КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Все множество состояний объектов контроля в ряде случаев целесообразно разделить на два подмножества: работоспособных и неработоспособных состояний. Так, при подготовках к полетам, важно, прежде всего, определить, в каком из этих подмножеств находится объект. При контроле демонтированного или не демонтированного электромеханизма часто требуется определить его работоспособность, не производя разборки. При выполнении глубокого контроля состояния или ремонта требуется убедиться в отсутствии скрытых механических повреждений в отдельных деталях механизмов, трубопроводах, емкостях для газов и жидкостей.

Все методы контроля работоспособности можно разделить на две большие группы: физические и параметрические.

Физические методы принято называть методами неразрушающего контроля. Они основаны на использовании различных физических явлений, сопутствующих работоспособным и неработоспособным состояниям объектов. Физические методы, в свою очередь, также могут быть разделены на две группы. Одна из этих групп методов используется для контроля деталей объектов при их нерабочем состоянии, а вторая - при статических режимах работы объектов контроля.

В нерабочих состояниях объекта физические методы контроля обеспечивают определение скрытых механических повреждений и дефектов в деталях (появление скрытых сквозных и несквозных микротрещин, внутренних раковин и посторонних включений, изломов и т. д.). Для этих целей нашли широкое распространение оптические, капиллярные, магнитные, токовихревые, ультразвуковые, радиолокационные методы.

Физические методы для контроля объектов в их рабочих состояниях обеспечивают выявление недопустимых износов и повреждений в сопряженных подвижных деталях механизмов (подшипниках, кривошипных механизмах). К таким методам относятся тепловые и акустические, методы статистической обработки случайных колебаний выходных параметров объектов контроля.

Параметрические методы контроля работоспособности основаны на измерении и соответствующем функциональном преобразовании результатов измерений и оценке выходных и внутренних параметров объектов контроля. Эти методы обеспечивают контроль объектов в их нерабочих состояниях, в статических и динамических режимах работы. К параметрическим относятся методы контроля работоспособности отдельных элементов электрических схем объектов - резисторов, реактивных сопротивлений, контактов, изоляции и т. п. Как правило, эти элементы контролируются в нерабочих состояниях объектов. В статических и динамических режимах работы контролируются соответственно статические и динамические характеристики выходных параметров объектов контроля.

Контроль состояния деталей механизмов неразрушающими методами называется дефектоскопическим [24]. Дефектоскопический контроль в условиях эксплуатации авиационной техники должен учитывать следующие особенности: поверхности контролируемых деталей имеют различные покрытия (окисные пленки, краски, загрязнения, нагары и т. д.), механические повреждения; зоны, в которых возникают эксплуатационные дефекты, как правило, известны до проведения контроля; проверяемые детали находятся в механизме и часто труднодоступны; работы по контролю могут проводиться в различных погодных и климатических условиях и на открытых стоянках самолетов. В связи с этими особенностями технические средства дефектоскопии должны быть универсальными, портативными и малогабаритными, простыми и надежными в условиях эксплуатации.

10.2. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Оптический метод контроля основан на применении оптических приборов для осмотра наружных и внутренних поверхностей деталей и агрегатов. При этом выявляются такие дефекты, как коррозия, раковины, трещины, вмятины, местный наклеп, подгары, окисления, следствия электрической эрозии деталей электрических и других устройств. Применение различных оптических приборов для осмотра труднодоступных мест на агрегатах и приборах сокращает время и трудозатраты на проверку состояния авиационной техники.

Оптический контроль осуществляется с помощью различных луп, механически управляемых зеркал (с изменяемым углом наклона), технических эндоскопов. Для общего осмотра и поиска достаточно крупных наружных дефектов применяют обзорные лупы ЛПК-471, бинокулярные налобные лупы БЛ-1 и БЛ-2 Микроскопы обычно применяют в стационарных условиях лаборатории. Используются бинокулярные микроскопы БМ-51-2, МБС-2, МБС-3 и др. Контроль удаленных объектов выполняют телескопическими лупами (ЛПШ-474, ТЛА). С помощью гибких эндоскопов можно осматривать внутренние поверхности емкостей (баллонов) для хранения кислорода, других газов и жидкостей, а также трубопроводов любых конфигураций. Свет и изображение контролирующей поверхности в эндоскопах передаются оптоволоконными линиями.

Капиллярные методы основаны на капиллярном проникновении специальных индикаторных жидкостей в полости поверхностей и сквозных несплошностей объектов контроля (трубопроводов, герметических сосудов, корпусов электрических аппаратов и их деталей и т. п.) и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью специального проявителя.

Контролируемые детали могут быть изготовлены из любых материалов. Сущность контроля заключается в следующем. Контролируемая поверхность детали очищается от загрязнений и лакокрасочных покрытий и высушивается. При подозрении на имеющиеся сквозные дефекты в баллонах и трубопроводах, которые находятся под избыточным давлением газа, жидкости, их полости освобождаются от этих веществ, давление газа доводится до атмосферного.

На обработанную поверхность наносят слой индикаторной жидкости — пенетранта, который проникает в полости дефектов под действием капиллярных сил. Через некоторое время избыток пенетранта удаляют, а на поверхность наносят слой специального быстро сохнущего проявляющегося состава, порошка или суспензии. Этот проявитель вытягивает пенетрант из полостей дефектов. Пенетрант сорбируется (поглощается) проявителем, в результате чего последний окрашивается или люминесцирует под воздействием ультрафиолетового излучения. На поверхности детали проявляются тонкие линии рисунка дефекта. Лучше выявляются дефекты, у которых глубина в 5-10 раз больше, чем ширина. При температуре 15-20°С этот метод обладает наибольшей чувствительностью и обеспечивает обнаружение трещин глубиной свыше 0,01 мм и шириной раскрытия более 0,001 мм.

В зависимости от способа получения изображения дефекта капиллярные методы делятся на цветной, люминесцентный, люминесцентно-цветной. В качестве проникающей жидкости при цветном методе применяется ярко-красный раствор жирорастворимого красителя в смеси с органическими растворителями, обладающими большой капиллярностью (бензолы, керосины и др.).

Люминесцентный метод контроля основан на свойствах некоторых пенетрантов проникать вглубь дефектов и ярко светиться при облучении их ультрафиолетовым светом. В качестве люминесцирующей жидкости применяются: шубекол (реформированный керосин); смесь из 85% керосина и 15% трансформаторного масла. Проявителем дефектов может служить химически чистый порошок окиси магния.

Магнитный метод является одним из наиболее распространенных неразрушающих физических методов дефектоскопии. Он применяется для определения наличия или отсутствия несплошностей в ферромагнитных деталях механизмов. Этот метод контроля основан на выявлении магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами при намагничивании детали.

Если на пути магнитных силовых линий детали встречается дефект (трещина, раковина, немагнитные включения), то в этом месте силовые линии искривляются, огибая место дефекта. При этом они могут выйти за пределы поверхности детали. На поверхности создаются локальные магнитные полюсы с соответствующими полями рассеяния. Если дефект с его осевой линией расположен внутри материала вдоль магнитных силовых линий, то магнитное поле искривляется незначительно и может не иметь выходов на поверхность детали. Поэтому выявление таких дефектов затруднено или требует проверки детали поочередно в двух взаимно перпендикулярных магнитных полях.

Магнитное поле, рассеянное над дефектом, может быть обнаружено с помощью магнитного порошка, феррозонда и других средств магнитных измерений. Наиболее широкое распространение находит простой метод обнаружения магнитного поля над дефектами с помощью ферромагнитного порошка. Этот порошок может применяться в составе суспензий, где он находится во взвешенном состоянии в специальной смачивающей жидкости, или применяться в сухом виде путем распыления на контролируемую поверхность.

Искажения магнитных силовых линий вызывают соответствующие концентрации порошка в местах расположения дефекта. При этом образуется рисунок дефекта — магнитограмма. Поскольку ширина полосы из осевшего на поверхности порошка значительно больше ширины самой трещины, то данным методом определяют мельчайшие трещины и другие несплошности. При использовании суспензии с магнитолюминесцентным порошком выявляются трещины шириной более 0,0001 мм и глубиной более 0,005 мм.

В зависимости от магнитных свойств материала детали может применяться два способа контроля — по остаточной намагниченности детали и по приложенному магнитному полю. В первом случае после намагничивания деталь извлекают из намагничивающего поля, а во втором - магнитную суспензию наносят во время нахождения детали в намагничивающем поле. После проведения магнитного контроля деталь должна подвергнуться тщательному размагничиванию, иначе остаточное намагничивание может оказать существенное влияние на точность показаний навигационного оборудования летательного аппарата.

Для магнитометрических измерений полей рассеяния над дефектами могут использоваться феррозонды. Феррозонд представляет собой катушку с двумя обмотками и ферромагнитным стержнем диаметром до 1 мм. По первичной обмотке пропускается ток высокой частоты. Напряжение вторичной обмотки зависит от индуктивного сопротивления магнитного стержня. Это сопротивление меняется, когда стержень попадает в зону концентрации магнитных силовых линий на поверхности детали. Измеряя вторичную ЭДС, выявляют место дефекта.

Метод вихревых токов обеспечивает контроль на отсутствие следов повреждений в деталях из магнитных и немагнитных материалов: трещин под слоем лакокрасочного покрытия или окислов и смазок, подповерхностных и поверхностных пустот, посторонних включений в материале детали на глубине до 1 мм. Выявляются поверхностные трещины длиной от 0,6 мм и шириной не менее 0,01 мм.

Сущность метода заключается в следующем. Контролируемый участок поверхности детали помещают в переменное магнитное поле. Его источником служит катушка, питаемая переменным током достаточно высокой частоты. В результате в металле детали возникают вихревые токи. Их магнитный поток оказывает размагничивающее действие на катушку, вследствие чего результирующий поток катушки уменьшается, уменьшается ее индуктивное сопротивление и возрастает приведенное активное сопротивление (за счет активного сопротивления, вносимого из детали).

Наличие дефектов в детали вызывает уменьшение ее местной электропроводности и, следовательно, вихревых токов и тока в катушке. Зная значения тока катушки при контроле бездефектной детали, по изменению тока определяют место дефекта в контролируемой детали. (В процессе контроля измерительная головка дефектоскопа перемещается по поверхности детали, последовательно «ощупывая» таким образом все точки поверхности детали.)

Вследствие наличия поверхностного эффекта вихревых токов эти токи уменьшаются по глубине материала детали. Наибольшее значение токов имеет место на самой поверхности материала. За условную глубину h_Q проникновения вихревых токов принимается расстояние от поверхности до уровня, на котором плотность вихревых токов уменьшается до 37% от поверхностного значения. Эта глубина определяется зависимостью

Где ν – электропроводность материала детали; μ - магнитная проницаемость материала; f— частота возбуждающего тока.

Глубину проникновения вихревых токов можно изменять в основном за счет частоты f.В зависимости от материала и толщины детали применяются частоты от нескольких герц до нескольких мегагерц. Наибольшее распространение токовихревые дефектоскопы нашли на заводах-изготовителях авиатехники и на ремонтных заводах.

Ультразвуковые методы основаны на способности ультразвуковых колебаний распространяться в материале детали в виде направленных пучков и отражаться как от границ раздела сред: от противоположной поверхности детали, от внутренних дефектов - трещин, раковин, расслоений и т. п. Метод обеспечивает контроль деталей, изготовленных из любых материалов, обнаруживает поверхностные и внутренние дефекты деталей, дефекты пайки, склеивания. При этом могут быть не только выявлены дефекты, но и определены их размеры и координаты положения.

Для контроля деталей несложной формы и малой толщины используют теневой метод. К одной стороне прикладывают источник колебаний, а к другой - их приёмник. О наличии дефекта судят либо по уменьшению энергии колебаний за зоной дефекта, либо по изменению фазы колебаний, огибающих дефект.

Для деталей сравнительно большой толщины используется импульсный эхо-метод ультразвуковых колебаний. При этом методе короткие электрические импульсы колебаний посылаются от генератора на специальный щуп с пьезодатчиком, который преобразует их в ультразвуковые импульсы и посылает последние в контролируемую деталь. Отраженные импульсы принимаются этим же щупом (в периоды между посылками импульсов).

На экране осциллографа получаются посылаемый импульс 1 и отраженный 2 от противоположной стороны (конца) детали. Если на пути колебаний встречается дефект, то между отметками 1 и 2 на экране осциллографа появляется импульс 3, отраженный от дефекта. О расстоянии дефекта от поверхности детали судят по расстоянию между импульсами 1 и 3 на экране. Для контроля крупных деталей могут использоваться также резонансный и импедансный ультразвуковые методы. В авиационной промышленности, на ремонтных заводах и на эксплуатационных предприятиях применяется ряд типов стационарных и переносных ультразвуковых дефектоскопов, предназначенных для контроля изделий.

Радиационные методы контроля основаны на использовании проникающих излучений: рентгеновских, гамма-лучей радиоактивных изотопов, бета-лучей и нейтронных. Дефекты к материалах контролируемых деталей определяются в результате оценки степени ослабления интенсивности излучений при прохождении их через деталь. Так, проникающие излучения, прошедшие через плотный материал, имеют меньшую интенсивность по сравнению с лучами, встретившими на своем пути раковины, трещины, рыхлоты.

Для регистрации результатов контроля используются рентгеновские фотопленки, флюоресцирующие экраны, сцинтилляционные счетчики, электронно-оптические преобразователи с экраном для визуального наблюдения рентгенографического изображения детали. Контроль радиационными методами осуществляется с помощью различных типов стационарных и переносных установок.

Скрытые дефекты в элементах схем электрического и радиооборудования могут выявляться при помощи рентгенотелевизионных микроскопов, которые позволяют получить на экране изображение объекта контроля с увеличением до 30 раз при высокой разрешающей способности. Путем сравнения получаемой и эталонной рентгенограмм определяется наличие или отсутствие дефектов в контролируемом изделии.

Радиационный контроль - сравнительно сложный и трудоемкий процесс. Такой контроль целесообразен лишь тогда, когда неэффективны более простые и экономичные методы: визуальнооптический, магнитный, капиллярный, ультразвуковой, токовихревой.

Тепловые методы контроля работоспособности электрических устройств применяются при рабочих режимах работы этих устройств и основаны на анализе теплового (инфракрасного) излучения элементов, деталей или всего устройства. Интенсивность теплового излучения зависит от электрических характеристик элементов устройства, от их технического состояния. Работоспособное устройство имеет определенную картину излучений. Изменение этой картины свидетельствует об изменении режима работы, технического состояния элементов устройства. Увеличение интенсивности теплового излучения отдельных деталей, элементов электрической схемы может быть следствием их перегрева, связанного с появлением дефектов. Своевременное обнаружение этих дефектов позволяет принять меры, исключающие отказ всего устройства.

В зависимости от способа получения характеристик излучения тепловые методы контроля делятся на контактные и неконтактные.

К контактным методам относятся:

• измерение температуры в контролируемых точках объекта помощью встроенных термопар. Этот метод широко используется в авиации для измерения температуры газов авиадвигателей и головок цилиндров поршневых двигателей, температуры подшипников опор вала авиадвигателей;

• использование температурно-чувствительных красок и составов, изменяющих цвет при достижении определенной температуры детали, на которую они нанесены. Так контролируются многие резисторы в электрических и радиотехнических схемах;

• применение жидкокристаллических соединений, цвет которых обратимо изменяется в зависимости от температуры их капсул, закрепленных на контролируемом объекте. В настоящее время имеются жидкокристаллические соединения, позволяющие измерять разности температур 0,1°С в диапазоне 10°С-100°С.

К неконтактным относятся:

• методы эвапографии, основанные на испарении специальных жидкостей под действием тепловых излучений деталей объекта и последующей конденсации пара на тонкой мембране с целью получения видимого изображения теплового поля;

• метод использования свойств люминофоров изменять интенсивность своего свечения под действием температуры. Разработаны люминесцентные термографы, яркость свечения которых изменяется на 20% при изменении температуры на 1°С [4];

• метод получения теплового изображения объекта контроля на экране электронно-оптического преобразователя инфракрасных излучений (этот принцип широко используется в известных приборах ночного видения).

Недостатки тепловых методов контроля следующие: сложность реализации контроля состояния подвижных элементов объектов; большая тепловая инерция объектов контроля, вследствие чего по нагреву электрического агрегата в целом нельзя сделать уверенного вывода о техническом состоянии его отдельных частей; необходимость хорошего доступа к электрической схеме объекта для наблюдения теплового изображения в приемных устройствах электронно-оптического преобразователя, что практически затруднено в условиях эксплуатации на летательном аппарате. Эти методы целесообразны в условиях лабораторий эксплуатационного предприятия.

Акустические и вибрационные методы. Техническое состояние различных механизмов и машин может быть оценено по таким параметрам, как шум и вибрации в процессе их работы, которые являются следствием деформаций и напряжений в деталях, взаимодействий деталей друг с другом и с внешней средой. Шум и вибрации характеризуют как общие свойства машины, так и свойства ее отдельных элементов.

В процессе диагностирования шум или вибрация преобразуются с помощью микрофона или виброметра в сигнал, который поступает в устройство обработки соответствующей информации.

Шум и вибрация обладают большой информативностью. Они имеют широкий спектр сигнала и их параметры образуют многомерный вектор. В отличие от них температура корпуса машины, например, практически является одномерной величиной вследствие большой тепловой инерции массы машины.

Каждому состоянию машины соответствуют определенные акустические и вибрационные сигналы, которые требуется распознать в процессе диагностирования. При этом основная проблема заключается в борьбе с помехами, которые искажают сигнал и затрудняют его расшифровку. Из бесконечного числа возможных состояний машины по определенному признаку должно быть отобрано конечное число, которое подлежит распознаванию при диагностировании.

В результате такого отбора различные состояния машины, для которых значения выбранного признака находятся в каком-то определенном диапазоне, относятся к одной области, т. е. к одному классу, и не различаются при диагностировании. Объединенные в один класс различные состояния не являются источником одного и того же сигнала. Следовательно, машины, находящиеся в одном и том же номинальном состоянии, т. е. в одном классе состояний, излучают различные сигналы, если их действительные состояния несколько различны.

Как уже указывалось в гл. 9, все множество состояний может быть разделено на два класса - работоспособное и неработоспособное. Но оба эти класса имеют большое число градаций и, следовательно, не могут излучать четко определяющего сигнала. Вариация сигналов в пределе одного класса состояний является помехой для диагностирования.

Задача акустического и вибрационного диагностирования сводится к опознаванию сигнала, излучаемого исследуемым механизмом, и отнесению его к одному из этих классов. Поэтому диагностическое устройство в качестве априорной должно содержать информацию о сигналах, соответствующих различаемым состояниям механизма.

В зависимости от вида информации о сигнале, хранящейся в памяти системы контроля, и от алгоритма диагностирования различают следующие методы акустического или вибрационного диагностирования:

1. В памяти системы контроля хранятся N временных реализаций сигналов, соответствующих N различным состояниям и механизмам. В процессе диагностирования вычисляется взаимная корреляционная функция каждого из этих сигналов с сигналом, излучаемым механизмом. Состояние механизма относится к тому из S состояний, с сигналом которого излучаемый сигнал имеет наибольшую корреляцию.

2. В памяти системы контроля хранятся статистические характеристики типовых реализаций сигналов (т. е. при заданных определенных состояниях) - законы распределения, корреляционные функции или энергетические спектры. В процессе диагностирования вычисляется одна из указанных статистических характеристик излучаемого механизмом сигнала, и эта характеристика сравнивается поочередно с набором, хранящимся в памяти. Критерием близости характеристик служит или среднее квадратическое отклонение одной функции от другой, или максимальное отклонение.

Рассмотрим принципы обработки сигналов шума с целью получения закона распределения уровня сигнала и его корреляционной функции. Как показывают исследования, если за время измерения условия работы механизма не изменяются, го его шум можно считать эргодическим случайным процессом. Следовательно, все его статистические характеристики можно получить из одной достаточно длинной осциллограммы.

Пусть имеется осциллограмма шума, представленная на рис. 10.1, а. На осциллограмме проведем параллельно оси времени на равных расстояниях ∆х друг от друга п линий, которые соответствуют определенным уровням сигнала (например, звукового давления) х.

Время пребывания сигнала x(t)в диапазоне ∆x_k на рассматриваемой длине осциллограммы

Рис. 10.1. Осциллограмма шума (а) и распределение его уровня (б)

где k — номер рассматриваемого диапазона сигнала; i - порядковый номер расположения сигнала в k-м диапазоне; m_k- число попаданий сигнала в диапазон ∆x_k.

Статистическая вероятность попадания сигнала в диапазон между k-м и (k-1)-м уровнями получается делением суммы (10.2) на продолжительность Т учитываемого участка осциллограммы:

Среднее значение статистической плотности вероятности попадания сигнала в k-й диапазон значений

По найденным значениям f(Δx_k) строится гистограмма, а по ней — кривая плотности вероятности значений сигнала (рис.10.1,б).

Ввиду большой трудоемкости ручного вычисления функции f(x)используются автоматические построители законов распределения (рис. 10.2).

Работа построителя заключается в следующем. Напряжение с датчика Дусиливается усилителем У, после чего подается на полосовые ключи Кi … К_n. Каждый из них настроен на определенный диапазон напряжений и открывается только при заданном значении управляющего напряжения на его входе.

Через открытый ключ проходят сигналы от генератора импульсов ГИ стабильной частоты. Счетчик t_i считает число импульсов, поступающих к нему за время открытого состояния ключа К_i, Общее число импульсов за время обработки осциллограммы определяется счетчиком Т. По окончании измерения коммутатор поочередно подключает выходы счетчиков t и Т к вычислителю В, который определяет значение f(Δx) в полосе Δx. Результаты записываются и выводятся на экран.

Одновременно с построением закона распределения может быть вычислена дисперсия:

Рис. 10.2. Схема построителя закона распределения

Коэффициент корреляции шумового сигнала

где п - число точек измерения на оси времени;

τ - интервал времени между перемножаемыми значениями x(t)

и x(t – τ).

При Δt → 0 и n → ∞ из (10.6) следует

Поскольку значение множителя  для рассматриваемого) стационарного процесса постоянно, его можно исключить из (10.7), получив выражение для корреляционной функции

или в дискретном виде:

где N – число выборочных значений x(t).

Точность вычисления функции R(τ)возрастает с увеличением Т.

Для уменьшения трудоемкости вычисления корреляционной функции задачу целесообразно решать с помощью ЭВМ или специализированных вычислительных устройств – корреляторов (рис. 10.3).

Рис.10.3.Схема коррелятора

    В корреляторе функция x(t)из микрофона или вибродатчика Д, усиленная в усилителе У, поступает в блок умножения по двум каналам. В один из них включена регулируемая линия задержки ЛЗ, где сигнал сдвигается на интервал времени τ. Произведение x(t)·x(t – τ) интегрируется в соответствии с выражением (10.8) и на выходе интегратора получается функция R(τ).