Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные проблемы автоматизации и управления в машиностроении. В 4 частях. Ч.2. Учебное пособие
.pdf
вано на отечественном прецизионном токарном модуле типа ТПАРМ
(упоминался в первой части пособия) для обработки малогабаритных дета-
лей по 1..3 квалитетам точности.
1.1.2. Методы неразрушающего контроля поверхностного слоя
и внутренней структуры деталей
Эффективным способом поддержания высокого качества деталей
является применение методов неразрушающего контроля как обработанного поверхностного слоя, так и всего объема материала деталей, среди которых наибольшее применение получили магнитопорошковый, капиллярный, вихретоковый, ультразвуковой, акустический, радиационный, опти-
ческий, виброакустический.
Магнитопорошковый метод определяет состояние большинства
стальных деталей, к которым имеется доступ для намагничивания, нанесе-
ния суспензии на контролируемую поверхность и осмотра (рис. 1.7). На
поверхность детали наносят ферромагнитные частицы, которые находятся
во взвешенном состоянии в жидкости (минеральном масле, керосине, воде
и т.п.) или в воздухе. Деталь помещается в магнитное поле. Вследствие
взаимодействия образуется магнитный поток, неоднородный при наличии
дефекта. В результате возникает сила, стремящаяся затянуть ферромагнитные частицы в место наибольшей плотности магнитных силовых линий, то
есть к месту дефекта. Информативным параметром в этом случае является
индикаторный рисунок в виде полосок осевшего на поверхности порошка.
Размер и характер дефекта можно оценить по количеству порошка и форме
рисунка.
Перечислим факторы, влияющие на чувствительность метода: магнитные характеристики материала детали; значение напряженности намаг-
ничивающего поля; значения размера, шероховатости и форма поверхно-
сти детали; значение размера, координаты и ориентация дефекта, его форма; взаимное направление намагничивающего поля и дефекта; свойства
материала, используемого в процессе дефектоскопии, способ его нанесения на деталь; способ регистрации выявляемого дефекта.
Рис. 1.7. Магнитопорошковый метод
11
Применение магнитопорошкового метода позволяет обнаружить поверхностные дефекты с шириной раскрытия от 0,002 мм, глубиной от 0,01
мм, а также подповерхностные дефекты. Подповерхностным считается дефект на глубине в доли миллиметра от поверхности изделия. Обнаружение
дефектов производится визуально при осмотре места контроля по скоплению частиц порошка на дефектах. Положительными качествами магнитопорошкового метода являются высокая чувствительность и способность
определения мельчайших дефектов, отрицательными – возможность обна-
ружения только поверхностных дефектов (расслоения, трещины и выкрашивания во внутренней структуре, при этом остаются незамеченными) и
сложность автоматизации метода.
Капиллярный метод основан на использовании свойства смазывающих жидкостей, нанесенных на очищенную поверхность детали, заполнять узкие полости (рис. 1.8). Лишнюю жидкость с поверхности удаляют.
На поверхность наносят проявитель в виде специальной белой краски или
порошка, под действием которого выступающая из полостей жидкость
окрашивает проявитель и образует хорошо видимый на белом фоне индикаторный рисунок, являющийся информативным параметром о месте расположения, форме и протяженности дефекта. При цветном методе используют жидкость, окрашенную в красный цвет и образующую рисунок, ви-
димый при дневном свете, а при люминесцентном методе - жидкость, да-
ющую рисунок, ярко светящийся в ультрафиолетовых лучах. При люми-
несцентно-цветном методе рисунок виден как при дневном свете, так и в
ультрафиолетовых лучах. Достоинства и недостатки метода аналогичны
предыдущему методу.
Рис. 1.8. Капиллярный метод
Вихретоковый метод основан на возбуждении в материале вихревых токов и оценивании их влияния на магнитный поток, создаваемый ка-
тушкой индуктивности преобразователя (рис. 1.9). Под действием тока в
катушке индуктивности образуется переменный магнитный поток, проникающий в металл. При этом в металле возникают вихревые токи, создающие свой магнитный поток, направленный навстречу возбуждающему по-
току. За счет протекания вихревых токов происходит изменение индуктив-
ности и активного сопротивления преобразователя. Их приращения, вызы-
ваемые вносимыми индуктивностью и сопротивлением, можно измерить.
12
Рис. 1.9. Вихретоковый метод
Дефекты в поверхностном слое детали приводят к перераспределению вихревых токов, уменьшению их плотности, вследствие чего уменьшаются вносимые индуктивность и сопротивление, что может быть зарегистрировано специальным автоматизированным измерительным устройством. В зависимости от вида дефекта (трещина, прижог, забоина и др.)
изменяются характеристики информационного сигнала с датчика, что позволяет выявить с помощью компьютерной обработки сигнала вид дефекта
и его размеры на глубину до нескольких десятков микрометров. Примером
такого устройства может служить разработанный на одном из предприятий
Саратова автоматизированный прибор вихретокового контроля деталей
подшипников ПВК-К2М (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Автоматизированный вихретоковый прибор
контроля колец подшипников ПВК-К2М
13
Ультразвуковой метод основан на анализе процесса распространения ультразвуковых волн, возбужденных в магнитных и немагнитных материалах, которые отражаются от дефектов в виде трещин, непроваров, газовых пор, шлака, неметаллических включений. Информацией о дефекте
служат амплитуда и местоположение эхо-сигнала, просматриваемого на
экране измерительного устройства (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Ультразвуковой метод:
1 – начальный (зондирующий) импульс, 2 – стробимпульс, определяющий размеры
контролируемой зоны, 3 – отраженный (информативный) импульс,
4 – отраженные неинформативные импульсы (помехи)
К недостаткам метода следует отнести необходимость обеспечения
плотного контакта между излучателем и контролируемым изделием, контролируемым изделием и приемником ультразвуковых волн, что обеспечивает снижение помех. Обработка данных при ультразвуковом контроле
выполняется компьютером.
Акустический импедансный метод находит применение при контроле многослойных конструкций. Он основан на различии механических
импедансов (сопротивлений) дефектного и бездефектного участков детали
(рис. 1.12).
Рис. 1.12. Акустический метод
Бездефектная конструкция под действием преобразователя колеблется как единое целое, и механический импеданс максимален. Если установить преобразователь в зону дефекта, то амплитуда силы реакции резко
уменьшится в связи с тем, что жесткость этого участка меньше жесткости
14
всей конструкции. Это изменение можно зафиксировать с помощью изме-
рительного устройства.
Радиационный метод основан на просвечивании деталей рентге-
новскими, гамма- и бета-лучами, нейтронами и другими элементарными
частицами, что позволяет получить информацию о внутреннем их состоянии и зарегистрировать дефекты в виде несплошности, трещин, разруше-
ния и т.п. (рис. 1.13). В качестве регистраторов можно использовать рент-
геновскую плёнку, флюоресцирующий экран и др. Наиболее распростра-
нены рентгено- и гаммаграфический радиационные методы. На снимках
внутренней структуры деталей информативным параметром является сте-
пень почернения различных участков рентгеновской плёнки.
Рис. 1.13. Радиационный метод
Недостатком метода является необходимость защиты персонала от
вредного излучения, достоинством – автоматизация выявления дефектов в
структуре материала изделия.
Оптический метод основан на прямом исследовании поверхностей
деталей или непрямом осмотре труднодоступных мест с помощью лупы,
микроскопа или эндоскопа – портативной телевизионной камеры на длинной штанге, с которой изображение передается по кабелю, преобразуется и
выводится на экран монитора (рис. 1.14).
15
Рис. 1.14. Оптический метод
Виброакустический метод контроля трещин во внутренней структуре деталей, в частности колец подшипников, основан на возбуждении в
кольце виброакустических колебаний путем удара, который можно рассматривать с точки зрения ТАУ как единичное импульсное воздействие. В этом
случае зарегистрированные вибродатчиком колебания в кольце без дефекта в
виде затухающей синусоиды являются импульсной переходной функцией
(рис. 1.15), из которой можно определить добротность кольца как динамической системы. Метод разработан в СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Рис. 1.15. Импульсная переходная функция
для кольца подшипника, содержащего дефект
В том случае, когда в кольце имеется трещина, регистрируется затухающая синусоида с модуляцией амплитуды. Соответственно, вычисленная добротность будет ниже, чем у кольца без трещины, причем снижение
тем больше, чем больше размер трещины. Метод позволяет в автоматизированном режиме осуществлять оперативный контроль колец и их разбра-
ковку (рис. 1.16).
16
Рис. 1.16. Виброакустический метод
Рассмотренные методы неразрушающего контроля могут быть автоматизированы в различной степени, что существенно для повышения эффективности контроля с точки зрения как точности, производительности и
снижения влияния человеческого фактора, так и его влияния на поддержание параметрической надежности АМС.
1.2. Диагностирование сложного технологического оборудования
Одним из методов обеспечения функциональной и параметрической
надежности сложных технических систем и технологических объектов, в
том числе АМС, в условиях эксплуатации является внедрение техниче-
ского диагностирования, под которым понимается процесс определения
технического состояния объекта с определенной точностью, базирующийся на анализе данных, полученных при контроле состояния, с целью распознавания вида, состояния и места отказа. Необходимо отметить, что в
рамках технической диагностики как науки рассматривается решение ещё
двух задач: технического прогнозирования, то есть предсказания состоя-
ния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени, и
технической генетики, то есть определение состояния, в котором находился объект в некоторый момент в прошлом. Знание технического состояния объекта в любой момент времени позволяет использовать его с
наибольшей эффективностью. Знание характера и момента начала изменений в объекте позволяет в кратчайшие сроки осуществить восстановление
и тем самым повысить его надежность. Реализация системы технического
контроля и диагностирования (СКД) позволяет существенно снизить время
обнаружения отказа и локализации дефекта, что способствует повышению
значения комплексных показателей надежности АМС – коэффициентов
готовности и технического использования.
17
1.2.1. Классификация методов и средств диагностирования
Теоретическим фундаментом для определения вида технического состояния объекта (исправное или неисправное, работоспособное или неработоспособное) является общая теория распознавания образов, в соответствии с которой разрабатываются алгоритмы распознавания, основанные
на диагностических моделях. Эти модели устанавливают связь между техническим состоянием объекта и значениями диагностических параметров,
а далее принимается решение о состоянии объекта.
Теоретическим фундаментом для определения места и причины отказа объекта является теория контролепригодности, в соответствии с которой разрабатываются методы и средства получения диагностической ин-
формации и разрабатываются правила диагностирования объекта.
Теоретическим фундаментом прогнозирования технического состояния объекта является теория надежности и её раздел, связанный с изучением и построением моделей отказов, на основе которых с использованием
методов прогнозирования разрабатываются правила принятия решения при
составлении прогноза состояния объекта.
Объекты контроля и диагностирования могут быть непрерывными,
дискретными и комбинированными, вследствие чего к ним применяются
различные виды диагностирования: тестовое и функциональное.
Тестовое диагностирование предусматривает подачу на объект из
системы контроля специальных тестовых воздействий, причем в этом случае объект обычно не используется по прямому назначению. Каждое очередное воздействие назначается в зависимости от ответов объекта на
предыдущие воздействия, которые подаются как на основные, так и на дополнительные входы, организованные для целей диагностирования. Ответы объекта контроля снимаются с основных и дополнительных выходов,
называемых контрольными точками.
Функциональное диагностирование осуществляется в процессе
непосредственного использования объекта контроля по назначению, когда
на него поступают только рабочие воздействия. Это позволяет немедленно
реагировать на нарушения в функционировании объекта контроля и изменять режим его работы. Недостатком этого вида диагностирования является то, что рабочие воздействия не всегда обеспечивают как оптимальность
процесса контроля, так и необходимую глубину диагностирования.
Отдельное тестовое или рабочее воздействие и снимаемый с объекта
ответ называются элементарной проверкой объекта. Совокупность предписаний о проведении контроля (диагностирования) называется алгоритмом
контроля (диагностирования). Алгоритм задает совокупность элементарных проверок, последовательность их реализации и правила обработки результатов контроля. В результате реализации алгоритма контроля по значениям ряда параметров получают информацию о работоспособности или
18
неработоспособности объекта. При сопоставлении значений диагностических параметров с допустимыми значениями при нормальном функционировании получают информацию о характере и месте дефекта, то есть о
причине отказа.
Отказы деталей и узлов в разных объектах и в различных условиях
могут иметь совершенно разные последствия. Последствия отказов универсальных станков, имеющихся в цехе в нескольких экземплярах, при
наличии ремонтной группы достаточно легко устраняются, а работа на
время ремонта распределяется между другими станками. Отказ АМС,
встроенного в автоматизированный комплекс, приводит к остановке по-
следнего, вызывает большие убытки из-за невыполнения задания.
Задачи изучения физических свойств объектов и их возможных де-
фектов достаточно специфичны из-за многообразия отдельных классов
объектов. Если предшествующего опыта по диагностированию изучаемого
объекта нет, то существенной становится роль конструктора и технолога,
разработчиков, работающих со специалистом-диагностом. В результате
должен быть определен перечень дефектов, подлежащих обнаружению в
период разработки и в условиях производства и эксплуатации, а также
определены признаки проявления этих дефектов. При формировании перечня следует учитывать опыт эксплуатации аналогичных объектов, статистические данные по дефектам и их признакам, физику отказов и т.п. Другим результатом изучения объекта должно быть установление требуемой
точности обнаружения дефектов, т.е. глубины поиска, что необходимо для
оценки уровня контролепригодности объекта и сложности СКД.
Эффективность процессов контроля определяется качеством не
только алгоритмов диагностирования, но и средств контроля и диагности-
рования, которые могут быть следующих видов:
– по степени охвата объекта – общие и локальные;
– по структурной принадлежности – внешние и встроенные;
– по степени автоматизации – ручные, автоматизированные, автоматические;
– по специфике применения – универсальные и специализированные.
Традиционные подходы к организации диагностирования не могут
быть применены к вновь создаваемым объектам высокой сложности в связи с применением в них как элементов высокого уровня интеграции, так и
принципиально новых конструкторских и технологических решений отдельных узлов. Для таких объектов важным становится вопрос обеспечения их контролепригодности, так как она определяет степень эффективности решения задач контроля и диагностирования, влияет на производительность производства и качество изделий, а при эксплуатации определяет их коэффициенты готовности, время и затраты на ремонт, однако это
требование усложняет проектирование объектов и может привести как к
неоправданному их усложнению, так и к необходимости больших допол-
19
нительных затрат, связанных с аппаратными средствами диагностирования
(СД). Дополнительная аппаратура, кроме того, снижает надёжность объек-
та в целом.
Контролепригодность обеспечивается вводом в объект ещё на этапе
проектирования дополнительной аппаратуры – встроенных СД, созданием
дополнительных входов для подачи тестовых сигналов и дополнительных
контрольных точек с тем, чтобы выбрать приемлемый вариант в каждом
конкретном случае. Таким образом, диагностическое обеспечение закладывается на этапе проектирования объекта, обеспечивается на этапе изготовле-
ния и поддерживается на этапе эксплуатации.
Анализ методов диагностирования сложных технологических объектов (СТО) показывает, что высокое качество диагностического обеспечения достигается комплексным использованием методов и средств, отраженных выше, с обязательным учетом конструктивных и других характе-
ристик рассматриваемого объекта (в данном случае АМС).
Процесс создания СКД включает следующие взаимосвязанные этапы: анализ объекта, построение диагностической модели; выбор способа
диагностирования; определение класса неисправностей, подлежащих обнаружению и поиску; определение диагностических параметров, выбор тестов и методов контроля; разработка алгоритмов диагностирования, реализация СД, анализ результатов контроля и диагностирования, доработка ал-
горитмов и средств диагностирования.
В ряде практических случаев проектирование СТО осуществляется
без глубокой проработки вопросов организации диагностирования, автоматизации обнаружения отказов и локализации дефектов. В итоге задача диагностирования решается в лучшем случае, когда система спро-
ектирована, в худшем – когда она изготовлена. При этом создаваемые
СД узкоспециализированны, а затраты на них велики и малоэффективны. Это вызвано следующими причинами: нечеткая регламентация требований технического задания к разработке СД, недостаток финансиро-
вания, сжатость сроков проектирования, и одна из главных причин – не-
достаточная профессиональная подготовка разработчиков в вопросах
теории и практики технической диагностики.
Эти недостатки исключаются при комплексном подходе на этапе
проектирования. Разработку СД необходимо считать такой же обязательной, как и само создание объекта диагностирования (ОД), причем проекти-
рование СТО и СД необходимо выполнять синхронно во времени.
Диагностирование СТО в производственных условиях проводится:
• в период наладки оборудования;
• в период эксплуатации оборудования;
• в период плановых и внеплановых ремонтов.
Средства диагностирования можно разделить на информационные и
защитно-предохранительные. Диагностическая информация выводится на
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]