Задача ранней диагностики - выявить– выявление областией зарождения дефектов; оопределить зоны преддефектного состояния материала,бластей, где на момент обследования технического устройства дефектов нет, но они непременно появятся в ближайшем будущем и приведут вк внезапным повреждениям оборудования.

Необходимы технологии поиска условий, провоцирующих появление и развитие дефектов, приводящих к разрушению материала и авариям.

Традиционные методы и средства диагностики по своему назначению не могут предотвратить внезапные повреждения оборудования - основные причины аварий и источники травматизма обслуживающего персонала. По данным

США, эффективность таких традиционных технологий контроля за дефектами не превышает 4%. Поэтому дДля оценки технического состояния материала при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств оздания условий безопасной эксплуатации технических устройств необходимы технологии контроля преддефектного состояния материала или сверхраннеяяй диагностикиа.

Необходимы технологии поиска условий, предрасполагающих к накоплению микроповреждений в материале, приводящих к появлению и развитию дефектов и, как следствие,-к разрушению материала и авариям.

В диссертации разрабатываются технологии поиска и ообнаружения преддефектного состояния материала на основе акустических эффектов -: модуляционных, нелинейных, эффектов дисперсии и затухания, возникающих при зондировании материала волнами. Существенно то, что эти волновые эффекты проявляются при зондировании дисперсионных и др., , возникающих в мматериале задолго до физического появления в нём физически существующего поражения материаладефекта, несовместимого с режимом эксплуатации. Эти технологии востребованы, они являются вкладом в решение вопросов промышленной безопасности, что определяет практическую значимость диссертационной работы и актуальность выбранной темы исследования.

Основными факторами, провоцирующими возникновение повреждений и определяющими их развитие являются агрессивность внешней среды, в которойакой работает материал; качество материала и его деградация (изменение структуры и физико-механических свойств материала в процессе эксплуатации) и уровень статических и динамических деформаций, воздействующих во время эксплуатации на материал.

В этой ситуации перед диагностикой встает задача контроля за уровнем напряжений в материале, на фоне которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно: задача обнаружение зон, где происходит наиболее интенсивная структурная деградация металла, обусловленная микроповрежденностью, наличием микротрещин и т.д.; задача контроля за что определяет практическую значимость диссертационной работы и актуальность выбранной темы. Основными условиями, наличие которых в материале конструкции провоцирует возникновение повреждений и приводит к зарождению дефектов, являются: уровенемь напряжений в материале, на фоне которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно.

; Оперативное структурное состояние материала, особенно тех зон, где происходит наиболее интенсивная структурная деградация металла, микроповрежденность материала - наличие микротрещин. Н наблюдение за этими составляющими с учетом условий эксплуатации технического устройства (на месте установки объекта, без разрушения материала) безопасными и экономически не обременительными методами - гарантия объективной оценки технического состояния опасных производственных объектов, находящихся в эксплуатации.

Сегодня контроль процессов возникновения и развития дефекта осуществляется пассивными и активными методами. К пассивным методам, основанным на измерении собственных физических полей конструкций, относятся: метод акустической эмиссии, позволяющий по сигналам акустической эмиссии определять области повышенной скорости накопления повреждений; метод магнитной памяти металла, в котором поиск зон концентрации напряжений производится по собственным магнитным полям рассеяния. Пассивная диагностика твердой среды связана с проблемой сверхчувствительных измерений, с необходимостью идентификации источника собственного шума и обнаружения причины его возникновения. К активным методам относятся: метод коэрцитивной силы; метод магнитной анизотропии; методы, использующие эффект Баркгаузена.

К ним же относятся методы акустического зондирования, в которых в качестве принципа измерения используется какое-либо волновое явление в исследуемом материале.

Известен обширный класс волновых явлений в упругой среде - линейные, параметрические, нелинейные и т.д., которые изучались многими исследователями от Рэлея до современников. Однако количество волновых процессов, используемых в практических акустических измерениях весьма незначительно. В диссертации осуществлена своего рода “ревизия” волновых явлений с целью создания новых методов акустического зондирования, пригодных для практического использования при исследовании технического состояния материалов и конструкций., в частности, при экспертизе промышленной безопасности опасных производственных объектов.

Уникальность методов акустического зондирования состоит в том, что внутреннее пространство практически всех конструкционных материалов доступно для "видения" волнами механической природы. Механические колебания распространяются в твердой среде на большие расстояния, не вносят искажения в происходящие в материале процессы и в то же время несут информацию о состоянии исследуемого объекта. Эти свойства имеют определяющее значение в задачах оценки состояния материалов и диагностики элементов машин, так как позволяют в большинстве практически важных случаев определять напряженно-деформированное состояние (НДС), исследовать структурные особенности материала и определять зоны зарождения микротрещин.

Акустическое зондирование широко используется для изучения свойств и строения вещества, для выяснения происходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Отечественным ученым принадлежит приоритет в разработке акустических методов контроля материалов. В работах И.М.Лифшица, Г.Д.Пархомовского, Л.Г.Меркулова, А.А.Ботаки, А.В.Шарко доказана чувствительность основных параметров упругих волн-коэффициентов затухания и скорости звука - к особенностям структуры материала, в том числе к характеристикам системы микротрещин.

Метод акустического зондирования, получивший наибольшее развитие на практике,-это неразрушающий контроль материалов с помощью ультразвуковаяой дефектоскопиидефектоскопия материала. Принцип дефектоскопии, предложенный в 1928 году профессором Ленинградского электротехнического института С.Я.Соколовым, основан на явлении отражения волны от несплошности в материале. В настоящее время в этом направлении работают И.Н.Ермолов, Н.П.Алешин, В.В.Клюев, В.Г.Щербицкий и др.

В стадии интенсивного развития находятся методы акустического зондирования, применяемые при контроле напряженно-деформированного состояния материала элементов конструкций.

Контроль статических напряжений основан на влиянии напряженного состояния материала на скорость распространения упругих волн, то есть на эффекте акустоупругости. При этом зондирование материала осуществляется импульсами волн. Вопросами акустоупругости занимаются многие ученые: В.М.Бобренко, А.Н.Гузь, Ф.Г.Махорт, О.И.Гуща, Н.Е.Никитина, А.Л.Углов, В.В.Мишакин и др. В работах Н.Е.Никитиной исследуется динамическая акустоупругость.

При динамическом и импульсном нагружениях принципиально новые возможности открывают модуляционные методы, разработанные В.А.Зверевым, Л.А.Островским, А.И.Потаповым. Методы базируются на нелинейном взаимодействие низкочастотного сигнала (поле деформаций) с высокочастотным вспомогательным сигналом (волна накачки). Это взаимодействие лежит в основе параметрических приемников. Простейший вариант направленного параметрического приемника, иногда его называют приемник Зверева – Калачева, состоит из излучателя высокочастотного поля и приемного преобразователя, выделяющего комбинационные частоты, возбуждаемые при падении низкочастотной волны на область взаимодействия.

Исследования параметрического приема в твердых телах были начаты в 1974 году Б.А.Конюховым, И.Д.Конюховой, Г.М.Шалашовым, продолжены В.П.Лебедевым, В.И.Ерофеевым и др.

Необходимость дальнейшего изучения взаимодействия низкочастотного поля деформаций со вспомогательным сигналом - упругой высокочастотной волной - применительно к задачам практической оценки напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых конструкционных материалов и внедрения её в практику работ по обеспечению промышленной безопасности сооружений и технических устройств определяет актуальность темы диссертации.

Повышения быстродействия машин, их энергоемкости, приводит к тому, что параметры технического состояния конструкции и их элементов определяются внутренними динамическими процессами. Внутреннее динамическое напряженное состояние элементов машин и конструкций определяют по результатам измерения вибрации на их поверхности. Данные о структуре поля деформаций внутри элементов получают путем последующих расчетов на базе известных в теории упругости математических соотношений. Такие методы, основанные на измерениях и расчетах, оправдывают себя при оценке структуры статического или квазистатического поля, но становится практически непригодными в тех случаях, когда следует принять во внимание волновой характер поля. Однако в технике появляются все больше задач, где именно волновые процессы в машинах и конструкциях составляют предмет исследования. возникает необходимость поиска экспериментальной оценки структуры поля.

Внутренние области твердых тел не доступны для непосредственного контакта, поэтому применить известные датчики для измерения динамических полей деформаций во внутренних областях элементов машин и механизмов (тензорезисторы, тензочувствительные покрытия и т.д.) без разрушения материала и «вмораживания» датчиков внутрь объекта невозможно. Поляризационно-оптический метод изучения напряжений в деталях машин и конструкций возможен только на прозрачных моделях. Таким образом, существует проблема оценки внутреннего напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов и элементов конструкций.

Значение экспериментальных методов оценки динамического НДС элементов конструкций трудно переоценить, так как по статистике около 80% поломок и аварий в машиностроение является результатом влияния колебаний на материал конструкции.

Представленная диссертационная работа в определенной мере решает задачу оценки НДС элементов машин и конструкций.

Практически любому реальному материалу свойственно наличие пространственной микроструктуры. При акустическом зондировании такого материала проявляются волновые явления, обусловленные наличием в среде структурных фрагментов. Теоретические и экспериментальные исследования этих явлений проводились А.М.Сутиным, В.Е.Назаровым, В.Ю.Зайцевым, А.В.Лебедевым, А.И.Потаповым и др. Результаты этих исследований являются базой для разработки практических методик измерения, контроля и диагностики материалов со сложной структурой. К таким волновым явлениям, рассмотренным в диссертации, относятся дисперсия и генерация второй гармоники зондирующего сигнала. В диссертации на основе вышеназванных явлений разработаны методы акустического зондирования, позволяющие решать задачу контроля за процессами возникновения и развития дефекта во внутренних областях конструкционного материала, задачу выявления структурных изменений в материале и поиска зон зарождения микротрещин.

Изучение фундаментальных волновых явлений в реальных материалах, с одной стороны, и использование существующего на сегодняшний день технического потенциала средств неразрушающего контроля, с другой стороны, позволили создать автору эффективные, работоспособные в условиях производства методики экспресс - контроля состояния материала, основанные на эффектах дисперсии и нелинейности. Потребность в таких методиках на практике, особенно на опасных производственных объектах, определяет высокую практическую значимость реализации результатов диссертации.

Тема диссертации связана с исследованиями Нижегородского филиала Института машиноведения РАН по научному направлению "Волновая динамика машин". Работа выполнялась в соответствии с программой фундаментальных исследований РАН "Повышение надежности систем МАШИНА-ЧЕЛОВЕК-СРЕДА", по теме "Разработка методов и средств измерения, контроля и диагностики на основе эффектов нелинейной акустики" ; планом работ МНТК "Надежность машин", по теме "Создание комплекта приборов для контроля динамического напряженного состояния узлов машин"; планом НИР Нф ИМАШ РАН по темам " Разработка методов акустического зондирования, основанных на нерезонансном параметрическом взаимодействии волн"; " Разработка метода исследования шума упругих сред". Материалы диссертации использовались в работах по договорам с ОАО "ГАЗ", НИИЭФ, ЦНИИ им. Крылова, ОКБМ, ПО "Теплообменник", Гф ВНИИНМАШ, ОАО "РУМО", ТОО "ТРИБОНИКА", ООО «Тюменьтрансгаз», ООО «Волготрансгаз», ООО «Газнадзор» и др. Они были использованы при разработке нормативно-технического документа "Методические рекомендации. Оценка характеристик пространственного распределения динамических упругих напряжений в элементах машин акустическим методом (МР609-09-85)". Работа была поддержана РФФИ; INTAS; программой Президента РФ для ведущих научных школ.

Цель работы – найти технологии поиска преддефектного состояния материалов и конструкций акустическими методами.

Цель достигает решением следующих задач:

-разработка методов и создание средств акустического зондирования элементов машин и конструкций;

-исследование технического состояния материалов и конструкций методами акустического зондирования

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами. В ней впервые:

-дано экспериментальное обоснование модуляционного метода измерений полей деформаций в изотропном твердом теле с помощью ультразвуковых волн;

-дано обоснование технических требований, выполнение которых необходимо при использовании акустического зондирования для оценки НДС элементов машин;

-проведены разработки инженерных методик контроля технического состояния конструкций по дисперсионным и нелинейным характеристикам акустических волн.

Прикладная значимость диссертационной работы состоит в разработке метода измерения динамических полей деформаций в твердых телах. Разработан прибор "Высокочувствительный преобразователь для контроля динамического напряженного состояния", реализующий метод нерезонансного параметрического взаимодействия. Прибор прошел практические испытания и показал работоспособность в составе системы мониторинга напряженного состояния материала энергетических установок. Прибор экспонировался на Международной выставке Интерел-90. Разработана и внедрена инженерная методика определения напряжений в материале элементов конструкций, подвергаемых импульсному воздействию внешних нагрузок. Разработан и внедрен в практику экспресс-метод определения технического состояния отработавших нормативный ресурс турбинных лопаток. Разработаны и введены в действие Госстандартом СССР методические рекомендации «Техническая диагностика. Оценка характеристик пространственного распределения динамических упругих напряжений в элементах машин акустическим методом». Более 10 лет на литейном производстве ОАО «РУМО» в Нижнем Новгороде применяется методика оценки качества чугуна с помощью ультразвука. Разработаны следующие инженерные методики: оценка средней величины деформации в элементе конструкции прямоугольного сечения; измерение динамических сил контактного взаимодействия методами акустического зондирования; измерение параметров высокоскоростного движения импульса деформаций в направляющей; измерение геометрических размеров микроструктуры гранулированных сред по дисперсии; экспресс-оценка дисперсии в акустическом сигнале; неразрушающий контроль напряжений в заготовках крупногабаритных деталей; обнаружение микрорасслоений биметаллических соединений с помощью ультразвуковых волн; ультразвуковой метод выявления микротрещин и другие. Разработаны средства измерения: ультразвуковой измеритель динамических сил; прибор для оценки качества зубчатых передач по их акустической и вибрационной активности.

Реализация результатов работы. Разработанные методы акустического зондирования используются в ОАО «РУМО» (г. Н. Новгород) для неразрушающего контроля напряжений в заготовках крупногобаритных деталей (шатуны дизеля) и контроля качества чугуна с шаровидным графитом; в ОКБ машиностроения (г. Н. Новгород) для контроля качества углеродо-карбидокремниевые композитов с помощью ультразвуковых упругих волн, в ЦНИИ им. Крылова (г. С. Петербург) для неразрушающего контроля внутренних динамических деформаций в элементах машин, в ОАО «Волгонефтьхиммонтаж» (г. Н. Новгород) и ОАО «Тюменьтрансгаз» для контроля качества газотермического покрытия, в ООО «Волготрансгаз» и НПО «Трибоника»( г. Нижний Новгород) для оценки фактического ресурса турбинных лопаток газоперекачивающих компрессоров.

Разработанные методы акустического зондирования применяются для неразрушающего контроля напряжений в заготовках крупногобаритных деталей (шатуны дизеля) в ОАО «РУМО» (г.Н.Новгород); для контроля внутренних динамических деформаций в элементах машин в ЦНИИ им. Крылова (г.Ленинград), ОКБМ(г.Н.Новгород), ОАО«Волгонефтьхиммонтаж» (г.Н.Новгород), при контроле качества газотермического покрытия в центре ремонтных технологии Волжской Государственной академии водного транспорта (г.Н.Новгород), ОАО «Тюменьтрансгаз»; при контроле качества углеродо-карбидокремниевых композитов в ОКБМ (г.Нижний Новгород); при контроле качества чугуна с шаровидным графитом в металлургическом производстве ОАО «РУМО» (г.Нижний Новгород); для оценки фактического ресурса турбинных лопаток объектах ООО «Волготрансгаз» (г.Н.Новгород).

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

При исследовании использовались современные математические методы моделирования динамических процессов в сплошных средах и апробированные радиофизические методы обработки сигналов. Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов теоретического прогноза с экспериментальными данными, полученными в процессе выполнения исследований, и эффективностью применения методик, разработанных на основе полученных результатов.