Разработка вихретоковой системы поиска дефектов проволоки на прямоточном волочильном стане

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ системы прямоточного волочения проволоки на стане

1.1 Анализ технологического процесса волочения проволоки на прямоточном стане

1.2 Анализ систем поиска дефектов проволоки

1.3 Направление совершенствования системы поиска дефектов проволоки

1.4 Требования к системе поиска дефектов проволоки

2. Математический подход к решению задачи

2.1 Анализ методов поиска дефектов проволоки на прямоточном волочильном стане

2.2 Разработка математической модели системы поиска дефектов проволоки

3. Проектирование системы обнаружения дефектов проволоки

3.1 Разработка структурной схемы обнаружения дефектов

3.2 Выбор оборудования для системы управления дефектов проволоки

3.3 Разработка функциональной схемы

3.4 Разработка алгоритма работы системы поиска дефектов проволоки

3.5 Разработка программного обеспечения для системы поиска дефектов

4. Технико-экономические показатели внедрения системы

Заключение

Список литературы

вихретоковый дефект волочильный



ВВЕДЕНИЕ

Доля производства длинномерных изделий, таких как проволока, сорт и т.п. в общем объеме выпуска стального проката составляет 10…12 % (или в целом по России до 10 млн. тонн/год). Металлическая проволока, являясь основной продукцией метизного передела, находит применение практически во всех отраслях промышленности и хозяйственной деятельности. Основным способом ее производства является волочение через монолитные, либо роликовые волоки, реже холодная, либо теплая прокатка в двух- и многовалковых калибрах.

Основным направлением развития проволочного передела в XXI веке явля-ется применение ресурсосберегающих технологий, позволяющих не только ин-тенсифицировать технологический процесс, повышать экономическую эффектив-ность производства, но и получать продукцию с заданными физико-механиче-скими свойствами. Неоспоримым достоинством процесса прокатки перед волочением являются более высокие скорости обработки, меньшие энергозатраты при производстве, отсутствие ограничений суммарных и единичных обжатий, обусловленных прочностью переднего конца проволоки. В свою очередь, проволока, полученная при волочении, обладает более точными геометрическими размерами, что существенно сказывается на качестве изготавливаемых из нее метизных изделий.

Объединить достоинства указанных процессов возможно при их совмещении в единой технологической линии. Так, одним из наиболее перспективных агрегатов для производства металлической проволоки являются совмещенные прокатно-волочильные станы, имеющие в своем составе две последовательно расположенные секции - прокатную и волочильную. Оригинальным решением, позволяющим не только упростить оборудование и тем самым снизить капитальные и эксплуатационные затраты, но существенно повысить к.п.д. процесса прокатки за счет использования резерва сил трения в очагах деформации, является применение в непрерывной трехклетевой прокатной секции промежуточной неприводной клети. Энергия необходимая для деформации металла в такой клети подводится только посредством обрабатываемого металла путем подпора со стороны предыдущей и натяжения со стороны последующей клетей. Волочильная секция, имея прямоточную схему передачи металла, позволяет наиболее полно использовать достоинства процесса волочения. Кроме того, повысить производительность стана позволяет реализация непрерывного съема проволоки. Стан имеет в своем составе двухкатушечный намоточный аппарат с параллельным размещением вертикально расположенных катушек, осуществляющий автоматический переброс проволоки с заполненной катушки на пустую, и тем самым обеспечивающий непрерывную работу всего агрегата.

Технологическая линия вновь создаваемого агрегата - совмещенного прокатно-волочиль-ного стана объединяет три группы электромеханических систем, имеющих прин-ципиально новые взаимосвязи в непрерывном технологическом процессе. Очевидно, что при создании такого стана первоочередной задачей является разработка автоматизированных электроприводов, учитывающих весь комплекс принципиально новых взаимосвязей, конструктивных особенностей механизмов объекта и обеспечивающих как выполнение всех технологических требований, так и его безаварийную работу в целом.

Целью работы является разработка разработка вихретоковой системы поиска дефектов проволоки на прямоточном волочильном стане.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

Провести анализ системы прямоточного волочения проволоки на стане.

Провести анализ систем поиска дефектов проволоки.

Рассмотреть направление совершенствования системы поиска дефектов проволоки.

Рассмотреть требования к системе поиска дефектов проволоки.

Разработать математическую модель системы поиска дефектов проволоки.

Спроектировать систему обнаружения дефектов проволоки.

Рассчитать технико-экономические показатели внедрения системы



1.АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ПРЯМОТОЧНОГО ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ НА СТАНЕ

1.1 Анализ технологического процесса волочения проволоки на прямоточном стане

В каждой отрасли имеются задачи, которые связанны с соединением металлических деталей: получение надежных металлоконструкций, соединение труб большого диаметра, соединения различных деталей и механизмов, а также другие задачи, которые сможет решить только сварка.

Проволока из нержавеющей стали чаще всего используется для сварки конструкций из различного нержавеющего проката, так как такие изделия не могут вариться обычными электродами из черного металла, потому что это может привести к изменению химического состава на границе свариваемых деталей и соответственно к серьезному ухудшению качества шва по сравнению со свойствами соединяемых деталей. Проволока нержавеющая сварочная обычно используется как в специальных катушках, которые позволяют подавать ее точно и дозировано, так и бухтами.

Технологический процесс волочения проволоки на прямоточном волочильном стане включает в себя следующие операции:

размотка катанки диаметром 6,5-16,0 мм;

волочение на 8-ми кратном волочильном стане;

намотка проволоки на катушку;

приемка и испытание.

Размотка катанки (подката) диаметром 6,50-16,0 мм

К разматывающему устройству волочильного стана катанка диаметром 6,50-7,0 мм и подкат диаметром 8,0-16,0 мм доставляется после операции травления и подготовки поверхности к волочению в соответствии с ТИ ММК-МЕТИЗ-К.ПР-17 и ТК ММК-МЕТИЗ-К.ПР-48.

Мотки катанки (подката), подлежащие волочению, навешиваются на размоточное устройство с помощью кран-балки, управляемой с пола. Грузоподъемность кран-балки -- 5 т. Строповка осуществляется в соответствии с альбомом схем (карт), складирования, строповки и транспортировки по сталепроволочно-канатному цеху СПО-4 (№ 14.1252.00; инв.307-4468).

Перед задачей катанки (подката) волочильщик обязан проверить наличие маркировочного ярлыка на каждом мотке. Маркировочные ярлыки должны сохраняться до полной выработки. С обеих сторон каждого мотка удалить дефектные концы, длина которых указана в соответствующих нормативных документах на катанку (подкат).

Размотка катанки (подката) осуществляется с горизонтального разматывающего устройства SVO30 + CSP30. Устройство включает в себя размотку (SVO) и толкатель мотков (CSP).

Максимальная загрузка разматывающего устройства - 5 т. Максимальная скорость подачи катанки с разматывающего устройства - 2,5 м/сек (150 м/мин).

Размотка состоит из стальной конструкции, расположенной горизонтально. Размотка катанки (подката) осуществляется за счёт силы волочильного стана.

Толкатель разматывающего устройства должен свободно передвигать моток катанки (подката), максимального веса 3 тонны, по всей длине балки скольжения от позиции загрузки до позиции размотки мотка. Масса мотка указана на маркировочном ярлыке предприятия-изготовителя. Толкатель мотков, оснащён двумя «лапами» с гидравлическим приводом, которые поочерёдно обеспечивают непрерывную размотку. Одна «лапа», приводимая в движение двигателем, толкает проволоку к волочильной машине.

Вращающееся плечо, обеспечивающее размотку катанки (подката) с мотка, должно быть укомплектовано сменными роликами, которые позволяют разматывать моток как с правой, так и с левой намоткой.

Разматывающее устройство позволяет выполнить весь комплекс операций по загрузке мотка, передвижению, сварке нового мотка с мотком, находящимся в работе, без останова работы волочильного стана.

1.2Волочение проволоки на прямоточном волочильном стане

Перед началом работы волочильщик должен заполнить доску задания, где указать: НД на проволоку (проволоку-заготовку), номер плавки, содержание углерода, диаметр катанки (подката) и готовой проволоки (проволоки-заготовки), дату.

Волочение проволоки осуществляется на 8-ми кратном волочильном стане с необходимым количеством протяжек с целью получения заданного диаметра и требуемых физико-механических свойств.

Для обвода исключённых из работы блоков на всех блоках установлены обводные ролики.

Волочение должно производиться с обязательным охлаждением волок и барабанов.

Внутренняя поверхность барабана охлаждается специальной системой охлаждения. Для более эффективного охлаждения обеспечивается максимальный контакт поверхности барабана с водой.

Охлаждение проволоки на тяговых блоках осуществляется с помощью электровентиляторов. Вентиляторы создают направленные воздушные потоки для обдува намотанной проволоки, исключая её нагрев до высоких температур.

Рабочая температура фильер поддерживается эффективной системой охлаждения. Главный трубопровод подачи воды в систему снабжён клапаном ручного управления, который волочильщик должен открыть перед пуском стана.

Непосредственно на входе в систему труба разделяется на две секции, потоки в каждой из которых регулируются электропневматическими клапанами. Электропневматический клапан контура охлаждения фильер открывается для свободной циркуляции воды в момент пуска и перекрывает поступление воды спустя одну минуту после остановки оборудования.

Перед волокодержателем расположены направляющие ролики, которые предназначены для установки правильного направления проволоки во избежание трения, которое может вызвать её износ.

Для поддержания заданного натяжения используется сенсорный ролик. Ось сенсорного ролика соединена с датчиком, который передаёт электрический сигнал для регулировки скорости двигателя. Регулировка производится автоматически датчиком, который всегда стремится остаться в среднем положении, позволяя оптимизировать прохождение проволоки без трения и излишнего натяжения. Операция настройки выполняется либо во время процесса волочения, либо при запуске/остановке стана.

Волочение проволоки производится на твёрдосплавных волоках. Волоки подбираются волочильщиком согласно маршрутам волочения в соответствии с ТК ММК-МЕТИЗ-К.ПР-114. Волоки должны устанавливаться без перекоса, должны быть отрегулированы и обеспечивать волочение в соответствии с требованиями НД по качеству намотки и поверхности проволоки.

Стандартный держатель фильеры (волокодержатель) состоит из двух изолированных секций: одна предназначена для смазочного материала, вторая - для размещения фильеры.

Волокодержатель может использоваться при широком спектре различных настроек в трёх плоскостях с применением соответствующих винтов. Таким образом, обеспечивается необходимая регулировка центрирования проволоки.

При изготовлении проволоки-заготовки для армирования предварительно напряженных железобетонных шпал для получения прямолинейности на готовой проволоке (прокате), необходимо произвести регулировку таким образом, чтобы при укладывании проволоки-заготовки на горизонтальную поверхность виток находился в одной плоскости.

Допускается отклонение конца витка от плоскости не более чем на 170 мм. Замер производится металлической линейкой по ГОСТ 427.

Секция для смазочного материала должна быть заполнена необходимым объёмом смазки, при этом проволока должна быть полностью погружена в неё, особенно со стороны фильеры. В качестве смазочного материала используется смазка СВС-У; LUBRIFIL; TECNOLUBRE и др.

В процессе волочения волочильщик обязан контролировать:

состояние охлаждения волочильного инструмента и барабанов водой и воздухом. Волочение без охлаждения волок и барабанов категорически запрещается;

качество поверхности готовой проволоки;

диаметр проволоки по протяжкам;

скорость волочения (скорость волочения должна соответствовать требованиям ТК ММК-МЕТИЗ-К.ПР-114).

Панель управления снабжена средствами управления и визуального контроля.

Жидкокристаллический дисплей SIEMENS с клавиатурой IР65, показывает:

исключённые из работы блоки;

потребляемую мощность в реальном времени;

аварийные линейные сигналы и описание;

счётчик метров и сумматор метров;

настройку линейной скорости и действительные показания;

износ волок;

автоматический контроль накопления витков;

заполнение катушки.

Дополнительно, в электронное оборудование включён лазерный прибор для контроля диаметра готовой проволоки (проволоки-заготовки).

Сварка концов катанки (подката) и концов проволоки-заготовки при обрыве в процессе волочения осуществляется в соответствии с требованиями ТИ 176-МТ.ПР-15. Сварка производится на сварочной стыковой машине DSH 180. Для повышения прочностных и пластических свойств сварного шва рекомендуется при сварке концов подката и концов проволоки-заготовки при обрыве диаметром свыше 9,0 мм на отторцованном конце формировать фаску (3,0ч5,0) мм под углом ~ 45°.

Наличие сварных соединений на готовой проволоке не допускается.

Блоки волочильного стана оснащены механическими держателями с пневмоприводом, которые при каждом останове зажимают проволоку в блоке, предотвращая ослабление натяжения проволоки. При включении стана, захват отпускает проволоку автоматически.

После чистового барабана, для перераспределения остаточных напряжений по поперечному сечению проволоки, установлено двухплоскостное рихтовальное устройство.

Рихтовальное устройство состоит из набора роликов, расположенных горизонтально и вертикально. Это устройство обеспечивает выравнивание проволоки перед последующей операцией намотки на катушки.

Ролики должны вращаться и на их поверхности не должно быть порезов.

Проволока должна быть серого цвета, не допускается осветление поверхности (обдир).

Намотка проволоки на катушку

Намотка проволоки на катушку осуществляется равномерно с заданным натяжением проволоки, метражом намотки и шагом укладки, на горизонтальном намоточном устройстве BU 1400.

Максимальная скорость намотки 12 м/сек (720 м/мин).

Фиксация катушки в намоточном устройстве осуществляется посредством двух вертикальных цапф, одна из которых установлена стационарно, а другая может перемещаться в вертикальной плоскости для зажима или освобождения установленной катушки.

Механизированная траверса обеспечивает равномерную послойную укладку проволоки на катушке при намоте и состоит из шкива, перемещающегося вдоль катушки, и привода. Шкив движется со скоростью, зависящей от диаметра проволоки.

Намоточное устройство оснащено пневматическим зажимом проволоки, которое удерживает проволоку при неработающем оборудовании. Зажим срабатывает автоматически в момент останова намоточного устройства.

Намоточное устройство предназначено для работы с катушками различного диаметра, поэтому оно оснащено подъёмным механизмом, который позволяет совмещать втулку катушки с захватами, таким образом, центрируя катушки меньшего диаметра.

Извлечение полной катушки производится с помощью специального механизма, который выкатывает катушку.

Транспортировка катушки осуществляется с помощью кран-балки, управляемой с пола. Грузоподъемность кран-балки - 5 т. Строповка осуществляется в соответствии с альбомом схем (карт) складирования, строповки и транспортировки по сталепроволочно-канатному цеху СПО-4 (№ 14.1252.00; инв.307-4468).

Качество намотки должно обеспечивать свободную без «затяжек» и рывков смотку проволоки от начала до конца катушки. Намотка проволоки на затоваренные катушки категорически запрещается.

1.2. Анализ систем поиска дефектов проволоки

Известен «Способ вихретокового контроля и устройство для его осуществления» (Пат. 2365910 ),основан на использовании вихретокового преобразователя в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля и периодически формируют в колебательном контуре собственные затухающие колебания, по величине затухания судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, при этом колебательный контур периодически подключают к заряженному разрядному конденсатору для формирования в параллельном колебательном контуре собственных затухающих колебаний, величину затухания переходного процесса измеряют путем детектирования, фильтрации и интегрирования сигнала переходного процесса, возникающего в контуре после каждого подключения его к разрядному конденсатору, после окончания переходного процесса колебательный контур отключают от разрядного конденсатора, после чего разрядный конденсатор подключают через зарядный резистор к источнику стабильного постоянного напряжения и вновь медленно заряжают разрядный конденсатор до напряжения источника.

Достоинство: повышение чувствительности и точности, уменьшение потребляемой электрической мощности и более простая реализация схемы.

Недостатки: контроль исключительно малых объектов.

Известен «Вихретоковый дефектоскоп для контроля длинномерных проводящих изделий» (Пат. 2397486),который содержит последовательно соединенные генератор переменного тока, вихретоковый дифференциальный преобразователь (ВТП) проходного типа, компенсатор начальной ЭДС, усилитель высокой частоты, амплитудно-фазовый детектор, фильтр нижних частот, предварительный усилитель низкой частоты, фильтр верхних частот, регулируемый усилитель низкой частоты, пороговое устройство, блок управления сортировкой, фазовращатель, источник постоянного тока и соленоид, причем генератор связан со вторым входом компенсатора напрямую, а со вторым входом амплитудно-фазового детектора через фазовращатель, при этом дефектоскоп дополнительно снабжен второй дифференциальной парой измерительных обмоток, смещенной по оси ВТП на заданное расстояние аналого-цифровым преобразователем (АЦП), с помощью которого производится измерение выходных сигналов, программно-управляемым микропроцессором, вторым измерительным каналом, состоящим из последовательно соединенных компенсатора начальной ЭДС, усилителя высокой частоты, амплитудно-фазового детектора, фильтра нижних частот, предварительного усилителя низкой частоты, фильтра верхних частот, регулируемого усилителя низкой частоты, фазовращателя, включенного между вторым выходом генератора и вторым входом дополнительного амплитудно-фазового детектора, микропроцессор также связан по адресным шинам и шинам данных с генератором, двумя фазовращателями, двумя фильтрами верхних частот, двумя регулируемыми усилителями низкой частоты, АЦП, пороговым устройством и блоком управления сортировкой.

Достоинство: повышение помехозащищенности дефектоскопа.

Недостатком такой системы является является её повышенная сложность и как следствие недостаточная надежность.

Известен «Цифровой вихретоковый дефектоскоп» (Пат. 2411517), содержит последовательно соединенные генератор и вихретоковый преобразователь, подключенный к каналам измерения амплитуды и фазы выходного напряжения вихретокового преобразователя, два преобразователя аналог-код, подключенные к выходам каналов измерения амплитуды и фазы, выходы преобразователей аналог-код присоединены ко входам логической схемы. Цифровой вихретоковый дефектоскоп снабжен переключателем, соединенным входами с выходами логической схемы, а выходами - с запоминающим устройством и сравнивающим устройством, причем выходы сравнивающего устройства соединены с входами дисплея.

Достоинства: обеспечивает повышение точности и достоверности контроля сварных соединений за счет создания условий для проведения градуировки цифрового вихретокового дефектоскопа по эталонным образцам качественных и дефектных точечных сварных соединений изделий из немагнитных металлов

Недостаток :Не может быть использован для дефектоскопии проволоки,т.к. предназначен для для дефектоскопии точечных сварных соединений из немагнитных металлов.

Известна статья Янгирова И. Ф. "Математическая модель датчика неразрушающего контроля". В работе описывается оригинальная конструкция электромагнитного преобразователя для неразрушающего контроля с повышенной избирательностью и разрешающей способностью к дефектам ферромагнитного изделия. Разработана математическая модель датчика дефектоскопии с аналитическим расширением, что позволяет создать инженерную методику расчета. Достоинством описываемого датчика является значительная точность контроля дефектов, но данный датчик может использоваться исключительно в узкой области контролируемых материалов, что не достаточно для проектируемой системы.

1.3 Направление совершенствования системы поиска дефектов проволоки

Из всех выявленных технических решений для совершенствования системы поиска дефектов проволоки лучшим является «Вихретоковый дефектоскоп и способ его настройки» (Пат.2073232), состоящий из последовательно соединенных автогенератора, параллельный колебательный контур которого содержит вихретоковый преобразователь и конденсатор, детектора и индикатора,отличающийся тем, что в него введены переменный резистор и катушка индукционности, причем первая ветвь параллельного колебательного контура образована параллельно соединенными вихретоковым преобразователем и переменным резистором, последовательно которым подключен конденсатор, а вторая етвь состоит из катушки индуктивности. Обе ветви находятся в контролирующих элементах, которые при помощи двигателя совершают, в процессе контроля, вращения на 360 . Основным преимуществом датчика является высокаячувствительность к небольшим поверхностным продольным дефектам. Это происходит за счет уменьшения размеров датчика и зоны контроля. Таким образом увеличивается относительный сигнал от дефекта. Следовательно, вращающиеся датчики обнаруживают дефекты, которые не могут обнаружить проходные датчики даже на пределе своей чувствительности. Так же данная система обладает значительной скоростью контроля до 50 м/мин, и возможностью вести контроль за проволокой.

Данное техническое решение может быть использовано при разработке вихретоковой системы поиска дефектов проволоки на прямоточном волочильном стане.

1.4 Требования к системе поиска дефектов проволоки

Разработаем требования к системе.

Технические требования.

Система поиска дефектов проволоки должна обеспечивать:

автоматическую стыковку/расстыковку необходимого преобразователя;

сканирование поверхности проволоки по заданной траектории;

отслеживание текущих координат рабочих преобразователей в реальном времени;

включение автоматической сигнализации дефекта (АСД);

анализ результатов контроля и запись в архив.

Технические параметры вихретокового режима:

Рабочий диапазон - 50кГц-5МГц;

Чувствительность контроля- Обнаружение трещин протяженностью не менее 3 мм, с раскрытием в пределах от 0,05 до 1 мм

Удельная электропроводность: Вихретоковый контроль материалов с удельной электропроводностью (0,4-40)*106 См/м

Визуализация : Цветовая индикация дефектных участков контроля;

Управление: Наличие звуковой и световой сигнализации при обнаружении дефекта(ов) электропроводностью (0,4-40)*106 СМ/м.

Время непрерывной работы - неограниченно.

Конструктивные требования.

Массогабаритные характеристики составных частей системы должны быть минимальны.

Конструкция составных частей системы должна быть пыле-брызгозащищенной.

3. Требования к сырью и исходным материалам.

В конструкции системы поиска дефектов проволоки должны максимально применяться материалы, смазки, краски в соответствии с ОСТ 83-3793-77, ОСТ 383-5688-74, ОСТ 3-1928-73, ОСТ 3-942-80, ОСТ 3-3368-76.

Номенклатура применяемых сортов и типов материалов должна быть минимальной.

Требования к прочности, устойчивости устройства к воздействию внешних факторов.

Система поиска дефектов проволоки должна функционировать и сохранять свои параметры при воздействии:

изменения температуры окружающей среды от минус 400С до +400С при относительной влажности воздуха не более 95%;

вибрации частотой 50 Гц и 250 Гц с максимальным ускорением 50 м/с2.

ударов многократного действия с максимальным ускорением 100 м/с2 при длительности воздействия 5-20 мс. Количеством ударов - 10000.

влажной тепловой среды в течении 4 суток при температуре (40±2)°C и относительной влажности воздуха (95±3) %.

Требования к надёжности и долговечности.

Вероятность безотказной работы 0,95 за 1000 часов.

Назначенный срок службы - 10 лет.

Изделие в упаковке должно допускать транспортирование всеми видами транспорта.



2.МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ

2.1 Анализ методов поиска дефектов проволоки на прямоточном волочильном стане

Виды дефектов, причины образования и способы устранения при изготовлении проволоки на прямоточном волочильном стане приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Виды дефектов, причины образования и способы устранения

Наименование операции	Виды дефектов или возможные неполадки	Причины образования или причины неисправности	Способы устранения, предотвращения
-настроить рихтующее устройство; - отцентрировать устранить неисправность - определить содержание углерода; - провести выбор заготовки (катанки, подката) в соответствии с ТД	наличие на поверхности рисок, блестящая светлая поверхность	- неудовлетворительная подготовка поверхности катанки (подката) к волочению	- моток катанки (подката) заменить; - повторить операцию травления
		- некачественный волочильный инструмент; - раскол волоки	заменить волоки
		- сырая смазка	заменить смазку
	овальность, отклонения по диаметру	- некачественный волочильный инструмент; - выработана выходная волока	заменить выходную волоку
	неравновесность, свертывание витков в «восьмерку»	- не настроено рихтующее устройство - нарушена центровка волок
	некачественная намотка	неисправность механизма укладчика
	несоответствие по механическим свойствам	смешение марок сталей;

Дефектоскопия - это область знаний, которая охватывает теорию, методы и технические средства определения дефектов в материале контролируемых объектов, например, в материале деталей машин и элементов металлоконструкций. Дефектоскопия является составной частью диагностики технического состояния оборудования и его составных частей. Связанные с выявлением дефектов в материале элементов оборудования работы, совмещаются с ремонтами и техническим обслуживанием или могут выполнятся самостоятельно в период технического осмотра. Для выявления скрытых дефектов в конструкционных материалах используются методы неразрушающего контроля (дефектоскопии).

Вихретоковый метод неразрушающего контроля

Вихретоковый контроль -- один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов. Он основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.

Вихретоковый метод контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, которые наводятся возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля (ОК) этим полем. В качестве источника электромагнитного поля чаще всего используется индуктивная катушка (одна или несколько), называемая вихретоковым преобразователем (ВТП).

Преимущества:

Преимущество вихретокового контроля заключается в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит на расстояниях, которые являются достаточными для свободного движения преобразователя относительно объекта. Поэтому этими методами можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения объектов.

К его преимуществам также относится, высокая чувствительность к микроскопическим дефектам, которые находятся на поверхности либо в непосредственной близости от исследуемого участка металлического объекта. Вихретоковый метод неразрушающего контроля для многих привлекателен ещ? и относительно высокой скоростью проведения. Даже если объект имеет сложную геометрию или он находится в труднодоступном месте, такой контроль вполне возможен и эффективен.

Еще одним достоинством ВТК является его многопараметровость, то есть сигнал с ВТП нес?т в себе информацию о большом количестве параметров объекта контроля.

Недостатки:

Недостатком вихретокового метода неразрушающего контроля является возможное искажение одного параметра другими. Вихретоковый метод неразрушающего контроля возможно применять только для контроля электропроводящих изделий, эти методы характеризуются малой глубиной контроля, связанной с особенностями распространения электромагнитных волн материалом подконтрольного объекта.

Магнитные методы неразрушающего контроля

Магнитные методы неразрушающего контроля основываются на анализе взаимодействия контролируемого объекта с магнитным полем и применяются для обнаружения внутренних и поверхностных дефектов объектов, изготовленных из ферромагнитных материалов. Основными магнитными методами НК являются магнитопорошковый, магнитных суспензий, индукционный и магнитографический метод.

Магнитные методы используют для измерения толщины неферромагнитного покрытия на ферромагнитном основании; дефектоскопии поверхностных и подповерхностных участков ферромагнитных материалов; получения информации о магнитной проницаемости и е? изменении, которая зависит от напряженности магнитного поля.

Радиоволновой метод неразрушающего контроля

Радиоволновый контроль - это определение методами и средствами измерительной техники на сверхвысоких частотах фактических характеристик и параметров объекта контроля. Полученная при этом информация да?т возможность объективно судить о фактическом состоянии исследуемых изделий и материалов. Физической основой радиоволнового контроля на СВЧ является взаимодействие электромагнитных волн диапазона СВЧ с объектом контроля. Поэтому возможности и ограничения РВК зависят от вида и относительной интенсивности такого взаимодействия, которое может быть установлено экспериментально, с помощью методов и средств измерений на СВЧ.

Радиационный метод неразрушающего контроля

Радиационный неразрушающий контроль - это вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. (ГОСТ 24034 «Контроль неразрушающий радиационный. Термины и определения»). Основой радиационных методов контроля является получение дефектоскопической информации об объекте контроля при помощи ионизирующего излучения, прохождение которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул среды.

При помощи радиационных методов контроля выявляются трещины, непровары, непропаи, включения, поры, подрезы и другие дефекты. Результаты контроля наглядны, поэтому по сравнению с другими МНК при радиационном контроле легче определить вид дефекта. Обычно не требуется высокая чистота поверхности сварных швов и изделий, можно контролировать сравнительно большие толщины.

К недостаткам радиационных методов прежде всего относится вредность для человека, в связи с чем требуются специальные меры радиационной безопасности, а именно: экранирование, увеличение расстояния от источника излучения и ограничение времени пребывания оператора в опасной зоне. Кроме того, радиационные методы не эффективны при выявлении несплошности малого раскрытия (трещины, непровары), расположенные под углом более 7... 12° к направлению просвечивания, метод малоэффективен для угловых швов.

Тепловой метод неразрушающего контроля

Тепловой метод неразрушающего контроля, является самым современным, высокоэффективным и перспективным направлением в диагностике состояний и свойств разнообразных объектов.

Метод теплового контроля позволяет осуществлять своевременное, высокоточное, оперативное, информативное и непрерывное наблюдение за исправностью исследуемых объектов. Тепловой метод контроля основан на таких физических явлениях, как тепловые поля и инфракрасные источники тепла, по которым можно диагностировать наличие внешних или внутренних дефектов. Характер избыточного температурного поля позволяет точно показать специфику нарушения состояния исследуемого объекта и позволит вовремя принять необходимые меры по предотвращению неисправностей.

Преимуществами теплового контроля являются: дистанционность, высокая скорость обработки информации; высокая производительность испытаний; высокое линейное разрешение : возможность контроля при однои двустороннем подходе к изделию; теоретическая возможность контроля любых материалов; многопараметрический характер испытаний; возможность взаимодополняющего сочетания ТНК с другими видами неразрушающего контроля; сочетаемость со стандартными системами обработки информации; возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами.

Недостатками теплового контроля являются:

Недостатки жидких кристаллов: Контактный характер, Ограниченный диапазон чувствительности (5, 10°C), Необходимость предварительной подготовки поверхности, а также последующей очистки.

Оптический метод неразрушающего контроля

Оптический вид НК основывается на наблюдении или регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом. Широко применяется благодаря большому разнообразию способов получения первичной информации.

Ультразвуковой метод неразрушающего контроля

Ультразвуковая дефектоскопия -- метод основанный на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотой 0,5 -- 25 МГц в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования -- ультразвукового преобразователя и дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Преимущества:

Главным преимуществом ультразвукового контроля является то, что он не разрушает и не повреждает исследуемый образец. Также, с помощью ультразвукового контроля возможно проводить контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов. Кроме того данный метод имеет высокую скорость исследования при низкой стоимости и опасности для человека по сравнению, например, с рентгеновской дефектоскопией и имеет высокую мобильность ультразвукового дефектоскопа.

Недостатки:

Как правило при ультразвуковой дефектоскопии нельзя узнать о реальных размерах дефекта, лишь о его отражательной способности в направлении приемника. Эти величины коррелируют, но не для всех типов дефектов. Также, некоторые дефекты практически невозможно выявить ультразвуковым методом в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля.

Практически невозможно производить достоверный ультразвуковой контроль металлов с крупнозернистой структурой, таких как чугун или аустенитный сварной шов (толщиной свыше 60 мм) из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука. Кроме того, затруднен контроль малых деталей или деталей со сложной формой. Также затруднителен ультразвуковой контроль сварных соединений из разнородных сталей (например аустенитных сталей с перлитными сталями) из-за крайней неоднородности металла сварного шва и основного металла.

2.2 Разработка математической модели системы поиска дефектов проволоки

Основной задачей рациональной организации поиска дефектов является сокращение времени и средств, затрачиваемых на поиск. Это возможно при создании достаточно совершенных алгоритмов поиска. Начальный этап алгоритмизации поиска заключается в разбиении СТС на функциональные подсистемы, далее анализируются математическая модель и характер влияния неисправностей в подсистемах различного уровня на их работоспособность, то есть диагностическая модель.

При разработке вихретоковых преобразователей (ВТП) для контроля изделий прерывистой формы представляет интерес анализ взаимодействия поля ВТП с несколькими протяжёнными изделиями ограниченных размеров. При теоретических исследованиях с достаточной для практических расчётов точностью такие изделия можно представить в виде электропроводящих эллиптических цилиндров.

Рисунок 2.1 Расчётная модель в виде двух бесконечно длинных эллиптических цилиндров, находящихся в однородном квазистационарном магнитном поле ВТП

Рассматривается задача о двух бесконечно длинных эллиптических цилиндрах с параллельными осями 0Z1, 0Z2, электропроводностями у1, у2, магнитными проницаемостями µ1, µ2, расположенных в однородном квазистационарном магнитном поле ВТП Н=Ноеjщt, направленном по нормали к осям цилиндров (рис. 2.1). Но напряжённость поля, щ - угловая частота.

Требуется определить параметры вторичного поля (поля вихревых токов). Строгое решение задачи по расчёту электромагнитного поля от воздействия двух или большего числа контролируемых объектов может быть получено на основе использования классического метода разделения переменных в сочетании с теоремами сложения для гармонических функций [1, 2]. Применим этот метод для решения поставленной задачи. Вследствие линейности рассматриваемых сред векторный потенциал поля вне цилиндров можно представить в виде

где Ар1 , Ар2 - векторные потенциалы поля вихревых токов (вторичного поля) первого и второго цилиндров;

A0=µ0 fH0chоcosз - векторный потенциал однородного магнитного поля, записанный в системе координат эллиптического цилиндра о, з.

Свяжем с каждым из цилиндров локальные системы координат эллиптического цилиндра (о1, з1, Z1), (о2, з2, Z2) с центрами 01 и 02. С учётом бесконечной аксиальной длины цилиндров.

где Ai - векторные потенциалы поля внутри цилиндров;

кi2 =-jщµiуi, µi, уi - магнитная проницаемость и электропроводность i-ого цилиндра, f - межфокусное расстояние эллиптических цилиндров.

В уравнениях под А понимается z-ый компонент векторного потенциала, остальные компоненты которого равны нулю в силу бесконечной длины цилиндров. Для однозначного определения полей в системе уравнений необходимо добавить условия на границе раздела сред и на бесконечности [1]:

где о0i - координата поверхности i-ого цилиндра.

Решения уравнений не имеющие особенностей в объёмах рассматриваемых тел и удовлетворяющие условию на бесконечности, имеют следующий вид [3]:

где q - функции Матье n-ого порядка.

Из сравнения отдельных тригонометрических составляющих в силу ортогональности тригонометрических функций следует, что в решении данной системы существуют только члены рядов с индексом n=1.

Коэффициенты a ,b определяются из следующей системы уравнений:

Полученные результаты могут использоваться для вихретоковой системы поиска дефектов проволоки на прямоточном волочильном стане.

3.ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПРОВОЛОКИ

3.1 Разработка структурной схемы обнаружения дефектов

Разрабатываемая система предназначена для увеличения скорости проверки качества проволоки.

Конструкция установки состоит из: двигателя, который наматывает проверяемую проволоку, тем самым протаскивая его через чувствительный элемент.

Задача контроля состоит в обнаружении поверхностные и подповерхностные дефектов, в проволоке.(выявление дефектов типа волосовин в холоднотянутой проволоке).

В рассматриваемом варианте возможно использовать один принцип обнаружения возможных повреждений: вихретоковый.

Вихретоковый метод основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля этим полем, то есть вихревые токи могут появляться только в поврежденных местах. Данный метод позволяет проводить контроль с необходимой точностью, большим КПД, возможно применение бесконтактного способ контроля, более дешево в обслуживании, более компактно в отношении габаритов, но более дорого в отношении покупки датчика (данный недостаток перекрывается стоимостью обслуживания химического метода). Вихретоковые методы традиционно охватывают полосу частот примерно до 10 МГЦ - с дифференциальными катушками - обычно используются для контроля дефектов поверхности. Полуфабрикаты, типа проволоки, прутков и труб, контролируются на местные дефекты в форме трещин и отверстий с помощью проходных катушек.(Рис.3.1)

Рисунок 3.1 - Контроль с помощью проходной катушки вихретокового датчика

В приборах с проходными датчиками контролируемая продукция проходит через индуктивную катушку датчика, возбуждаемую переменным током заданной частоты. В результате этого в материале объекта контроля наводятся вихревые токи. Несплошность или дефект вызывают изменения в распространении вихревых токов, которые выявляются прибором и демонстрируются пользователю. Используются абсолютные или дифференциальные датчики, а также их комбинация. Как правило, приборы с проходными датчиками применяются для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов в продукции с постоянным сечением, в том числе для выявления дефектов сварных швов. Эти дефекты аналогичным образом могут выявляться с помощью накладных или сегментных датчиков, зона контроля которых ограничивается частью окружности, например, зоной сварного шва.

Сегментный датчик реализует метод вихретокового сканирования (Рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 - Сканирование полуфабриката вихретоковым методом

В работе используется схема, где контролируемую проволокумпротягивают через вихретоковый датчик, данные о повреждении передаются на счетчик , который отправляет сигнал на маркировщик (краскоотметчик). (Рисунок 3.3)

1 2

3 4 5 3

Рисунок 3.3 - Структурная схема системы контроля

На рисунке цифрами обозначены:1-Блок контроля ; 2-Принтер распечатки протоколов контроля ; 3-Бабины с проволокой ; 4-Вихретоковый датчик с проходной катушкой; 5-Маркер(краскоотметчик). На рисунке также отображены поддерживающие и центрирующие ролики. Краскоотметчик используется для автоматической маркировки выявленных дефектов материала.

Подобная схема контроля реализована например в дефектоскопе ERIC VI фирмы Magnetic Analysis Corporation (Рисунок 3.4)

Дефектоскоп ERIC VI, установленный в линии контроля прутков из нержавеющей стали. На переднем плане показаны датчики, механизм транспортировки и катушка для намагничивания. Над дефектоскопом ERIC установлен прибор для сортировки продукции.

Вихретоковые дефектоскопы ERIC VI отображают сигналы контроля и пороговые уровни, обеспечивающие регулировку в широких пределах частоты, фазы и фильтрации, позволяющие легко сохранять и вызывать из памяти неограниченное количество настроек.

Рисунок 3.4 - Дефектоскоп ERIC VI фирмы Magnetic Analysis Corporation

Предлагаются стандартные датчики от 3,2 мм до 191 мм различной конфигурации, включая квадратные, прямоугольные, шестигранные и накладные (секторные) катушки. В зависимости от выбора датчика скорость контроля может быть в переделах 0,3-1 500 м/мин. С помощью специальных датчиков можно контролировать объекты с высокой температурой.

Вихретоковые датчики - это современные контроллеры, работающие по принципу изменения индуктивности электромагнитного поля. Вихретоковые датчики представляют собой систему, состоящую из следующих компонентов:

-держатели датчика в виде катушек предназначены для контроля круглого материала из неферромагнитных металлов с подобранные под диаметр направляющими втулки, сделанные из диэлектрика(пластика) с несколько меньшим диаметром, обеспечивают защиту для катушки;

-удлинительный кабель ;

-электронный драйвер, который генерирует магнитное поле и фиксирует необходимые показатели .

При неблагоприятных условиях на линии : провис проволоки, прутка и т.п. возможно применение дополнительных роликовых направляющих в узле датчика контроля.(Рисунок 3.5)

Рисунок 3.5 - Держатель датчиков с роликовыми направляющими

Электронный драйвер

Драйвер (от английского driver, в данном контексте -- возбудитель колебаний, выходной формирователь и т. п.) вихретокового преобразователя представляет собой электронный блок, который вырабатывает сигнал возбуждения пробника и осуществляет выделение информативного параметра.

Вихретоковый преобразователь проходного типа

Вихретоковые датчики можно использовать автономно, но чаще всего эти приборы являются компонентами систем контроля (Рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Структурная схема вихретоковой системы поиска дефектов проволоки

На рисунке 3.6 ВТП- вихретоковый преобразователь проходного типа.

Плата формирователя импульсов ( рисунок 3.6) обеспечивает питание возбуждающей обмотки ВТП импульсами напряжения необходимой формы и амплитуды. Полезный сигнал, снимаемый с измерительных обмоток ВТП, поступает на предварительный усилитель платы, усиливается и передается на вход платы АЦП, где преобразуется в 12-ти разрядный цифровой код.

Результирующее поле зависит от электромагнитных свойств контролируемого объекта и расстояния между преобразователем и объектом (от зазора), поскольку распределение плотности вихревых токов зависит от этих факторов. В измерительной обмотке наводится эдс, определяемая потокосцеплением. Эта эдс служит сигналом, передающим информацию об объекте в блок измерения.ЭДС преобразователя зависит от многих параметров объектов контроля, т.е. его информация многопараметровая. Это определяет преимущества и трудности реализации метода вихревых токов (МВТ). С одной стороны МВТ позволяет осуществлять многопараметровый контроль, с другой - требуются специальные приёмы для разделения информации об отдельных параметрах объекта. При контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим, и это влияние необходимо уменьшать. Другая особенность электромагнитного контроля состоит в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях небольших, но достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметра до нескольких миллиметров). Поэтому этим методом можно получать хорошие результаты при высоких скоростях движения объектов контроля. Одна из особенностей МВТ состоит в том, что на сигналы практически не влияет влажность, давление и загрязнённость газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнённость поверхности объекта контроля непроводящими веществами.

Система вихретокового контроля проволоки состоит из двух основных узлов: из стола контроля и стола маркировки. Для проектируемой системы установлен диапазон диаметра контролируемого проволоки от 2 до 5 мм и минимального размера дефекта от 1 мкм, необходимо так же использовать систему не только для контроля проволоки и прутков данного диаметра , но и для контроля качества поверхности труб диаметром до 20 мм , проволоки и катанных прутков диа метром до 20 мм. Так система становиться универсальной, то для обеспечения центрирования и поддержки контролируемого объекта в системе используется консольные ролики, которые возможно быстро сменить при возникновении такой необходимости и которые эффективно выполняют предъявляемые к ним требования. Весь блок контроля установлен на столе с изменяющимся уровнем пола, то есть на каждой из трех ножек установлена система регулирования, позволяющая выровнять столешницу в устойчивое положение, что важно при использовании направляющих роликов. Так же в блоке используется счетчик как элемент подсчета числа дефектов, а так же как связующее звено с блоком маркировки, так как при появлении дефекта происходит отправка сигнала включения на маркировщик.

3.2 Выбор основных элементов конструкции

Выбор элементов конструкции для узла контроля. Конструктивно разрабатываемая установка состоит из двух столов, стол контроля и стол маркировки со столешницей, с закреплёнными на них приводом, датчиком , счётчиком числа повреждений, маркировщиком, роликами для поддержки и центрирования провода и стойкой. На стойке закреплены направляющий и натяжной ролики. Катушка для проверенной проволоки устанавливается на выходном конце привода и поджимается гайкой. Такой вид конструкции обеспечивает экономию места и простоту контроля, а так же дает возможность видоизменять установку в любом месте всего процесса контроля.

Выбрав определенный вариант конструкции, необходимо подобрать элементы, которые составят единую композицию системы.

3.3 Выбор оборудования для системы управления дефектов проволоки

Выбор вихретокового датчика

Для контроля необходимо подобрать соответствующий датчик .На мировом рынке существует несколько производителей вихретоковых датчиков: американская корпорация Bently Nevada; американская Metrix Instrument Co.; шведская SKF, датская Bruel & Kjaer,немецкая Foerster, российская НПП Вибробит.

Российское Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии требования к техническим характеристикам (диапазон измерения, чувствительность, нелинейность, шум и др.) вихретоковых датчиков не конкретизирует. Существуют только рекомендации по метрологическому обеспечению и методам поверки. Поэтому вихретоковые датчики от различных отечественных производителей зачастую существенно отличаются друг от друга техническими параметрами. Если же конечным продуктом является собственно вихретоковый датчик, его технические характеристики должны быть стандартизованы.Поэтому выбор производится из импортных датчиков ,производство которых ориентировано на американский стандарт API 670 ,который практически стал международным. В зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту контроля (ОК) их делят на проходные, накладные и комбинированные.По способу соединения катушек (обмоток) различают абсолютные и дифференциальные ВТП. Абсолютным называют ВТП (рисунок 3.7, а), выходной сигнал которого определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля. Дифференциальным ВТП принято называть, по существу, совокупность двух ВТП, обмотки которых соединены таким образом (рисунок 3.7, б), что выходной сигнал определяется разностью параметров ОК соответствующих зон контроля.

Рисунок 3.7. Абсолютный (а) и дифференциальный (б) параметрический ВТП: 1 - возбуждающие обмотки; 2 - объект контроля

Рисунок 3.8 Российский датчик S150E

Таблица 3.1 - Вихретоковые датчики

№	Наименование	Характеристики
1	Phases 3d	Диапазон измерения 2-10мм Габариты 120х116х 92 Стоимость 9700 руб.
2	VK-402 A	Диапазон измерения 2-4мм Габариты 100х1006х80 Стоимость 5800 руб.
3	Rohmann EC20	Диапазон измерения 2-20мм Габариты 192х139х57 Стоимость 8500 руб.
4	S150E	Диапазон измерения 1,2-44мм Габариты 150х140х60 Стоимость 8000руб.

Просмотрев различные варианты датчиков, от разных производителей, можно сказать, что наиболее подходящими характеристиками обладает вариант под номером 4 обладающий наилучшим диапазоном измерения, средними габаритами и стоимостью.

В отличие от анологичных датчиков , где элемент катушки составляет единое целое с кожухом и заполнен составом из смолы для герметизации, датчик имеет модульную конструкцию. (Рисунок 3.8)

...