Національний технічний університет

„Харківський політехнічний інститут”

Мєшков Сергій Миколайович

УДК 620.179.13

РОЗВИТОК МЕТОДУ ТА ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРИСТРОІВ

ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЮ І ДІАГНОСТИКИ

ОБ’ЄКТІВ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ФОРМИ

Спеціальність 05.11.13 – прилади і методи контролю

та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України, м. Харків

Науковий керівник |

доктор технічних наук, професор,

Стороженко Володимир Олександрович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри фізики. |

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Ігуменцев Євген Олександрович,

Українська інженерно – педагогічна академія, м. Харків, професор кафедри систем управління та автоматизації промислових установок

доктор технічних наук, професор

Порєв Володимир Андрійович,

Національний авіаційний університет, м. Київ, професор кафедри інформаційно – вимірювальних систем |

Провідна установа |

Вінницький національний технічний університет, кафедра метрології та промислової автоматики, Міністерство освіти і науки Украіни, м. Вінниця |

Захист відбудеться „_27__” травня__ 2004 р. о _14_ год. 30_хв. на засіданні спеціалізованої ради Д 64.050.09 у Національному технічному університеті „Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

Автореферат розісланий „_16_” _квітня____ 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Метод теплового неруйнівного контролю (ТНК) досить відомий і є одним з - поміж 9 стандартизованих методів.

Сутність методу полягає у виявленні прихованих дефектів шляхом аналізу нестаціонарного температурного поля, яке виникає на поверхні об’єкта контролю в результаті теплової дії. Інформацією про наявність дефектів є локальні аномалії температурного поля. Застосування ТНК ефективно при виявленні дефектів, які відрізняються від основного матеріалу об’єкта за теплофізичними характеристиками: теплопровідністю, теплоємністю, щільністю. Перевагами ТНК є його висока інформативність, швидкодія, дистанційність, безпека та екологічність.

Яскравіше переваги ТНК проявляються при виявленні дефектів у виробах із композиційних матеріалів, багатошарових структурах, армованих, зварних конструкціях, теплозахисних оболонках та ін.

Однак порівняно з іншими методами НК (наприклад, УЗ, рентгенівським та ін.) ТНК використовується в обмежених масштабах.

З одного боку це пов’язане з невеликою кількістю вітчизняних засобів контролю – тепловізорів, радіометрів, стандартних нагрівачів.

Іншою перешкодою являється те, що метод ТНК в методичному та апаратурному плані в значною мірою розроблений для плоских виробів та об’єктів. В теперішній час практично відсутні методики, які враховують кривину об’єкту контролю, що різко знижує ефективність ТНК і перешкоджає його поширенню на великий клас об’єктів циліндричної форми, до яких належать елементи конструкцій авіакосмічної техніки, різноманітні труби та циліндри, корпуси електродвигунів, посудини Дьюара та багато інших виробів.

Як свідчить практика, для реалізації ТНК такого класу об’єктів циліндричної форми необхідно створення спеціалізованих засобів і методик контролю, які засновані на результатах аналізу теплових процесів і механізмі формування сигналу від дефекту.

У зв’язку з викладеним розробка методів і пристроїв для об’єктів циліндричної форми (ОЦФ) є актуальним завданням, вирішення якого дасть змогу поширити застосування теплового методу, підвищити якість і надійність великого класу промислових виробів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до Координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти України, проектів і госпдоговорів: 1.“Розробка пристроїв безконтактної теплової діагностики занурювальних електродвигунів”, дог. 80 - 17, № ГР 1650006398; 2. “Дослідження принципів побудови і створення радіометрів спеціального призначення”, дог. 83 – 24, № ГР 1880002473; 3. “Розробка та впровадження теплового неруйнівного контролю побутових термосів”, дог. 85-25, № ГР 01850079499; 4. “Розробка принципів побудови і використання засобів теплової діагностики машин”, дог. 171, № ДР UA01000337P; 5. “Випробування теплового неруйнівного методу якості для силових конструкцій сонячних батарей космічних апаратів”, дог. 97-11, № ДР 0197U014147; 6. “Теоретичні та прикладні основи теплової дефектометрії та томографії промислових виробів”, проект 04.03/003874 Державної науково – технічної програми 04.03 “Підвищення надійності та довговічності машин та конструкцій”, № ДР UA01000337P ; 7. “Розробка та виробництво випробувальних стендів для теплового контролю лопаток турбін та теплозахисних покриттів”, дог. № 02-04/459з-70, № ДР 0102U006534; 8. “Теоретичні та прикладні застосування термографії як інформаційного джерела визначення властивостей різноманітних об’єктів контролю”, дог. 112-1, № ДР 0100U001346; 9. “Застосування термографії як засобу теплової дефектометрії та томографії”, дог. 504, № ДР 0197U014163; 10. “Методи та прилади теплової діагностики матеріалів і виробів космічної техніки”, дог. 503 – 1, № ДР 0197U014164;

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення методів і засобів з підвищеною чутливістю та достовірністю для теплового неруйнівного контролю об’єктів циліндричної форми.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:–

побудувати узагальнену теплофізичну модель об’єкта циліндричної форми і на основі її аналізу визначити закономірності виявлення дефектів;–

розробити методики розрахунку джерел теплового збудження (ДТЗ) випромінювального типу для ТНК ОЦФ;–

розробити принципи побудови реєструючої апаратури для ТНК ОЦФ, які виходять із особливостей об’єкта, що контролюється та вимог виробництва;–

розробити методику виявлення параметрів реєструючої апаратури (радіометрів);–

розробити рекомендації стосовно побудови методик ТНК об’єктів циліндричної форми.

Об’єкт дослідження: процеси теплопередачі, що виникають у циліндричних об'єктах із дефектами при заданій тепловій дії на них і породжують проблемну ситуацію встановлення кореляції між локальними аномаліями температурного поля та прихованими дефектами.

Предмет дослідження: пристрої та методи теплового неруйнівного контролю об'єктів циліндричної форми.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились на основі вирішення прямих задач теплопровідності, методів вирішення світлотехнічних задач, теорії проектування і експертних оцінок, теорії алгебраїчних рівнянь, теорії оптико-електронних приладів. Експериментальні дослідження проводилися шляхом імітаційного моделювання і натурного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:–

розроблено узагальнену теплофізичну модель процесу теплового неруйнівного контролю циліндричних об’єктів, яка дає змогу аналізувати процеси формування сигналів від дефектів;–

методом імітаційного моделювання визначено закономірності теплової дефектоскопії ОЦФ, які в якісному відношенні узгоджуються з відомими, а в кількісному плані свідчать про вплив кривини об’єкту на вибір режиму контролю та величину сигналу від дефекту;

розроблено методику розрахунку джерел теплового збудження випромінювального типу для проведення ТНК ОЦФ;–

розроблено принципи побудови засобів ТНК ОЦФ, у тому числі щодо вибору структури оптичного блоку радіометру та мінімізації його габаритів;–

розроблено рекомендації стосовно побудови методик ТНК об’єктів циліндричної форми.

Практичне значення одержаних результатів досліджень полягає в тому, що:–

розроблено й запропоновано програму “Cylinder” для розрахунку оптимальних режимів теплової дефектоскопії ОЦФ;–

розроблено й запропоновано програму “Heat Form” для розрахунку теплових полів, які формуються джерелами теплового збудження різних типів на плоских об'єктах та ОЦФ;–

запропоновано методики виявлення параметрів радіометрів, які використовуються для теплового контролю;–

розроблено методику та радіометр для теплової діагностики посудин Дьюара;–

розроблено методики теплової дефектоскопії та радіометри для теплообмінних апаратів космічної техніки і теплозахисних покриттів;–

розроблено методику та радіометр для теплової діагностики центробіжних насосів серії ПЕД;–

розроблено стенд і методику тепловізійного контролю елементів авіаційних двигунів із сотовим покриттям.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати дисертації отримані автором самостійно: –

проведено аналітичний огляд стану ТНК для об’єктів циліндричної форми, визначено основні напрями розвитку методу;–

вирішено задачу теплової дефектоскопії для об’єктів циліндричної форми;–

розроблено підхід до побудови радіометрів для ТНК ОЦФ;–

сформовано функцію перетворення та досліджено вплив довкілля на параметри радіометра при проведенні ТНК усередині об’єкта контролю;–

розроблено апаратуру для теплової діагностики посудин Дьюара, теплообмінних апаратів космічної техніки і теплозахисних покриттів, центробіжних насосів серії ПЕД;–

розроблено методику тепловізійного контролю елементів авіаційних двигунів із сотовим покриттям.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на:–

2-й Конгрес двигунобудівників України з іноземною участю “Прогрес - Технологія - Якість”. – Рибаче -Україна. – 1997;–

Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні прилади, матеріали та технології для технічної діагностики та неруйнівного контролю промислового обладнання”. – Харків. – 1998;–

5-та міжнародна конференція “Теорія та техніка передавання, приймання та обробки інформації”. (“Нові інформаційні технології”). – Харків. – 1999. –

Третя Українська науково-технічна конференція “Неруйнівний контроль та технічна діагностика 2000”. – Дніпропетровськ. – 2000;–

Четверта Українська науково-технічна конференція “Неруйнівний контроль та технічна діагностика 2003”. – Київ. – 2003.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 14 робіт: 9 статей і 5 тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків і 4 додатків. Дисертація викладена на 154 сторінках; 39 ілюстрацій по тексту; 13 ілюстрацій на 10 стор.; 16 таблиць по тесту; 4 додатки на 9 стор.; 140 найменувань використаних літературних джерел на 14 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита сутність науково – технічної задачі, обґрунтована актуальність її вирішення, показаний зв’язок роботи з науковими планами і темами, визначені мета і задачі досліджень, сформульовані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, приведені відомості про публікації автора і апробацію результатів дисертації.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан ТНК стосовно об’єктів циліндричної форми і сформульовані основні завдання щодо розвитку цього напряму.

Висновки, отримані в результаті аналізу:

–

не досліджено вплив форми об’єкта на методику проведення контролю і процес формування сигналу від дефекту;

–

для теплової дефектоскопії ОЦФ нестандартні спеціалізовані засоби контролю більше прийнятні, ніж універсальні;–

підходи до побудови таких нестандартних спеціалізованих засобів практично відсутні;

На підставі зроблених висновків сформульовано задачі досліджень.

Другий розділ присвячено розробці узагальненої теплофізичної моделі об'єктів циліндричної форми та аналізу закономірностей процесу їх контролю.

Основними вимогами при виборі та розробці моделі були:–

урахування реальних умов проведення ТНК ( мішані граничні умови, які відображують як зовнішню теплову дію, так і тепловіддачу в довкілля; обмеження на температуру нагріву, наявність тепловіддачі через дефект);–

універсальність (довільне розташування і різнотипність дефектів, можливість вибору різних схем контролю, варіювання теплофізичних і геометричних характеристик об'єкта контролю).

Схематичне зображення моделі ОЦФ (порівняно з відомою прямокутною моделлю) показано на рис. 1, а її аналітичний опис представлено співвідношеннями (1) - (6).

Рис. 1. Геометричні подавання об'єктів контролю.

а) прямокутна модель; б) циліндрична модель.

Математичним описом циліндричної моделі є диференційне рівняння нестаціонарної теплопровідності для циліндричної системи координат (1).

(1)

з граничними умовами 2-го и 3- го роду

, (2)

, (3) | , (4)

, (5) | де , , – відповідні до осей координат зовнішні поверхні об’єкта контролю.

Умови безперервності на межі областей з різними ТФХ (об’єкт – дефект):

,

де і – індекс проміжку, який розглядається.

Аналіз розробленої моделі полягає у вирішенні прямої задачі нестаціонарної теплопровідності при варіюванні характеристик об'єкта і дефекту, параметрів процедури контролю. Параметри, що варіювали, включали:–

теплофізичні характеристики об'єкта й дефекту;–

геометричні характеристики дефекту (глибина залягання, товщина, поперечний розмір);–

тривалість теплової дії та момент реєстрації температури;–

радіус кривини об'єкта.

Для вирішення (1) було застосовано метод змінних напрямків. Було використано неявну кінцево-різничну схему зі змінним кроком.

У кількісному відношенні закономірності для ТНК ОЦФ узгоджуються з відомими для об'єктів типу пластини, а саме:–

величина сигналу від дефекту Т залежить як від геометричних параметрів дефекту (в першу чергу, від глибини його залягання), так і від співвідношення теплофізичних характеристик дефекту і об'єкта;–

існує оптимальний режим контролю, який задається тривалістю нагріву (Н) і інтервалом запізнення (З), що відповідає максимуму сигналу від дефекту Т.

У кількісному відношенні основні фактори, які характеризують процедуру ТНК (Т, Н, З) для циліндричних об'єктів, істотно відрізняються від таких для прямокутних. Ці відміни, виражені у відносних одиницях, показано на рис. 2, данні для якого отримані шляхом порівняння циліндричної моделі із прямокутною для дефектів типу порушення щільності в склопластику.

Наведені на рис. 2 данні засвідчують, що за використання прямокутної моделі для оцінки параметрів ТНК ОЦФ похибки сягають 50% і більше. Це підтверджує необхідність використання циліндричної моделі при аналізі процесів ТНК ОЦФ.

Показано, що облікові форми об'єкта контролю при визначенні режиму його проведення (виборі Н та З) дає змогу суттєво підвищити чутливість (зменшити розміри порогового дефекту) у 2 – 3 рази залежно від виду об'єкта та характеру дефектів.

Рис. 2. Відміни розрахункових значень параметрів ТНК Т (а), Н (б) між циліндричною та прямокутною моделями: (Т) = Тцил. - Тпр./ Тпр.; (Н) = Н цил. - Н пр. / Н пр. ; R – радіус кривини (0,2 м; 0,6 м; 1 м); L – розміри дефектів (4 мм, 20 мм); h – глибина залягання дефектів (1 мм, 4 мм, 7 мм).

Розроблена модель дає змогу точніше описати форму температурного перепаду над дефектом, що з практичної точки зору сприяє підвищенню достовірності визначення поперечного розміру виявленого дефекту на 5 – 75%.

У третьому розділі розглянуто питання розробки джерел теплового збудження випромінювального типу для об’єктів циліндричної форми.

Зазначено, що ефективність ТНК будь – якого об’єкта, в першу чергу, залежить від рівномірності нагріву його поверхні. Для досягнення необхідної рівномірності ( 95%) поле нагріву слід зменшити, наприклад, використати точковий нагрів променем лазера. Але з точки зору продуктивності контролю площу нагріву доцільно збільшувати, у зв’язку з чим для плоских об’єктів контролю застосовуються площадкові випромінювачі, які забезпечують одночасний нагрів плоскої поверхні, що дорівнює площі кадру тепловізора.

Згідно з теорією світлотехніки, отримано рівняння для розподілу щільності потоку енергії в смузі нагріву (6).

, при , (6)

де Q – потужність випромінювача; L – довжина випромінювача; R – зовнішній радіус ОЦФ; Z – відстань від випромінювача до поверхні ОЦФ; (, x) циліндричні координати довільної точки.

Приклад застосування отриманого рівняння (6) для розрахунку щільності потоку енергії на поверхні об’єкта циліндричної форми (R = 40 мм) наведено на рис. 3. Нерівномірність нагріву уздовж смуги 50 мм не перевищує 5%.

Рис.3. Розподілення щільності потоку енергії по поверхні об’єкта циліндричної форми.(Q =500 Вт; L = 80 мм; Zl = 30 мм; R = 40 мм)

Для циліндричних об’єктів з малою висотою (типу тонкого кільця) указане розташування смугового випромінювача неприйнятно - доводиться його вісь орієнтувати перпендикулярно до твірної. В такому випадку співвідношення для щільності потоку енергії в зоні нагріву набуває вигляду (7):

, (7)

де

Приклад розрахунку за рівнянням (7) показано на рис. 4. Зона рівномірного нагріву (нерівномірність не більше 5%) за периметром кільця досягає в 0,1 рад.

Для практичного застосування співвідношень (6) і (7) було розроблено програму “Heat Form”, яка дає змогу вирішувати і зворотну задачу – за заданою (гранично припустимою) нерівномірністю нагріву визначати вимоги до смугового випромінювача, такі як його потужність, довжина, а також розраховувати оптимальну відстань до об’єкта контролю.

Рис. 4. Розподіл щільності потоку енергії на поверхні кільця з висотою твірної 15 мм. (Q =500Вт; L =80мм; Z=10мм;R=265 мм)

На підставі тепловізій-них досліджень показано, що використання некоректних нагрівачів, які створюють нерівномірний нагрів об'єкта контролю, призводить до викривлення теплового поля, і ці викривлення можуть реєструватися як дефекти.

Четвертий розділ присвячений принципам побудови радіометрів, в основу яких покладений системний підхід, що базується на закономірності теплового методу і особливостях об’єкта контролю.

У розділі показані особливості радіометрів як оптико-електронних приладів і їх класифікація.

Запропоновані принципи основані на теорії проектування оптико-електронних приладів і вирішують задачу вибору основних параметрів радіометру залежно від типу об’єкта контролю як циліндричної, так і плоскої форми.

До розгляду взято структурну схему оптичного блоку радіометру, яка складається з елементів: оптичної системи, модулятора та приймача випромінювання (ПВ). Оптична система фокусує теплове випромінювання на чутливому елементі приймача, а модулятор забезпечує переривання потоку для формування змінної напруги на виході оптичного блоку.

Кожний елемент, який входить до схеми оптичного блоку, має певну кількість рішень, які після класифікації можливо використати для формування конструктивної концепції рішення поставленого завдання.

На підставі проведеної класифікації вдалося сформувати 10 варіантів конструкції оптичного блоку. Для порівняння цих варіантів було використано 5 критеріїв: діапазон температур, температурна чутливість, лінійна чутливість, показник швидкодії, похибка вимірювань. Зіставлення варіантів здійснювали методом експертних оцінок. Кращою було визнано структуру оптичного блоку, яка включає оптичну систему дзеркального типу і селективний приймач випромінювання з модулятором. Описаний підхід застосовано при проектуванні радіометру ИИ-30А для ТНК теплообмінних апаратів космічної техніки. Конструкцію перетворювача показано на рис. 5.

Рис.5. Конструкція оптичного блоку радіометру ИИ – 30А

1 – приймач ІК – випромінювання;

2 – модулятор;

3 – дзеркальний об’єктив;

4 – поверхня об’єкта контролю;

5 – поворотне дзеркало

Через те, що радіометр ИИ - 30А проектувався для контролю внутрішніх частин об’єкта контролю, було проведено мінімізацію габаритів його оптичного блоку. Для цього було розроблено математичну модель, яка базувалася на взаємозв’язку габаритів із такими технічними характеристиками оптичного блоку як температурна та лінійна чутливість.

Вимоги до лінійної та температурної чутливостей радіометру визначаються з результатів теплофізичного аналізу об'єкта контролю (розділ 2), який дає змогу визначити амплітуду та форму температурного перепаду, що обумовлений пороговим дефектом. Враховуючи, що кожний об'єкт ТНК має свої особливості, для повнішого узгодження параметрів радіометру з об'єктом контролю доцільно створення спеціалізованих радіометрів (оптичних блоків), призначених для контролю одного виду об'єкта або декількох однотипних.

На прикладі радіометру ИИ–30А було одержано функцію перетворення, що пов'язує значення електричного сигналу на виході оптичного блоку з температурою об'єкта контролю ТОК.

(8)

З виразу (8) видно, що до функції перетворювання входять як постійні для обраної конструкції величини, так і змінні, які залежать від зовнішніх факторів. До перших належать: Smax - спектральна чутливість у максимумі спектральної характеристики приймача; qпи –площа чутливої площадки ПВ; пи, пи, мз –тілесні кути миттєвого поля зору ОС, ПВ; м – коефіцієнт модуляції потоку, мз, мз – коефіцієнт відбивання малого дзеркала, коефіцієнт випромінювання малого дзеркала.

До другої групи параметрів (зовнішніх факторів) належать: Ток, Тср, Топт, Тк, Тпи – температура об’єкту, зовнішнього середовища, елементів оптичної системи, механічних вузлів перетворювача, коефіцієнт випромінювання ОК, К(Т) – коефіцієнт використання відповідних елементів приймачем, UЭЛ –електричний сигнал, який обумовлений шумами та дрейфом параметрів перетворювача.

За функцію перетворення було проведено оцінку впливу температури зовнішнього середовища на показання радіометра. Було встановлено, що розбіжність, викликана відхиленням температури середовища від нормальної на ± 50С, досягає 1....90 в залежно від температури об’єкту контролю. У зв’язку з цим зроблено висновок про необхідність застосування термокомпенсації, що реалізовано у радіометрі ИИ – 30А.

Принципи проектування, відроблені на ИИ – 30А, були застосовані для проектування інших радіометрів, перелік яких дано у таблиці.

Проведено оцінку виграшу чутливості теплового методу, що досягається за рахунок узгодження параметрів радіометру з вимогами, що витікають із аналізу об'єкту контролю.

У п’ятому розділі розглядається практична реалізація результатів і висновків, які отримані у процесі теоретичних та експериментальних досліджень, а саме: упровадження засобів і методик теплового контролю та діагностики об’єктів циліндричної форми в лабораторних умовах та умовах виробництва.

Основними дефектами судин Дьюара ( побутових термосів ТБ – 2,5 та ТБ –4) є дефекти, що обумовлені низьким вакуумом простору між внутрішньою та зовнішньою колбами, та локальні дефекти (порядку 10С), які пов’язані зі спіканням порошку. На підставі статистичної обробки результатів контролю було виведено інтегральний показник якості А, який було закладено в основу критерію відбракування. Комплекс, що оснований на визначенні цього критерію, складається з теплового дефектоскопа ТД–31А з двома скануючими оптичними блоками, джерела нагріву та скануючої системи. У дефектоскопі сигнали від оптичних блоків підсумовуються та порівнюються з еталонним значенням критерію А. Запропоновані методика та апаратура дали змогу підвищити достовірність контролю на 20%.

Дефектами в теплообмінних апаратах космічної техніки є зміщення каналів охолодження, заливання або засмічення перерізу. Радіометр ИИ – 30А є пристроєм реєстрації в робототехнічному комплексі ТДК–1. Сканування внутрішньої поверхні об’єкта провадиться за рахунок його обертання та вертикального переміщення оптичного блоку. Через відсутність попередніх досліджень та інформації про можливі дефекти об’єкта контролю працездатність радіометра ИИ – 30А оцінювали за його параметрами як ІЧ-системи. Поріг чутливості до температурних перепадів складав 0,30С на площадці 0,1 мм2. Для визначення параметрів радіометрів було розроблено стенд, основним елементом якого було промислове абсолютно чорне тіло (АЧТ) типа К АЧТ моделі К 11.532 з блоком регулювання температури.

Дефектами в плівкових теплозахисних покриттях є відшарування, які супроводжуються локальним підвищенням теплового опору. Особливістю радіометра ИИ–40А є наявність на оптичному блоку захисного кожуха, що охороняє його від зовнішніх теплових і електромагнітних впливів. Для калібрування сигналу в процесі контролю у конструкцію радіометра введено еталонний випромінювач. Прилад виявляв відхилення термічного опору з точністю R/R 1,5%.

Характерними видами несправності для центробіжних насосів або занурювальних електродвигунів серії ПЕД є знос підшипників і порушення електроізоляції, які супроводжуються локальними перегрівами корпуса. За термограмами, одержаними за допомогою нескануючого радіометра ИИ–21П, було встановлено: 1) дефектні ПЕД мають характерний тепловий профіль, і точка с максимальною температурою збігається з місцем дефектного затираючого підшипника або порушення електроізоляції; 2) температура корпуса бездефектних ПЕД становить 60…70С; 3) максимальне значення температури корпуса в місцях дефектів досягає 90…112С; 4) перешкода, що викликана станом поверхні ПЕД, еквівалентна зміні температури поверхні на 5С.

Основним дефектом у виробах із сотовим покриттям є відшарування сот від підкладки (непропай), яке не виявляється традиційними методами контролю. Випробувальний стенд для термодефектоскопії елементів авіаційних двигунів із сотовим покриттям включає поворотний пристрій, смуговий галогенний нагрівач і тепловізор “ИРТИС-200”. Показано, що одно- та двостороння методики теплового контролю дають змогу надійно визначати місця відшарувань.

Висновки

У результаті дослідження шляхів підвищення чутливості і достовірності теплового неруйнівного контролю об'єктів циліндричної форми одержані такі результати:

1. Для досягнення поставленої задачі розроблено системний підхід, що складається з теплофізичного аналізу об'єкта контролю з дефектами, визначення на його основі вимог до методики та апаратури контролю, розробки нагрівача та принципів побудови реєстраційного пристрою (радіометру), що відповідають зазначеним вимогам.

Застосування розробленого підходу дає змогу суттєво підвищити як чутливість ТНК ОЦФ (до 75% залежно від задачі, що вирішується), так і достовірність результатів контролю (на 20% і більше).

2. На основі розробленої теплофізичної моделі процесів ТНК ОЦФ установлені закономірності, характер яких:–

величина сигналу від дефекту Т суттєво залежить від глибини залягання дефекту h (розглядається схема однобічного контролю) і у певному ступені – від його поперечного розміру L (при L h);–

існують оптимальні значення параметрів режиму контролю – час нагріву (Н) і час запізнення (З), за яких сигнал від заданого дефекту (Т) максимальний.

3. У кількісному відношенні закономірності ТНК ОЦФ відрізняються від аналогічних, що характерні для об'єктів прямокутної форми (типа пластини), при чому тим суттєвіше, чим більша кривизна об'єкта. Зокрема, це – розрахункове значення величини сигналу від дефекту (Т), а також – оптимальні значення режиму контролю (Н,З).

4. Розроблений для проведення моделювання інструмент (у вигляді комп'ютерної програми "Cylinder", що реалізує кількісне рішення прямої задачі нестаціонарної теплопровідності в неоднорідних структурах), може бути використаний на практиці для оцінки можливості застосування теплового методу до нових класів об'єктів, для визначення вимог до методики та апаратури контролю.

5. Проаналізовано шляхи забезпечення рівномірності нагріву поверхні об'єкта контролю при використанні нагрівачів випромінювального типу різної форми. Для проведення аналізу розроблено методику розрахунку розподілу щільності потоку енергії, що враховує циліндричну форму об'єкта. Розрахунковим шляхом на основі розробленої програми “Heat Form” проведено порівняння за рівномірністю нагріву випромінювачів різної форми (площадкового, смугового та точкового). Показано, що оптимальним з точки зору підвищення чутливості контролю є смуговий випромінювач.

6. На основі комплексного підходу, теорії проектування та експертних оцінок запропоновано принципи побудови радіометрів для теплового контролю ОЦФ, які включають вибір структурної схеми, мінімізацію габаритів оптичного блоку на основі системи алгебраїчних рівнянь, складання функції перетворення, за якою оцінюють вплив довкілля на показання радіометрів. Запропоновані принципи були використані при проектуванні радіометрів ИИ – 30А, ИИ – 40А, ИИ – 21П, які впроваджено у виробництво.

7. Розроблені принципи побудови методик і засобів теплового контролю ОЦФ реалізовано при рішенні таких виробничих задач:–

оцінка якості вакуумно-порошкової теплоізоляції в посудинах Дьюара за спеціально введеним інтегральним критерієм (розроблено методику та автоматизований випробувальний стенд конвеєрного типу), запропонована методика дала змогу підвищити достовірність контролю на 20%, а продуктивність праці – у 10 разів;–

виявлення дефектів у каналах охолодження ракетних двигунів (розроблено портативний радіометр ИИ-30А);–

виявлення локальних відшарувань теплозахисних покриттів (розроблено методику і радіометр ИИ-40А), виявлені відхилені теплового опору становили R/R 1,5 %;–

виявлення механічних дефектів і дефектів електроізоляції в погружних електродвигунах без виводу їх із експлуатації (розроблено методику та радіометр ИИ-21П), випущено партію з 12 приладів;–

виявлення дефектів типу відшарування в теплозахисних і сотових покриттях вузлів авіадвигунів (запропоновано методику та виготовлено макет випробувального стенду).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Стороженко В.А., Мешков С.Н., Денисов С.С. Бесконтактный контроль тепловых режимов погружных электродвигателей// Дефектоскопия. – 1985. – № 10. – С. 86-87.

Здобувачем розроблений радіометр ИИ – 21П для теплового контролю занурювальних електродвигунів ПЕД, проведені промислові випробування.

2. Стороженко В.А.,Мешков С.Н., Денисов С.С., Чижов В.Н. Комплект измерительной аппаратуры для ТНК//Дефектоскопия.–1989.– № 3.–С.94-96.

Здобувачем розроблений стенд та методики визначення параметрів радіометрів.

3. Стороженко В.А., Денисов С.С., Мешков С.Н., Чижов В.Н., Галкин А.В., Пискунова Л.Е. Радиометр для теплового контроля с улучшенными эксплуатационными характеристиками// Дефектоскопия.–1989.– № 4. –С.85-86.

Здобувачем розроблена схема і конструкція радіометра ИИ – 40А для теплового контролю теплозахисних покриттів.

4.

Здобувачем розроблена методика тепловізійного контролю виробів із сотами для космічних апаратів.

5.

Здобувачем розроблені радіометри для температурної діагностики двигунів.

6. Мельник С.И., Мешков С.Н., Маслова В.А., Орел Р.П. Тепловой неразрушающий контроль композиционных структур и тепловая диагностика//Сб. научных трудов Международной научно – технической конференции "Современные проборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования". – Харьков. –1998. – С. 232-234.

Здобувачем проведені експериментальні випробування композиційних матеріалів та виробів з них.

7. Мешков С.Н., Гаптракипов А.А. Комплексный подход к проведению активного теплового неразрушающего контроля (АТНК) композиционных материалов// Сборник научных трудов по материалам 5-й Международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". (Новые информационные технологии"). Харьков. – 1999. – С.245 - 247.

Здобувачем розроблена методика та проведені експериментальні дослідження виробів із склопластиків.

8. Стороженко В.А., Мешков С.Н., Гаптракипов А.А. Оптимизация решения производственной задачи теплового неразрушающего контроля// Материалы конференции. Третья Украинская научно – техническая конференция "Неруйнівний контроль та технічна діагностика 2000". – Днепропетровск. – 2000. – С.240-243.

Здобувачем поставлена виробнича задача ТНК і алгоритм її вирішення.

9. Мешков С.Н., Мельник С.И. О задаче оптимизации теплового неразрушающего контроля (АТНК) промышленной продукции// Радиоэлектроника и информатика. – Харків: ХНУРЕ, – 2001. – №2. – С. 93-97.

Здобувачем сформульовані особливості оптимізації засобів ТНК.

10. Мешков С.Н. Исследование влияния условий проведения теплового контроля на точность показаний ИК-радиометра // Радиотехника. – Харьков: ХНУРЭ. – 2001. – №120. – С.149-154.

Здобувачем розроблена функція перетворювання радіометра ИИ – 21П і досліджено вплив зовнішніх умов на точність результатів ТНК.

11. Мешков С.Н., Мельник С.И. Тепловой контроль и диагностика объектов с поверхностью тел вращения // Збірник наукових праць „Фізичні методи та засоби контролю середовища, матеріалів та виробів” (Леотест 2002). – Київ - Львів. – 2002. – С.169 - 171.

Здобувачем поставлена задача теплового контролю об’єктів циліндричної форми і шляхи її вирішення.

12. Стороженко В.А., Мешков С.Н., Гаптракипов А.А. Расчет оптимальных конструкционных параметров источников теплового возбуждения для активного теплового неразрушающего контроля // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2002.–№4.– С.40-41.

Здобувачем розроблена методика розрахунку щільності теплового потоку, яка формується площадним джерелом теплового збудження на поверхні об’єкту контролю.

13. Мешков С.Н., Гаптракипов А.А. Расчет и моделирование тепловых полей, создаваемых нагревателями для активного теплового неразрушающего контроля // Радиотехника.– Харьков: ХНУРЭ. – 2002. – № 129.– С.173-178.

Здобувачем розроблені методики розрахунків щільності теплових потоків, які формуються джерелами теплового збудження різних типів на поверхні об’єктів циліндричної форми.

14. Стороженко В.А., Мельник С.И., Мешков С.Н. Тепловая дефектоскопия теплозащитных покрытий узлов авиадвигателей// Материалы конференции. 4- я Национальная научно – техническая конференция –выставка НКТД – 2003 “Неразрушающий контроль и техническая диагностика”. – Киев. – 2003. – С. 344-349.

Здобувачем розроблений стенд і методика теплової дефектоскопії теплозахисних покриттів елементів авіаційних двигунів, проведені експериментальні дослідження.

АНОТАЦІЇ

Мєшков С.М. Розвиток методу та вдосконалення пристроїв теплового контролю і діагностики об’єктів циліндричної форми. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2004.

Дисертація присвячена розробці методик і пристроїв теплового контролю та діагностики об’єктів циліндричної форми (ОЦФ). Для вирішення поставленої задачі була побудована універсальна теплофізична модель, яка проаналізована розробленою програмою „Cylinder”. Показано, що неврахування циліндричної форми об’єкта може привести до помилки у 50% і більше. Розроблено методику і програму „Heat Form” розрахунку смугових та площадкових нагрівачів для ОЦФ. Розроблені принципи побудови реєструючих пристроїв (радіометрів) на підставі системного підходу та експертних оцінок. Для радіометру ИИ – 30А розроблена функція перетворювання, на підставі якої виявлений характер впливу температури середовища на результати контролю. Розроблені методики та пристрої для теплового контролю сосудів Дьюара, теплообмінних апаратів космічної техніки, теплозахисних покриттів. Розроблена методика та прилад ИИ 21П для теплової діагностики погружних насосів. Розроблені методика та стенд тепловізійного контролю ОЦФ з сотовим покриттям для авіаційних двигунів. Застосування розроблених методик та пристроів дозволяє суттєво підвищити чутливість ТНК ОЦФ (до 75% в залежно від задачі, яка вирішується), та достовірність результатів контролю (на 20% і більше).

Ключові слова: тепловий неруйнівний контроль, об’єкт циліндричної форми, смуговий нагрівач, радіометр, тепловізійний контроль.

Мешков С.Н. Развитие метода и усовершенствование устройств теплового контроля и диагностики для объектов цилиндрической формы.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 – приборы и методы контроля и определение состава вещества. – Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2004.

Диссертация посвящена разработке методик и устройств теплового контроля и диагностики объектов цилиндрической формы (ОЦФ). Для решения поставленной задачи была построена универсальная теплофизическая модель. Для анализа модели был использован математический аппарат, на основании численного метода конечных разностей. В результате анализа модели показано, что несмотря на качественное совпадение с известными для плоских объектов результаты, закономерности ТНК ОЦФ существенно отличаются в количественном отношении, причем тем существеннее, чем больше кривизна объекта. Отличия в оптимальных значениях параметров режима контроля и величине сигнала от дефекта составляют 50% и более.

Приведен алгоритм компьютерной программы "Cylinder", реализующей численное решение прямой задачи нестационарной теплопроводности в неоднородных структурах. Программа "Cylinder" может быть использована на практике для оценки применимости теплового метода к новым классам объектов, для определения требований к методике и аппаратуре контроля.

Проанализированы пути обеспечения равномерности нагрева поверхности объекта контроля при использовании нагревателей излучательного типа различной формы. Разработана методика расчета распределения плотности потока энергии на поверхности объекта цилиндрической формы. На основании разработанной программы “Heat Form” проведено сравнение по равномерности нагрева от нагревателей различной формы (площадочного, полосового и точечного). Показано, что оптимальным с точки зрения повышения чувствительности контроля является полосовой нагреватель.

На основе комплексного подхода, теории проектирования и экспертных оценок предложены принципы построения оптического блока радиометра для теплового контроля ОЦФ, которые включают выбор структурной схемы, минимизацию габаритов, составление функции преобразования и оценку влияния температуры окружающей среды на показания оптического блока. Предложенные принципы были использованы при проектировании радиометра ИИ – 30А, внедренного в производство.

Применение разработанных методик и устройств позволяет существенно повысить как чувствительность ТНК ОЦФ (до 75% в зависимости от решаемой задачи), так и достоверность результатов контроля (на 20% и более).

Разработанные методики и средства теплового контроля ОЦФ реализованы при решении следующих производственных задач: 1) оценки качества вакуумно-порошковой теплоизоляции в сосудах Дьюара по специально введенному интегральному критерию (разработаны методика и испытательный стенд конвейерного типа); 2) обнаружении дефектов в теплообменных аппаратах космической техники (разработан портативный радиометр ИИ-30А и стенд для определения его параметров и характеристик); 3) обнаружении локальных отслоений теплозащитных покрытий (разработаны методика и радиометр ИИ - 40А); 4) обнаружении механических дефектов и дефектов электроизоляции в погружных насосах без вывода их из эксплуатации (разработана методика и радиометр ИИ-21П), выпущена партия из 12 приборов; 5) выявлении дефектов типа отслоения в теплозащитных и сотовых покрытиях узлов авиадвигателей (предложена методика и изготовлен макет испытательного стенда).

Ключевые слова: тепловой неразрушающий контроль, объект цилиндрической формы, полосовой нагреватель, радиометр, тепловизионный контроль.

Meshkov S.N. Development of Method and improvement of device for thermal control and diagnostics of the objects of cylindrical form.– Manuscript.

Dissertation for obtaining of scientific degree of Candidate of Technical Sciences in Specialty 05.11.13 – devices and methods of control and determination of substance composition. –National Technic University “Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2004.

Dissertation is devoted to investigation of peculiarities of thermal control and diagnostics of the objects of cylindrical form (OCF). For solution of this task, universal thermophysical model has been developed. For model analysis, mathematical means were used on the base of numeric method of terminal differences. It was shown, that ignoring of cylindrical form of object can bring to error of more than 50%.

The task of homogenous primary heat fields forming on the surface of OCF has been solved using line and area radiation sources. The principles of regulating devices construction were developed on the base of system approach and expert estimation. On the example of radiometer II–30A, minimizing of dimension was carried out on the base of algebraic equations system. Transformation function has been developed for radiometer, that was the base for estimation the influence of environmental temperature on the results of control. Methods and devices for thermal control of tanks, heat conversion apparatus for cosmic technique, heat protective cover have been developed. Method and radiometer II–21P for thermal diagnostics of electric motors of PED series, that are used in oil-wells, have been developed. Method and stand for thermovision control of OCF with comb cover for aviation motors have been developed. Method allows to decrease the influence of heat accumulation at impulse heating of OCF controlled zone.

Key words: thermal test, object of cylindrical form, radiation source, thermovision test.