Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства. Учебное пособие
.pdf
тельствуют о нарушении контакта конструкции с основанием. Если
максимум спектральной кривой приходится на область частот
350…700 Гц при высоком уровне спектральной плотности, то можно
говорить с большой долей вероятности о наличии в конструкции
скрытого дефекта (каверны, трещины, разуплотнения, расслоения).
Спектр без ярко выраженных максимумов, с низким уровнем спектральной плотности позволяет
сделать вывод об отсутствии наруше-
ний в данной точке.
Для прямоугольной пластины основная частота изгибных колеба-
ний может быть вычислена из выражения
hE
f
11
2
12 1
11
22
3
ab
, (6.2)
где h – толщина пластины; E – модуль упругости платины; ρ – плотность материала пластины; ν – коэффициент Пуассона пластины; a и
b – размеры пластины.
Таким образом, по возникновению резонансных явлений на участках
расслоения конструкции в промежуточных слоях можно судить о возможности применения данного метода для контроля конструкций.
Обоснование данных положений возможно
после проведения модельных и натурных исследований. Такие исследования проводятся на лабораторной модели.
В общем спектре отклика расслоившегося участка кровли будут
присутствовать также и частоты, соответствующие максимуму ударного импульса силы.
Однако амплитуда резонансных изгибных колебаний А
на частоте
изг
изгибных колебаний будет значительно выше амплитудных колебаний
на этой частоте максимума ударного спектра А
. Кроме спектральных
уд
особенностей при возникновении расслоения в кровле наблюдается
изменение длительности импульсного отклика объекта контроля на
ударное воздействие. Так, длительность ударного виброакустического
импульса в случае наличия расслоения τ
чем в случае отсутствия расслоения τ
будет значительно выше,
рас
, что, с одной стороны, также
0
влияет на спектральные особенности исследуемого объекта, а с другой –
может служить дополнительным признаком наличия расслоения при
проведении контроля.
На отмеченных спектральных особенностях поведения кровли в
случае возникновения в ней расслоений основан принцип действия
61
аппаратуры виброакустического контроля «Прогноз-1». В данной ап-
паратуре осуществляется измерение амплитуды спектральных составляющих отклика кровли на ударное воздействие на двух частотах f
, характерных для конкретного исследуемого объекта, и определе-
f
уд
изг
и
ние отношения этих амплитуд β
где А(100) – амплитуда характерной частоты f
изгибных колебаний; А(2000) – амплитуда характерной частоты f
100 / 2000AA , (6.3)
= 100 Гц спектра
изг
=
уд
= 2000 Гц спектра ударного возбуждения.
Измерение амплитуд сигнала на частотах f(100) и f(2000) осуществляется путем фильтрации входного сигнала с использованием полосовых фильтров. Ударное возбуждение кровли осуществляется с
помощью электромагнитной системы.
Экспериментальные исследования в условиях известняковых
шахт позволили определить критерии устойчивости кровли по результатам виброакустических измерений:
– при β
– 0,4 < β
– β
< 0,17 – кровля устойчива;
1
< 0,17 – зона неустойчивых состояний;
2
> 0,4 – кровля находится в опасном состоянии.
3
В условиях других месторождений этот количественный критерий
может изменяться.
6.2. Контрольные вопросы
1. Чем отличаются система с распределенными параметрами от
системы с одной степенью свободы?
2. Что характеризует добротность колебательной системы?
3. Что характеризует собственная функция?
4. Что такое мода колебаний?
5. Какие виды колебаний можно возбудить в пластине?
6. Почему для виброакустического контроля используют изгиб-
ные колебания пластины?
7. От чего зависит собственная частота изгибных
стины?
8. Как определяется критерий устойчивости кровли в аппаратуре
«Прогноз-1»?
9. Приведите характерный спектр виброакустического импульса и
объясните его особенности?
10. Что характеризует длительность виброакустического импкульса?
колебаний пла-
62
11. На спектрограмме (рис. 6.7) выделены две резонансные часто-
ты. Объясните, что это за частоты?
12. Приведите возможные области применения данного метода?
6.3. Описание лабораторной установки
Измерения проводятся на модели расслоившейся кровли, представляющей собой массивную пластину из плексигласа. В качестве
расслоившегося участка используют тонкий лист из плексигласа,
консольно закрепленный на нижнем основании основной пластины.
С помощью специального винта возможно создание полного контакта тонкой пластины с основанием (случай приближающейся к условию нерасслоившейся кровли), а также
и основанием – расслоившаяся кровля (рис. 6.5).
Создание механических колебании в модели производится с помощью электромеханического генератора колебаний (ГМК), смонтированного на одном основании с моделью кровли. Он возбуждается
генератором электрических звуковых колебаний типа Г3-123. Частота повторения механических ударов (частота электрического сигнала
с выхода звукового генератора)
соответствует fп = 10 Гц.
создание зазора между слоем
Рис. 6.5. Лабораторная установка
Механические колебания модели принимаются пьезоэлектрическим акселерометром типа КД-32, имеющим равномерную чувствительность в диапазоне частот от 1 Гц до 30 кГц. В качестве предварительного усилителя электрического сигнала с выхода пьезоприемника используется виброизмеритель типа П013.
63
С выхода виброизмерителя сигнал подается на вход осциллографа
С1-98 и на спектроанализатор СК4-56. С помощью осциллографа
наблюдаются виброакустические импульсы, измеряются их амплитуда и длительность. Спектроанализатор служит для проведения последовательного спектрального анализа периодически повторяющихся виброакустических импульсов, целью которого является измерение частоты спектральных выбросов и их амплитуды.
6.4. Порядок выполнения работы
6.4.1. Подготовка к измерениям
1. Включить используемые в схеме измерений приборы.
2. Синусоидальное напряжение с выхода звукового генератора
должно иметь следующие параметры: частота f
напряжение U
= 40 В.
воз
3. При подаче сигнала с выхода виброизмерителя на вход осцил-
лографа ручками «
развертка, усилители, плавно Y1» добиться то-
го, чтобы на его экране наблюдался весь единичный виброакустический импульс с максимально возможной амплитудой и при максимально возможной длительности развертки.
4. Подать сигнал с выхода виброизмерителя на вход (0,01…60 кГц)
спектроанализатора и добиться оптимального режима измерений.
5. Откалибровать спектроанализатор по частоте (по амплитуде он
откалиброван заранее). Для этого
а) ручку «
б) вращая ручку «
развертка» перевести в положение «ручная»;
ручная» перевести световую метку в начало ко-
выполнить следующие операции:
ординатной сетки;
в) вращая ручки «
грубо» и «точно» добиться, чтобы показание
частоты на световом табло соответствовало 00000 Гц;
г) при дальнейших измерениях при выбранных режимах (пп. 1–5)
положение этих ручек не изменять!
д) вернуть ручку «
развертка» в первоначальное положение «авт».
= 10 Гц, выходное
п
6.4.2. Измерение параметров виброакустического импульса
Подать исследуемый сигнал на вход осциллографа. Измерить амплитуду первой фазы высокочастотной составляющей виброакустического
импульса А
щей импульса А
пульса Т
64
и первой положительной фазы низкочастотной составляю-
1
. Измерить период высокочастотной составляющей им-
2
и низкочастотной составляющей T2 и τ – длительность всего
1
виброакустического импульса (рис. 6.6) при двух условиях состояния
р
t
,
A
A2T
T
кровли; 1 – без расслоения:
(с отпущенным винтом):
U, мв
1
1
2
б.рб.рб.рб.рб.р
; ; ; ; ;AAT T
121 2
рррр
; ; ; ; .AATT
1212
τ
2 – с расслоением
, мс
мс
Рис. 6.6. Форма импульса
Рис. 6.6. Форма импульса
По известным периодам рассчитывают видимые частоты
jjjjjj
1/ ; 1/ . /
f и ff Tf T
1211221
Результаты записывают в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Условия
измерений
Без расслоения
С расслоением
A
, мВ A2, мВ T1, мс T2, мс f1, Гц f2, Гц τ, мс
1
6.4.3. Измерение параметров спектрограммы
виброакустического импульса
Подать исследуемый сигнал на вход спектроанализатора. В каждом
из двух случаев состояния модели (см. подразд. 6.4.2) добиться, чтобы
на экране спектроанализатора наблюдалась ярко выраженная спектрограмма виброакустического импульса при максимально возможном
уровне усиления, который может быть выбран с помощью выбора соответствующего положения ручки «
номинальный уровень».
65
Зарисовать спектрограммы для каждого случая (рис. 6.7).
f1f
f
f
j
f
j
f
j
f
j
f
S,
мВ
min
Рис. 6.7. Спектр виброакустического импульса
2
ma x
f, кГц
Измерить при двух указанных в подразд. 6.4.2 условиях состояния
кровли частоту характерных спектральных двух максимумов и их амплитуду:
jj j
; ; ;
fAA
121 2
При измерении частоты
ручку
«ручная», добиться, чтобы световая метка (маркер) совпала с
, а также частоту начала
спектрального максимума, вращая
i
и конца
min
спектра.
max
максимумом амплитуды данного спектрального максимума. В этом
случае цифра на световом табло прибора будет соответствовать измеряемой частоте.
Амплитуда спектрального максимума определяется с помощью
координатной сетки.
Результаты измерений заносят в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Условия измерений f
Без расслоения
С расслоением
, Гц f2, Гц A1, мВ A2, мВ f
1
, Гц f
min
max
, Гц
6.5. Обработка результатов
6.5.1. Измерение параметров
виброакустического импульса
После получения исходных данных проводят расчет следующих
параметров и вводят в табл. 6.3–6.5.
66
Таблица 6.3
Условия измерений Без расслоения С расслоением
Видимая нижняя частота импульса f1, Гц
Видимая верхняя частота импульса f2, Гц
Коэффициент n(T)
Коэффициент n(A)
Коэффициенты n(T) и n(A), представленные в табл. 6.3, имеют
следующую структуру:
ii
nT n A
TA
11
(6.5)
; ,
TA
22
при i = б.р – без расслоения; i = р – с расслоением.
Таблица 6.4
Сравнительные коэффициенты Значение
n(A1)
n(A2)
n(T1)
n(T2)
n(τ)
Коэффициенты, указанные в табл. 6.4, вычисляются следующим
образом:
рррр
AATT
nn nn n
Степень изменения параметров Значение
1212
; ; ; ;
AA TT
б.рб.рб.рб.рб.р
12121
AATT
1212
δn(A)
δn(T)
р
. (6.6)
Таблица 6.5
Коэффициенты, представленные в табл. 6.5, рассчитываются по
формулам:
рр
nn
AT
nA nT
11
;
б.рб.р
nn
AT
11
. (6.7)
6.5.2. Измерение параметров спектрограммы
виброакустического импульса
По экспериментальным данным заполняются табл. 6.6, 6.7.
67
Коэффициент Без расслоения С расслоением
f
f
(кр
)
m(f)
m(F)
m(A)
Коэффициенты m(f), m(F), m(A) определяются как:
ii
ii i
mm m
11
; ;
fF A
i
2min2
i
f
max
ii
fA
A
, (6.8)
при i = б.р – без расслоения; i = р – с расслоением.
Коэффициент Значение
δA
δf
δF
δA
кровли
δA
овли-модели
Коэффициенты, указанные в табл. 6.7, имеют следующий вид:
рр
mm
AF
Af F
; ;
б.рб.рб.р
mm m
Af F
р
m
f
. (6.9)
Таблица 6.6
Таблица 6.7
Значение δA
Коэффициент δA
определяется согласно соотношению:
кровли
β
δβA
кровли
(кровли-модели)
A
кровли-модели
рассчитывается по формуле
3
. (6.10)
AA
кровли
A
кровли
. (6.11)
6.5.3. Оценка резонансных частот изгибных
колебаний модели
Измерив размеры тонкой пластины с учетом характеристик плек-
сигласа: Е
= 0,32·1010 Н/м2; = 0,35; δ = 1,18·103кг/м, по формуле
пл
(6.2) рассчитать основную частоту изгибных колебаний расслоения,
сравнить с f
68
в табл. 6.2 и объяснить причины расхождения их значений.
1
На основании условий критериев устойчивости
A
i
m для данной
модели и объяснить причины различия значений этого критерия экспериментально установленными.
6.6. Оформление отчета
1. Представить блок-схему установки.
2. Представить графическое изображение виброимпульса и его
спектра.
3. Представить расчетные формулы и табл. 6.1 и 6.2 с результата-
ми измерений.
4. Представить результаты расчетов в виде табл. 6.3–6.7.
5. Представить расчет частоты f
и критерий устойчивости для
0изг
модели.
6.7. Тестовые задания для самопроверки
1. Под импедансом среды понимают:
а) произведение скорости продольной волны на модуль Юнга;
б) произведение плотности среды на скорость продольной волны;
в) разность продольной и поперечных волн в среде;
г) амплитуду отклика среды на ударное водздействие.
2. При использовании метода толщинного резонанса о наличии
полости за обделкой судят:
а) по смещению максимума
б) уменьшению добротности сигнала;
в) увеличению добротности сигнала;
г) уменьшению амплитуды сигнала.
спектра в область высоких частот;
3. При реализации метода толщинного резонанса в качестве ис-
точника упругих колебаний используют:
а) пьезоэлектрический преобразователь;
б) ударное воздействие металлического шарика;
в) пьезоэлектрический преобразователь или ударное воздействие
металлического шарика;
г) источник упругих колебаний в
этом методе не требуется.
4. Виброакустический метод основан:
а) на анализе изгибных колебаний участка крепи;
б) анализе скорости прохождения продольной волы в среде;
в) анализе многократно отраженной продольной волны;
69
г) анализе отношения амплитуды изгибных колебаний к амплиту-
де поперечной волны.
5. Какой вывод об устойчивости кровли можно сделать, если по
результатам измерений коэффициент β оказался равным 0,024:
а) кровля устойчива;
б) кровля находится в неустойчивом состояний;
в) кровля находится в опасном состоянии;
г) нельзя определить состояние кровли.
6. При контроле крепи эхо
-методом типичный диапазон частот
ультразвуковых колебаний составляет:
а) от 20 до 20 000 Гц;
б) от 50 до 200 кГц;
в) от 600 до 1200 кГц;
г) более 1 МГц.
7. На что влияет размер стального шарика при реализации метода
толщинного резонанса:
а) длину излучаемой волны;
б) частоту излучаемых колебаний;
в) размер выявляемых дефектов;
г) все вышеперечисленное.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]