исследуемом объекте из партии последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси объекта. Фиксируют собственные частоты объекта в каждом из направлений, сравнивают полученные значени  частот с диагностической моделью объекта, а местоположение и степень развити  дефектов определ ют по характеру скачков частот. В известных технических ре- шени х колебани  возбуждают непосредственно в. тех зонах конструкций, в которых осуществл етс  виброакустический контроль . При этом о контролируемом параметре суд т по зависимости изменени  частоты от местоположени  зоны. Предлагаемый способ отличаетс  от известного тем, что резонансные колебани  в исследуемом объекте из партии возбуждают последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси объекта. При этом по характеру скачков частот определ ют местоположение и степень развити  дефектов.

На фиг. 1 изображена схема реализации способа; на фиг. 2 и 3 - зависимости А от Я; на фиг. 4 - схематически диагностическа  динамическа  модель дефекта; на фиг. 5 - расчетна  схема дл  mi и та; на фиг. 6 - изменени  трех собственных круговых час- тот, соответствующих массам.

Способ осуществл ют следующим образом .

Электрические колебани  звуковой частоты вырабатываютс  в генераторе 1 и по- даютс  на усилитель 2 мощности с частотой, измеренной частотомером 3. Далее сигнал поступает на вибратор 4, осуществл ющий эквивалентное силовое воздействие на контролируемый объект 5. При этом форма ко- лебаний наблюдаетс  на экране осциллографа 6. Наход щийс  на объекте датчик силового воздействи  7 преобразует механические колебани  в электрический сигнал, который подаетс  на акселерометр 8. Устройство креплени  контролируемого объекта 5 предусматривает возможность поворота объекта на определенный угол по отношению и направлению возбуждени  колебаний. В схему включен фазометр 9, на

который подаютс  сигналы с усилителей мощности входного 2 и выходного 10 тракта дл  измерени  фазовых характеристик контролируемых параметров и более точной настройки системы на резонанс. Возбужда  колебани  в контролируемом объекте последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси объекта, устанавливают соответствие между измер емыми собственными частотами и характерными массами, составл ющими объект. Это необходимо дл  создани  диагностической динамической модели дефекта (ДДМД) в виде элементов инерции, соединенных между собой жесткостными и диссипативными св з ми. Определение места возникновени  дефекта на динамическом аналоге прецизионного механического колебательного объекта показано в примере 1.

Пример 1. Изменение спектра собственных частот колебательного объекта, которое проводилось дл  различных радиальных направлений возбуждени  колебаний с поворотом по кругу, дает результаты , приведенные на фиг, 2 и 3, причем на фиг. 3 показаны частоты после поворота объекта на 90° вокруг оси. Эти данные получены дл  эталонного бездефектного объекта , в противном случае и количество частот, и их величины измен ютс  при повороте объекта, Рассматриваемый объект представл етс  в виде механической колебательной системы с двум  степен ми свободы, Тогда ДДМД, включающа  все возможные случаи возникновени  дефекта, имеет вид, представленный на фиг. 4. Возможны 15 различных способов образовани  дефекта, т.е. ДДМД содержит 16 модификаций , включа  исходную бездефектную модель . Из них четыре модификации соответствуют образованию одного дефекта , шесть модификаций - одновременно двум дефектам, четыре модификации - одновременно трем дефектам и одна модификаци  - одновременно четырем дефектам. Затем проводитс  паспортизаци  ДДМД, заключающа с  в предварительном расчете частотных спектров всех модификаций ДДМД, а также оценке их инерционных, диссипативных и жесткостных параметров с помощью параметрической идентификации (более подробно метод расчета излагаетс  в примере 2).

Результаты паспортизации представлены в таблице, где по горизонтали расположены номера частот, а по вертикали - значени  частот в герцах,

Дл  определени  места дефекта в об- ледуемом объекте измер етс  спектр его

собственных частот. Затем дл  каждой из возможных модификаций ДДМД составл етс  функционал

Ij-J 00K-AKjf.

где Яок - собственна  частота реального объекта;

Ак - собственна  частота j-й модификации ДДМД.

Минимальное значение Ij соответствует данной модификации ДДМД, т.е. указывает местоположение дефекта. Например, если минимальным оказалось he, то в объекте образовалось одновременно четыре дефекта .

Степень развити  дефекта в объекте уточн етс  с помощью расчета, рассматриваемого в примере 2.

Пример 2. Здесь в качестве объекта расчета выбран дл  конкретности упругий подвес динамически настраиваемого чувствительного элемента. Конечной стадией изготовлени  подвеса  вл етс  доводка до определенной толщины перемычек, соедин ющих отдельные части рассматриваемого объекта. Малые размеры подвеса (габариты пор дка 20 мм) и высокие требовани  к толщине перемычек (доли миллиметра ) безусловно относ т его к прецизионным детал м. Качество детали определ етс  размером перемычек и технологической чистотой их выполнени . Существующие методы контрол  основаны на статических испытани х объекта, что св зано с трудоемкостью исследований и отсутствием достоверных данных о величине перемычек и наличи  в них дефектов.

Дл  проведени  численных экспериментов составл етс  расчетна  схема, которую дл  небольших амплитуд можно прин ть линейной. Ставитс  задача по определению зависимости собственных частот механической системы от места и величины дефекта в ее элементах. Расчетна  модель представл етс  в виде двух основных масс (фиг. 5): гги - внутреннее кольцо, Ш2 - центральный вал.

По вление трещины интерпретируетс  отделением массы т и возникающей при этом св зью в виде коэффициентов жесткости с и диссипации Ь , Так в рассматриваемой расчетной схеме ггм , ci , ЬГ моделируют трещину во внутреннем кольце со стороны внешнего кольца (заделка ).

Выражение дл  потенциальной энергии имеет вид

)2+lc2 (xi-xi )2 + + C2 ()(xi

-х2 )(х2-Х2)2 + + Сз (х2 -х2)2 +

+ С4(х2 -хГ )2.

Вычислительна  процедура заключаетс  в определении собственных значений матрицы:

Г 0. „-I

А

L

-М 1В

5

где М, С, В - квадратные матрицы соответственно инерции, жесткости и диссипации;

Е - единична  матрица. Q Прин ты следующие исходные числовые значени : ci 1,8-107: с2 0,6107- сз 0,12 107; С2 0,3-107: сз 0,М07; С4 0,8-107;

bi 143; ,3; Ь2 138; ,2; ,9, Ь2 168;

причем коэффициенты с даны в н/м; b - в нх хс/м, a m - в кг.

В выбранной модели развити  трещины значени  массы т - 1,15, соответственно mi 1,15, а коэффициент диссипации bi 100, Уменьшение жесткости ci от 4 -106до 1 -106 моделируют рост трещины в заданном элементе.

На участке от 2 10е до 1 -106 наблюдаетс  переход (скачок) частот от координаты ха к Х2 , а х2 к х2, т.е. измен ютс  номера частот (показаны стрелками). Этот факт служит диагностическим признаком места и степени развити  дефекта в системе.

Таким образом, предлагаемый способ вибродиагностики элементов конструкций обладает более высокой, чем известные способы , чувствительностью, так как прив зка измер емых частот к соответствующим характерным массам контролируемого объекта дает возможность определить скачки частот, которые позвол ют более информативно зафиксировать характеристику развити  дефекта. Это позвол ет провести неразрушающий контроль прецизионнах объектов малых размеров, а также других изделий, конструкци  которых не дает доступа в обследуемую зону.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ вибродиагностики элементов конструкций, заключающийс  в том, что в контролируемом объекте возбуждают резонансные колебани , регистрируют их частоты , определ ют местонахождение и степень развити  дефектов, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности диагностики малых объектов, резонанс- ныеколебани возбуждают

   последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси одного исправного объекта из партии, использу  зарегистрированные значени  частот, определ ют диагностическую модель объекта, на которой моделируют различные виды дефектов в объекте, при

   0

   этом регистрируют скачки частот, соответствующие различным стади м развити  дефекта , затем возбуждают резонансные колебани  в другом исследуемом объекте из партии последовательно в радиальных направлени х по кругу на плоскости, перпендикул рной оси объекта, фиксируют собственные частоты объекта в каждом из направлений, сравнивают полученные значени  частот с диагностической моделью объекта, а местоположение и степень развити  дефектов определ ют по характеру скачков частот.

   Ю

   -

   -л

   Фиг.5 1