Измерение фокусного расстояния акустической линзы, используемой в ультразвуковом устройстве для определения внутренних механических напряжений
|
Введение 6
1. Ультразвуковые колебания и типы волн 9
1.1. Распространение ультразвука 12
1.2. Свойства ультразвука 13
1.3. Акустический тракт 20
1.4. Методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение 21
2. Ультразвуковой способ определения внутренних механических напряжений
в конструкционных материалах 26
2.1. Принцип построения и работы установки по определению внутренних
механических напряжений в конструкционных материалах 29
2.2. Принцип работы установки по определению внутренних механических
напряжений в конструкционных материалах 30
2.3. Сложение сигналов эхо, отраженных от частиц 32
3. Модернизация экспериментальной установки по определению внутренних
локальных напряжений в конструкционных материалах 39
3.1. Разработка и изготовление импульсного генератора 40
3.2. Разработка и изготовление широкополосного усилителя 42
3.3. Разработка и изготовление осциллографа 45
4. Проведение и обработка экспериментальных исследований 46
4.1. Измерение фокусного расстояния акустической линзы 46
4.2. Проведение опытов с образцом 46
5. Технике - экономические расчеты 52
5.1. Выбор базы для сравнения 52
5.2. Расчет комплексного показателя технического уровня (КПТУ) 56
5.3. Расчет себестоимости и эксплуатации нового изделия 58
5.4. Расчет затрат на приобретение и эксплуатацию нового изделия 65
5.5. Расчет экономического эффекта 66
5.6. Расчет интегрального показателя качества 66
5.7. Обобщение результатов 67
6. Безопасность жизнедеятельности и охраны труда 69
6.1. Требования к дефектоскопистам 69
6.2. Мероприятия по снижению воздействия вредных факторов 70
6.3. Ответственность за нарушение требований по охране труда 74
Заключение 75
Список использованных источников 77
1. Ультразвуковые колебания и типы волн 9
1.1. Распространение ультразвука 12
1.2. Свойства ультразвука 13
1.3. Акустический тракт 20
1.4. Методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение 21
2. Ультразвуковой способ определения внутренних механических напряжений
в конструкционных материалах 26
2.1. Принцип построения и работы установки по определению внутренних
механических напряжений в конструкционных материалах 29
2.2. Принцип работы установки по определению внутренних механических
напряжений в конструкционных материалах 30
2.3. Сложение сигналов эхо, отраженных от частиц 32
3. Модернизация экспериментальной установки по определению внутренних
локальных напряжений в конструкционных материалах 39
3.1. Разработка и изготовление импульсного генератора 40
3.2. Разработка и изготовление широкополосного усилителя 42
3.3. Разработка и изготовление осциллографа 45
4. Проведение и обработка экспериментальных исследований 46
4.1. Измерение фокусного расстояния акустической линзы 46
4.2. Проведение опытов с образцом 46
5. Технике - экономические расчеты 52
5.1. Выбор базы для сравнения 52
5.2. Расчет комплексного показателя технического уровня (КПТУ) 56
5.3. Расчет себестоимости и эксплуатации нового изделия 58
5.4. Расчет затрат на приобретение и эксплуатацию нового изделия 65
5.5. Расчет экономического эффекта 66
5.6. Расчет интегрального показателя качества 66
5.7. Обобщение результатов 67
6. Безопасность жизнедеятельности и охраны труда 69
6.1. Требования к дефектоскопистам 69
6.2. Мероприятия по снижению воздействия вредных факторов 70
6.3. Ответственность за нарушение требований по охране труда 74
Заключение 75
Список использованных источников 77
Тяжелые условия работы горных машин, связанные со знакопеременными и ударными нагрузками, износом оборудования, отсутствием квалифицированного обслуживающего персонала приводят к снижению надежности эксплуатации и повышению трудоемкости ремонтно-восстановительных работ.
Необходимость повышения эффективности и качества эксплуатации оборудования обуславливается как поточным характером производства, так и низкой надежностью, и малыми сроками службы деталей и узлов, что вызывает неоправданно большие трудовые и материальные затраты на ремонты. На сегодняшний день затраты на ремонт оборудования, являющегося самым трудоемким процессом, составляют около трети всех затрат на добычу полезного ископаемого, при этом около 75% выполненных ремонтных работ повторяются в течение календарного года, а оставшиеся 25% - в течение последующих 3-х лет.
Одним из направлений развития существующей на предприятиях системы планово-предупредительных ремонтов является система обслуживания и ремонтов оборудования по фактическому техническому состоянию, определяемому методами неразрушающего контроля и диагностики. Этому способствует высокий уровень развития электронно¬вычислительной техники, дающий возможность создания компактных мобильных систем диагностики и мониторинга состояния оборудования.
Пониженной долговечностью обладают, как правило, узлы и элементы металлоконструкций, имеющие концентраторы напряжений (конструктивные и ремонтные), а также сварные швы.
Сварные швы основных несущих элементов конструкций являются концентраторами напряжений, а эксплуатационные дефекты в них обусловлены различными дефектами сварки, носят случайный характер, как по времени возникновения, так и по местоположению, что не позволяет с достаточной степенью достоверности характеризовать возможность дальнейшего поведения дефекта, и тем самым, оценить возможность дальнейшей безопасной эксплуатации оборудования.
Выявление развивающихся дефектов в элементах конструкций горных машины возможно только при проведении длительного контроля (мониторинга) при существующих условиях выполнения рабочего процесса. Такие работы возможно проводить только с сопровождением методом акустической эмиссии, при этом, можно точно сказать — требуется ли незамедлительный ремонт данного элемента, или нет. Особенно эффективно эта проблема решается для условий зимнего периода времени, когда выполнение традиционного контроля и качественное проведение ремонтных работ, не представляется возможным.
Учитывая, что контроль проводится в режиме мониторинга, т.е. при эксплуатационных нагрузках, возможен контроль элементов в условиях, отличающихся от нормальных для контролируемого объекта, что наиболее полно позволяет оценить его техническое состояние и с большей точностью определить возможный срок дальнейшей безопасной эксплуатации с минимальными затратами средств и высокой эксплуатационной надежностью.
Способность установить максимально напряженную зону внутри изделия поможет предотвратить образование микротрещин, которые в дальнейшем развиваясь приводят к полноценным трещинам, а дальнейшее развитие трещин приводит к выходу из строя ответственных узлов горных машин. Так как определение напряженных областей материалов основывается на широком спектре свойств ультразвука, методы, существующие на данный момент на рынке потребления, характеризуются как неразрушающие. Этим можно объяснить весьма обширный спрос на приборы не разрушающего акустического контроля и то, какого технического прогресса они достигли на сегодняшний день. В дипломной работе будет предложен метод акустического контроля, основанный на установлении времени прохождения между ультразвуковыми импульсами с высокочастотным заполнением.
В настоящее время нет практически реализуемого способа определения локальных внутренних механических напряжений по глубине сечения конструкционных материалов, деталей механизмов и сварных швов. Поэтому необходим мониторинг состояния внутренних структур изделий из металла. Этот мониторинг может проводиться ультразвуковым методом, неразрушающим конструкционный материал. При этом в этих материалах возникают локальные внутренние напряжения, обусловленные фазовыми превращениями и термическими деформациями. Эти механические напряжения могут достигать критических значений, при которых снижается прочность материалов и происходит их разрушение. По скорости ультразвука возможно определение локальных механических напряжений, как на поверхности, так и внутри материалов. Таким образом можно контролировать технологический процесс изготовления ответственных металлоконструкций горных машин и мониторинг их состояния при эксплуатации. Опасные механические напряжения возникают в деталях и узлах, используемых в горных машинах. Исключительно важное значение имеет ультразвуковой мониторинг особо ответственных изделий: стрела, рукоять, поворотная платформа и т.д.
Необходимость повышения эффективности и качества эксплуатации оборудования обуславливается как поточным характером производства, так и низкой надежностью, и малыми сроками службы деталей и узлов, что вызывает неоправданно большие трудовые и материальные затраты на ремонты. На сегодняшний день затраты на ремонт оборудования, являющегося самым трудоемким процессом, составляют около трети всех затрат на добычу полезного ископаемого, при этом около 75% выполненных ремонтных работ повторяются в течение календарного года, а оставшиеся 25% - в течение последующих 3-х лет.
Одним из направлений развития существующей на предприятиях системы планово-предупредительных ремонтов является система обслуживания и ремонтов оборудования по фактическому техническому состоянию, определяемому методами неразрушающего контроля и диагностики. Этому способствует высокий уровень развития электронно¬вычислительной техники, дающий возможность создания компактных мобильных систем диагностики и мониторинга состояния оборудования.
Пониженной долговечностью обладают, как правило, узлы и элементы металлоконструкций, имеющие концентраторы напряжений (конструктивные и ремонтные), а также сварные швы.
Сварные швы основных несущих элементов конструкций являются концентраторами напряжений, а эксплуатационные дефекты в них обусловлены различными дефектами сварки, носят случайный характер, как по времени возникновения, так и по местоположению, что не позволяет с достаточной степенью достоверности характеризовать возможность дальнейшего поведения дефекта, и тем самым, оценить возможность дальнейшей безопасной эксплуатации оборудования.
Выявление развивающихся дефектов в элементах конструкций горных машины возможно только при проведении длительного контроля (мониторинга) при существующих условиях выполнения рабочего процесса. Такие работы возможно проводить только с сопровождением методом акустической эмиссии, при этом, можно точно сказать — требуется ли незамедлительный ремонт данного элемента, или нет. Особенно эффективно эта проблема решается для условий зимнего периода времени, когда выполнение традиционного контроля и качественное проведение ремонтных работ, не представляется возможным.
Учитывая, что контроль проводится в режиме мониторинга, т.е. при эксплуатационных нагрузках, возможен контроль элементов в условиях, отличающихся от нормальных для контролируемого объекта, что наиболее полно позволяет оценить его техническое состояние и с большей точностью определить возможный срок дальнейшей безопасной эксплуатации с минимальными затратами средств и высокой эксплуатационной надежностью.
Способность установить максимально напряженную зону внутри изделия поможет предотвратить образование микротрещин, которые в дальнейшем развиваясь приводят к полноценным трещинам, а дальнейшее развитие трещин приводит к выходу из строя ответственных узлов горных машин. Так как определение напряженных областей материалов основывается на широком спектре свойств ультразвука, методы, существующие на данный момент на рынке потребления, характеризуются как неразрушающие. Этим можно объяснить весьма обширный спрос на приборы не разрушающего акустического контроля и то, какого технического прогресса они достигли на сегодняшний день. В дипломной работе будет предложен метод акустического контроля, основанный на установлении времени прохождения между ультразвуковыми импульсами с высокочастотным заполнением.
В настоящее время нет практически реализуемого способа определения локальных внутренних механических напряжений по глубине сечения конструкционных материалов, деталей механизмов и сварных швов. Поэтому необходим мониторинг состояния внутренних структур изделий из металла. Этот мониторинг может проводиться ультразвуковым методом, неразрушающим конструкционный материал. При этом в этих материалах возникают локальные внутренние напряжения, обусловленные фазовыми превращениями и термическими деформациями. Эти механические напряжения могут достигать критических значений, при которых снижается прочность материалов и происходит их разрушение. По скорости ультразвука возможно определение локальных механических напряжений, как на поверхности, так и внутри материалов. Таким образом можно контролировать технологический процесс изготовления ответственных металлоконструкций горных машин и мониторинг их состояния при эксплуатации. Опасные механические напряжения возникают в деталях и узлах, используемых в горных машинах. Исключительно важное значение имеет ультразвуковой мониторинг особо ответственных изделий: стрела, рукоять, поворотная платформа и т.д.
Все задачи, поставленные в комплексной дипломной работе, были выполнены, а именно:
а) разработан и создан импульсный генератор для формирования импульсов напряжения с высокочастотным заполнением с изменяемой частотой повторения для определения локальных внутренних механических напряжений в металлических конструкциях ультразвуковым способом;
б) разработан и создан двухканальный широкополосный усилитель для увеличения амплитуд эхо сигналов, регистрируемых двумя приемными пьезоэлектрическими датчиками;
в) приобретение осциллограф для регистрации ультразвуковых эхо сигналов, полученных от 2-х пьезоэлектрических датчиков.
г) было проведено более двухсот опытов в результате которых были определены:
1. Фокусное расстояние линз, состоящих из двух собирающих акустических линз;
2. Оптимальное расстояние от генерирующего пьезоэлектрического датчика до главной плоскости акустической линзы и расстояние от приемного пьезоэлектрического датчика до главной плоскости другой акустической линзы;
3. Оптимальные условия регистрации ультразвуковых эхо-сигналов от внутренней области стального образца;
4. Была улучшена регистрация ультразвуковых эхо-сигналов и получены осциллограммы эхо сигналов с высоким разрешением, т. е. были выявлены отдельные пики в форме эхо-сигналов.
Полученные результаты дают основание для дальнейшей разработки ультразвукового прибора для определения внутренних механических напряжений в элементах металлических конструкций горных машин.
а) разработан и создан импульсный генератор для формирования импульсов напряжения с высокочастотным заполнением с изменяемой частотой повторения для определения локальных внутренних механических напряжений в металлических конструкциях ультразвуковым способом;
б) разработан и создан двухканальный широкополосный усилитель для увеличения амплитуд эхо сигналов, регистрируемых двумя приемными пьезоэлектрическими датчиками;
в) приобретение осциллограф для регистрации ультразвуковых эхо сигналов, полученных от 2-х пьезоэлектрических датчиков.
г) было проведено более двухсот опытов в результате которых были определены:
1. Фокусное расстояние линз, состоящих из двух собирающих акустических линз;
2. Оптимальное расстояние от генерирующего пьезоэлектрического датчика до главной плоскости акустической линзы и расстояние от приемного пьезоэлектрического датчика до главной плоскости другой акустической линзы;
3. Оптимальные условия регистрации ультразвуковых эхо-сигналов от внутренней области стального образца;
4. Была улучшена регистрация ультразвуковых эхо-сигналов и получены осциллограммы эхо сигналов с высоким разрешением, т. е. были выявлены отдельные пики в форме эхо-сигналов.
Полученные результаты дают основание для дальнейшей разработки ультразвукового прибора для определения внутренних механических напряжений в элементах металлических конструкций горных машин.