В ПГУ создали прибор для обнаружения микротрещин в деталях машин
В Пензенском государственном университете запатентовали устройство для ранней диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях. Ноу-хау поможет сэкономить сотни тысяч рублей атомной, нефте- и газодобывающей, автомобильной промышленностям, крупным производствам. Проводить диагностику деталей станет возможным без остановки производства, а своевременная их проверка, замена изношенных предотвратит аварии, продлит срок службы машин и механизмов. Об этом сообщил ТАСС профессор ПГУ Владимир Кревчик.
Над разработкой устройства трудился научный коллектив Пензенского госуниверситета: декан факультета информационных технологий и электроники, д-р физ.-мат. наук, профессор Владимир Кревчик, д-р физ.-мат. наук, профессор Михаил Семенов, канд. физ.-мат. наук, доцент Александр Рудин.
Известно, что металлы и сплавы широко используют в качестве материалов в различных конструкциях. Это могут быть мосты, трубопроводы, детали машинных механизмов и так далее. В процессе эксплуатации материалы испытывают «усталостные» разрушения.
«Современные конструкционные материалы склонны к хрупкому разрушению, то есть к разрушению путем распространения дефектов типа микротрещин. Микродефект необходимо своевременно обнаружить: его место расположения, размеры, скорость развития. Так мы сможем заранее предотвратить разрушение детали или конструкции. Это особенно важно для ответственных промышленных объектов: для атомных реакторов, нефте- и газопроводов, хранилищ углеводородов», — рассказал Владимир Кревчик.
Предотвратить развитие негативного сценария можно с помощью метода неразрушающего контроля, то есть проводить диагностику детали или механизма без их разбора, демонтажа или разрушения. За это и взялись ученые ПГУ. Они разработали теорию механизма образования микротрещин по сигналам акустической эмиссии и собрали устройство для ранней диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях.
«В процессе образования микротрещины излучают сигнал акустической эмиссии. Микротрещина буквально „поет”. Например, если мы разорвем ткань, то услышим звук разрыва. Аналогичный процесс происходит и в твердом теле. Звук разрыва, то есть сигнал акустической эмиссии, можно регистрировать, изучать его структуру, получать информацию о микротрещинах и предпринимать меры для ликвидации этого процесса», — добавил Владимир Кревчик.
Отметим, что образование микротрещин опасно тем, что со временем они могут сливаться и образовывать магистральные трещины. Это приведет к разрушению детали, агрегата, конструкции.
В настоящее время для диагностики используют различные приборы и устройства, основанные на методе неразрушающего контроля, но все они имеют ряд недостатков. Главный недостаток — они «не видят» развивающийся микротрещины.
Проводить диагностику герметичности стенок резервуаров, а также деталей машин и конструкций в лабораторных условиях и в режиме их эксплуатации позволяет метод акустической эмиссии, который относится к современным неразрушающим методам диагностики и позволяет проводить дефектоскопию различных деталей, узлов и конструкций без нарушения их целостности и непосредственно в процессе их эксплуатации.
«Приборы обнаруживают микродефекты, не представляющие опасность для деталей. С такими микродефектами деталь может еще служить десятилетиями. Они не увеличиваются в размерах и не перемещаются внутри детали или образца. Чего нельзя сказать о развивающихся микротрещинах. Они под влиянием внешней как стационарной, так и переменной нагрузки изменяют свои параметры, перемещаются внутри образца и приводят к разрушению детали», — пояснил Александр Рудин.
В лаборатории «Оптика туннельно-связанных наноструктур» кафедры «Физика» ПГУ ученые создали уникальный прибор, способный обнаружить развивающиеся микротрещины.
Отметим, лаборатория открыта в 2020 году на базе факультета информационных технологий и электроники Политехнического института Пензенского госуниверситета на средства гранта проектной части Госзадания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Еще одна отличительная черта «ноу-хау» состоит в том, что с помощью этого прибора можно проводить диагностику деталей крупногабаритных машин (опоры моста или крана) не только в лабораторных условиях. Прибор позволяет осуществлять диагностику на удаленности до 50 метров. Для этого требуется просто подключить датчик к прибору, а регистрация показаний будет проходить в лабораторных условиях.
«Аналоги во всем мире существуют только в теории, то есть опытного образца ни по одному исследованию собрано не было», — прокомментировал Александр Рудин.
При диагностике методом неразрушающего контроля на показания, а значит, и на их точность, влияют низкочастотные технические шумы. Например, звуки городской среды: шум автомагистрали, суета города, стук колес поездов. Научный коллектив разработал методику регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ), которая позволила отфильтровать технические низкочастотные шумы и выделить только полезный сигнал, по которому осуществляется анализ сигналов АЭ и диагностика деталей на наличие микродефектов.
«Мы встроили в акустическую аппаратуру широкополосный датчик и усилители сигналов. И полностью произошла ликвидация технических шумов», — рассказал Александр Рудин.
Устройство собрано по блок-схеме (составные части: микросхемы, транзисторы, электронные усилители, триггеры Шмитта, преобразователи, генераторы прямоугольных импульсов, счетчики и другие). К электронному блоку подключен высокой частотности — коаксиальный кабель (он может достигать нескольких десятков метров) с датчиком. Датчик крепится к исследуемой детали, и осуществляется регистрация сигналов АЭ. Показания далее подаются в электронный блок, где полезный сигнал делится на три канала: низкочастотный, среднечастотный, высокочастотный. Процессу образования и развития микротрещин соответствует диапазон частот от 30 кГц до 0,35 МГц. Каждый канал отвечает за определенный тип дефекта. Опасными являются сигналы акустической эмиссии в диапазоне низких частот. Они будут свидетельствовать об образовании развивающихся микротрещин.
Ученые отметили, что следить за развитием микродефектов в деталях машин и конструкций станет возможно в непрерывном режиме их эксплуатации. Достаточно будет сравнить показания эталонного образца и исследуемого. Например, прибор станет неотъемлемой частью технического обслуживания машин (ТО). Самая известная деталь в автомобиле, испытывающая циклические нагрузки, — это рессора. Рессора — элемент подвески транспортного средства. Она передает нагрузку от рамы или кузова на ходовую часть (колеса, опорные катки, гусеницы и т. д.), смягчая удары и толчки при прохождении по неровностям пути. От ее исправности зависит амортизация автомобиля. Своевременно замененная деталь сможет сэкономить автовладельцу десятки тысяч рублей, так как ее поломка повлечет и другие.
«Можно, не разбирая систему амортизаторов машины, определить наличие опасных микродефектов и сделать вывод о целесообразности замены или ремонта этого механизма или машины», — уверен Александр Рудин.
Все показания выводятся на персональный компьютер или ноутбук, где специальная программа Cool Edit Pro – 2 на графиках показывает состояние изношенности детали с момента начала ее эксплуатации.
«Мы создаем картину распределения микротрещин в виде „рельефа”, которая позволяет сделать вывод о том, насколько конструкция повреждена в этот момент, насколько велика вероятность ее разрушения», — добавил Владимир Кревчик.
Ученые проверили свой прибор более чем на 100 рессорах в лаборатории университета. Полученные данные убедительно доказывают эффективность и надежность этого прибора.
Изобретением заинтересовались представители военной промышленности.