Первичный преобразователь прибора динамического инструментального индентирования с дифференциальной катушкой индуктивности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Колганов Олег Александрович

• Колганов Олег Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Колганов Олег Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА

1.1 Методы и средства контроля механических свойств материалов

1.2 Метод динамического инструментального индентирования

1.2.1 Основы метода динамического инструментального индентирования

1.2.2 Первичный преобразователь прибора динамического инструментального индентирования

1.2.3 Современное состояние приборной реализации метода динамического инструментального индентирования

1.2.4 Степень разработанности первичного преобразователя для прибора динамического инструментального индентирования

1.3 Анализ методов и средств регистрации параметров движения ударника при контактном ударном взаимодействии

Выводы к главе 1. Постановка цели и задач исследований

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИБОРА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ КАТУШКОЙ ИНДУКТИВНОСТИ

2.1 Исследование закономерностей формирования сигнала электродвижущей силы при движении постоянного магнита через дифференциальную катушку индуктивности

2.1.1 Принцип магнитоиндукционного метода с дифференциальной катушкой индуктивности

2.1.2 Компьютерное моделирование магнитоиндукционного метода с дифференциальной катушкой индуктивности

2.1.3 Исследование закономерностей формирования сигнала электродвижущей силы при движении постоянного магнита через дифференциальную катушку индуктивности

2.1.4 Исследование влияния длины магнита на форму получаемого сигнала электродвижущей силы при движении постоянного магнита через дифференциальную катушку индуктивности

2.2 Разработка алгоритма расчета параметров первичного преобразователя для прибора динамического инструментально индентирования с дифференциальной катушкой индуктивности

2.2.1 Разработка алгоритма расчета параметров первичного преобразователя

2.2.2 Программное обеспечение определения значений параметров первичного преобразователя с дифференциальной катушкой индуктивности для прибора динамического инструментального индентирования

2.3 Обоснование применимости магнитоиндукционного метода с дифференциальной катушкой индуктивности для оценки параметров движения ударника

2.3.1 Разработка и экспериментальная апробация макета первичного преобразователя

2.3.2 Экспериментальная апробация макета первичного преобразователя для прибора динамического инструментального индентирования на мерах твердости

2.4 Экспериментальная оценка изменения скорости движения ударника

2.5 Разработка и экспериментальная апробация прототипа первичного преобразователя с дифференциальной катушкой индуктивности

2.5.1 Разработка прототипа первичного преобразователя с

дифференциальной катушкой индуктивности

2.5.2 Разработка экспериментального стенда для апробации прототипа первичного преобразователя с дифференциальной катушкой индуктивности

2.5.3 Качественная оценка сигнала ЭДС

Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ПРИБОРА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ

3.1 Описание приборной реализации метода динамического инструментального индентирования

3.2 Разработка опытного образца прибора динамического инструментального индентирования

3.3 Проверка работоспособности опытного образца прибора динамического инструментального индентирования

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ПРИБОРА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ

4.1 Экспериментальная апробация опытного образца прибора динамического инструментального индентирования на мерах твердости

4.2 Экспериментальная апробация опытного образца прибора динамического инструментального индентирования на плоских образцах207

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СВИДЕТЕЛЬСТВО О ВЫДАЧЕ ПАТЕНТА НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. СВИДЕТЕЛЬСТВО О ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Первичный преобразователь прибора динамического инструментального индентирования с дифференциальной катушкой индуктивности»

РЕФЕРАТ

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертационного исследования

Оценка механических свойств материалов остается одной из важных задач контроля качества изделий различных отраслей отечественной промышленности (машиностроение, приборостроение, авиа и судостроение и пр.). Обеспечение надежности изделий во многом определяется эффективностью применения методов и средств контроля механических свойств их материалов, как при их производстве, так и при их эксплуатации. В настоящее время разрушающие методы контроля механических свойств материалов изделий по-прежнему находят широкое применение, предполагая проведение испытаний образцов с использованием стационарного испытательного оборудования [1,2,3]. Несмотря на значительный теоретический и практический задел в области методов неразрушающего контроля механических свойств материалов, среди которых следует выделить методы индентирования, основанные на измерении их твердости [4,5,6,7,8], количественная оценка механических характеристик материалов непосредственно на изделии до сих пор остается сложной задачей.

Определение механических свойств материала по характеристикам твердости выделяют как особенно важный аспект. В настоящее время разработано большое количество методов контроля твердости, которые обычно основываются на взаимодействии индентора с испытываемым материалом. С учетом вышеизложенного, актуальной задачей становится разработка и внедрение методов контроля механических свойств материалов, позволяющих получать точные и достоверные количественные оценки механических характеристик материалов непосредственно на изделии, минуя этап изготовления образцов-свидетелей. К таким методам можно отнести динамические методы контроля твердости материалов по Шору и по Либу, в

основу которых положена оценка параметров движения ударника. Оценка твердости материала по методу Шора производится по высоте отскока ударника от поверхности материала [10]. Использование метода Либа для оценки твердости материала предполагает расчет отношения скорости отскока ударного элемента к его скорости до столкновения с поверхностью испытываемого материала [11]. Однако, оценка других механических характеристик материалов возможна лишь на пересчете твердости, основанном на эмпирических зависимостях [12].

Метод динамического инструментального индентирования (ДИИ) обладает преимуществами по отношению к другим существующим методам твердометрии поскольку позволяет производить не только оценку твердости материалов, но и динамический модуль их нормальной упругости, а также других механических характеристик с использованием регрессионных зависимостей, полученных на основе эмпирических или теоретических моделей деформирования материала [13]. Необходимо отметить, что метод ДИИ позволяет осуществлять неразрушающий контроль механических свойств различных материалов: как металлов, так и неметаллов, в том числе резин, полимеров и композиционных материалов [15,16,17,18,19,20,21,22].

Метод ДИИ основан на ударном внедрении индентора с заданной кинетической энергией в испытываемый материал с одновременной непрерывной регистрацией параметров движения ударника при его контактном ударном взаимодействии (КУВ), а значит и наиболее полной диаграммы локального ударного нагружения испытываемого материала. Преимуществом метода ДИИ является возможность его реализации с использованием портативных приборов [23,24,25], что позволяет проводить контроль механических свойств материалов изделий, как при их изготовлении, так и в процессе их эксплуатации. В ходе КУВ осуществляется регистрация электрического сигнала - электродвижущей силы (ЭДС) индукции, наводимой при этом в катушке индуктивности магнитоиндукционного преобразователя, что позволяет получить значительное количество информативных

параметров, характеризующих механические свойства исследуемого материала, и оценить его деформацию при локальной динамической нагрузке.

Степень разработанности темы диссертационного исследования.

Многолетнее развитие методов твердометрии позволило создать обширный список публикаций, включающий работы таких авторов как: М.С. Дрозд [26,54], Ю.В. Мильман [28,29], В.А. Сясько [18,32-37,41], К.В. Гоголинский [18,32-37], А.А. Никазов[ 18,74,36], С.И. Булычев [42-43], В.П. Алехин [42-43], В.М. Матюнин [44-51], М.М. Матлин [52-55], В.И. Мощенок [27], H. Огар [30,31], А.И. Потапов [18], H. Lee [39], G.M. Pharr, [39, 40-41], W.C.Oliver [40-41], и другие.

Основоположником метода динамического инструментального индентирования (ДИИ) можно считать профессора В.А. Рудницкого -заведующего лабораторией контактно-динамических методов при ИПФ HAH [17,16,17,56-61]. В течении последних лет были опубликованы работы по методу ДИИ следующих авторов: А.П. Крень [15,17,22,56-59,63], А.В. Рабцевич [16,23, 64], О.В. Мацулевич [23,60], Т.А. Протасеня [24,61,62,65], Г.А. Ланцман [15,57,59], Е.В. Гнутенко [57], А.В. Ильинский [66], Р.А. Егоров [67] и др. Следует отметить, что большинство опубликованных работ посвящалось решению вопросов связи значений параметров контактного ударного взаимодействия к контрактным механическим характеристикам [1517,56,58,59,].

При создании портативных средств контроля особое внимание уделяется метрологическому обеспечению определяемых характеристик [17]. При реализации метода ДИИ, на основе которого определяются механические характеристики материалов, основным параметром первичных преобразователей является точность оценки параметров движения ударника при контактном ударном взаимодействии (КУВ). Однако на сегодняшний день вопрос оценки параметров движения ударника и методическое обеспечение разработки первичного преобразователя не получило должной проработки и конструктивной оптимизации.

В существующем стандарте ГОСТ Р 56474-2015 [13] не устанавливается конкретных методов и средств для получения первичной информации, а так же их параметров. В частности, нормативный документ на метод динамического индентирования [13] не определяет массо-геометрические параметры ударников и кинетические параметры систем сброса ударников, что влияет и на дальнейший расчет механических свойств, в том числе по методике классического инструментального индентирования.

В существующих портативных твердомерах, а также датчиках ДИИ для оценки параметров движения ударника применяется магнитоиндукционный метод с одинарной катушкой индуктивности. Конструктивная особенность датчика заключается в обеспечении оптимального расстояния между магнитом и верхней частью катушки индуктивности. В настоящее время для повышения информативности получаемого сигнала производилась оптимизация только величины зазора [68-72].

Так же следует отметить, что проводились работы направленые на определение скорости в момент удара, не анализируя ее сопоставление с ЭДС, регистрируемой в катушке индуктивности. Известные работы по оценке скорости движения ударника сосредоточены на исследовании приборов по методу Либа [70,77].

Для дальнейшего развития метода динамического инструментального индентирования задача разработки математического, алгоритмического и технического обеспечения приборов динамического индентирования видится актуальной.

Объектом исследования является первичный преобразователь прибора динамического инструментального индентирования.

Предметом исследования является математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение приборов динамического инструментального индентирования.

Целью диссертационных исследований является разработка математического, алгоритмического и технического обеспечения приборов

динамического индентирования позволяющего повысить точность оценки параметров движения ударника датчика и, следовательно, механических характеристик материала.

Задачи исследований:

1. Проанализировать существующие методы и средства контроля механических свойств материалов. Провести анализ существующих методов и средств регистрации параметров движения ударника.

2. Исследовать влияние параметров первичного преобразователя датчика динамического инструментального индентирования на сигнал ЭДС с помощью компьютерного моделирования. Разработать алгоритм расчета значений параметров первичного преобразователя для прибора динамического инструментального индентирования. Разработать прототип первичного преобразователя для прибора динамического инструментального индентирования с дифференциальной катушкой индуктивности и выполнить его экспериментальную отработку.

3. Разработать опытный образец прибора динамического инструментального индентирования.

4. Провести экспериментальную апробацию опытного образца прибора динамического инструментального индентирования.

Научная новизна диссертационной работы:

1. На основе результатов компьютерного моделирования получены зависимости значений ЭДС, возникающих в дифференциальной катушке индуктивности, от значений параметров первичного преобразователя (диаметр и длина постоянного магнита и дифференциальной катушки индуктивности), позволяющие определить локальные экстремальные значения ЭДС при соотношениях:

- диаметра к длине постоянного магнита;

- длины постоянного магнита к длине катушки индуктивности;

- длины катушки индуктивности к диаметру катушки индуктивности.

2. Научно обоснован, разработан и реализован алгоритм расчета значений таких параметров первичного преобразователя с дифференциальной катушкой индуктивности, как диаметр направляющего стержня, число витков, число слоев, длина проводника, толщина катушки индуктивности, сопротивление катушки индуктивности, которые обеспечили создание опытного образца прибора динамического инструментального индентирования.

Практическая значимость результатов диссертационной работы

состоит в том, что они позволили обосновать использование первичного преобразователя с дифференциальной катушкой индуктивности (полезная модель №226986) и создать опытный образец прибора динамического индентирования, обеспечивающий повышение точности оценки мгновенных значений параметров движения ударника во времени в среднем на 40%, а также снижение погрешности оценки твердости материала на 20% и модуля упругости - на 30%.

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в развитии теоретических и экспериментальных основ метода динамического инструментального индентирования, а также в совершенствовании магнитоиндукционного метода регистрации параметров движения ударника и разработке алгоритма расчета значений параметров первичного преобразователя для прибора ДИИ.

Методология и методы исследования

Исследования проводились на основе математического и компьютерного моделирования, физического эксперимента, статической обработки результатов эксперимента.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование первичного преобразователя с дифференциальной катушкой индуктивности позволяет повысить точность оценки мгновенных значений параметров движения ударника во времени в среднем на 10%. Зависимости значений ЭДС, возникающих в дифференциальной катушке

индуктивности, от значений параметров первичного преобразователя, полученные на основе результатов компьютерного моделирования, позволяют провести расчет квазиоптимальных значений его параметров (п. 1 паспорта специальности 2.2.8.).

2. Алгоритм расчета параметров первичного преобразователя позволяет разработать опытный образец прибора динамического инструментального индентирования, обеспечивающий снижение погрешности оценки твердости материала на 20% и модуля упругости - на 30% (п. 3 паспорта специальности 2.2.8.).

Результаты диссертационной работы реализованы при разработке опытного образца прибора динамического инструментального индентирования в ООО «НТЦ «Эталон» для комплекта средств контроля поверхностных дефектов и распределения механических свойств в рамках опытно конструкторской работы «Создание технологического стенда-комплекса для неразрушающего контроля опытных ДСЕ, изготовленных с применением аддитивных технологий», шифр СЧ ОКР: «ДУ СВ» (Отражение - Эталон).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач теоретических и экспериментальных исследований, формулировке положений выносимых на защиту; разработке алгоритмов и доказательстве их достоверности, разработке, изготовлении и экспериментальной отработке макета первичного преобразователя и опытного образца прибора динамического инструментального индентирования с дифференциальной катушкой индуктивности; планировании и проведении экспериментов, а также обработке их результатов.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждаются корректностью постановки цели и задач исследований; сходимостью результатов экспериментальных исследований с результатами теоретического анализа и компьютерного моделирования; признанием

основных положений диссертации широким кругом специалистов при апробировании материалов исследований на конференциях.

Основные и промежуточные результаты диссертационной работы

Основные результаты настоящей диссертационной работы реализованы ООО «НТЦ «Эталон» и представлены в Акте о внедрении результатов. Результаты диссертационной работы доложены на 14 международных, всероссийских и региональных конференциях:

1) Молодежная научно-техническая конференции в рамках XI Международного промышленного Форума «Территория КОТ 2024» в области технологий и средств неразрушающего контроля и технической диагностики, г. Москва, ЦВК Экспоцентр, 15.04.2024 - 17.04.2024 г.;

2) XXXV Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», г. Екатеринбург, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, 12.03.2024 - 15.03.2024 г.;

3) XXIII Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Москва, ЦВК Экспоцентр, 23.10.2023 - 25.10.2023 г.;

4) VII Международная конференция «Информационные технологии и технические средства управления» (ГССТ-2023), г. Астрахань, Астраханский государственный технический университет, 02.10.2023 - 06.10.2023 г.;

5) XXXIV Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», г. Пермь, ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», 20.04.2023 - 21.04.2023 г.;

6) XII Конгресс молодых ученых (КМУ), г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 03.04.2023 - 06.04.2023 г.;

7) LII Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 31.01.2023 - 03.02.2023 г.;

8) VI Международная конференция «Информационные технологии и технические средства управления» (ICCT-2022), г. Астрахань, Астраханский государственный технический университет, 03.10.2022 - 07.10.2022 г.;

9) XXXIII Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», г. Екатеринбург, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, 19.04.2022 - 20.04.2022 г.;

10) XI Конгресс молодых ученых (КМУ), г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 04.04.2022 - 08.04.2022 г.;

11) LI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 02.02.2022 - 05.02.2022 г.;

12) Международная научная конференция «Современные материалы и передовые производственные технологии» (СМППТ-2021), г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 21.09.2021 - 23.09.2021 г.;

13) X Конгресс молодых ученых (КМУ), г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 14.04.2021 - 17.04.2021 г.;

14) XXXII Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», г. Екатеринбург, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, 30.03.2021 - 31.03.2021 г.

Публикации.

Основные результаты по теме диссертации изложены в 1 2 публикациях. Из них 3 изданы в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в международной реферативной базе Web of Science/Scopus, 4 в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук (далее - Перечень ВАК), 2 - в изданиях базы данных RSCI, 3 - в изданиях, входящих в базу РИНЦ. Получено 1

свидетельство на полезную модель и 1 свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1) Kolganov O.A., Egorov R.A., Ilyinsky A.V., Khoshev A.E., Kinzhagulov I.U., Fedorov A.V. Development of the Design of the Sensor and the Elements of Software Data Processing of the Dynamic Indentation Device//2022 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT), 2022, pp. 1-5;

2) Kolganov O.A., Egorov R.A., Ilyinsky A.V., Khoshev A.E., Kinzhagulov I.U., Fedorov A.V., Lukyanov G.N. Development of an Algorithm for Calculating the Parameters of the Primary Sensor Transducer for a Dynamic Indentation Device // 2023 7th International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). - 2023, pp. 1-5;

3) Khoshev A.E., Kolganov O.A., Egorov R.A., Fedorov A.V., Kinzhagulov I.U. Computer Simulation of Registration of Indenter Motion in the Process of Contact-Impact Interaction // 2023 7th International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). - 2023, pp. 1-4;

В изданиях из перечня ВАК РФ:

4) Колганов О.А., Егоров Р.А., Ильинский А.В., Хошев А.Е., Федоров А.В. Разработка алгоритма расчета параметров первичного преобразователя датчика для прибора динамического индентирования // Приборы. - 2023. - № 11(281). - С. 1-8 (категория ВАК К2);

5) Колганов О.А., Егоров Р.А., Ильинский А.В., Хошев А.Е., Кинжагулов И.Ю., Федоров А.В. Разработка конструкции датчика и элементов программной обработки данных прибора динамического индентирования // Приборы -2022. - №2 12(270). - С. 27-34 (категория ВАК К2);

6) Колганов О. А., Ильинский А. В., Егоров Р. А., Хошев А.Е., Федоров А. В. Дифференциальное включение катушек индуктивности для регистрации параметров движения ударника при динамическом

индентировании // Известия высших учебных заведений. Приборостроение -2023. - Т. 66. - № 1. - С. 74-80 (категория ВАК К1);

7) Лобастов М.М., Хошев А.Е., Колганов О.А., Егоров Р.А. Разработка компьютерной модели контактно-ударного взаимодействия в процессе динамического индентирования изделий, изготовленных методом лазерной наплавки из жаропрочных сплавов на основе никеля // Труды НПО "Энергомаш имени академика В.П. Глушко" -2023. - С. 187-198 (категория ВАК К2);

В изданиях базы данных RSCI:

8) Колганов, О.А. Оптимизация параметров первичного преобразователя прибора динамического инструментального индентирования с дифференциальной катушкой / О. А. Колганов, К. И. Доронин, А.С. Голев // Дефектоскопия. - 2024. - № 6. - С. 74-78;

9) Колганов О. А., Хошев А.Е., Егоров Р. А., Федоров А. В., Лукьянов Г. Н., Коняшов В.В. Разработка макета датчика для прибора динамического индентирования // Дефектоскопия - 2023. - № 9. - С. 64-66;

В иных изданиях:

10) Колганов О. А., Хошев А. Е., Федоров А. В., Лукьянов Г. Н. Разработка первичного преобразователя для датчика динамического индентирования на основе дифференциально включенных катушек индуктивности // Интеллектуальные системы 4-й промышленной революции: сборник материалов V Международного форума (Томск, 24-25 ноября 2022 г.) - 2023. - С. 81-82;

11) Колганов О. А., Федоров А. В. Обоснование выбора метода регистрации параметров движения ударника при динамическом индентировании // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО -2022. - Т. 2. - С. 53-56;

12) Колганов О. А., Федоров А. В. Разработка экспериментального стенда для стационарных исследований конструктивных элементов датчика

динамического индентирования // Сборник трудов XI Конгресса молодых ученых (Санкт-Петербург, 4-8 апреля 2022 г.) -2022. - Т. 1. - С. 190-195.

Авторские свидетельства, патенты:

1) Колганов О. А., Коняшов В.В., Егоров Р. А., Ильинский А. В., №2024666670 «Программное обеспечение определения значений параметров первичного преобразователя с дифференциальной катушкой индуктивности для прибора динамического инструментального индентирования» 15.06.2024;

2) Колганов О. А., Егоров Р. А., Ильинский А. В., Хошев А. Е., Устройство регистрации параметров движения ударника при контактном ударном взаимодействии с дифференциальной катушкой индуктивности // Патент РФ № 226986. МПК G01N 3/52. 2024.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, список используемых источников из 112 наименований и 3-х приложений. Общий объем диссертации содержит: 291 страниц печатного текста, 36 таблиц и 80 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Колганов Олег Александрович

Выводы

Разработана компьютерная модель контактно-ударного взаимодействия при оценке физико-механических свойств изделия из жаропрочного сплава на основе никеля, полученного методом лазерной наплавки. Проведена оценка сходимости результатов компьютерного моделирования. На основе проведенного исследования можно сделать вывод, что метод динамического интегрирования является перспективным способом контроля физико-механических свойств изделий, полученных методом лазерной наплавки. В дальнейшем будет проведена экспериментальная отработка метода и средств динамического интегрирования с учетом результатов, полученных при компьютерном моделировании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Колганов Олег Александрович, 2024 год

Литература

1. Крснъ А. П., Рабцееич А. В., Зинкевич Н. В. Моделирование ударного контакта индентора с нежесткими стальными конструкциями при

изменении твердости И Изв. НА У Беларуси. Серия. Физнко-технические науки. 2017. № 4. С. 38—45.

2. Креяь А. П., Рудницкгш В. А., Делепдик M. Н. Опенка погрешности определения физнко-механическнх характеристик материалов при их контроле методом индентнрования H Приборы и методы измерений. 201S. Т. 9, № 3. С. 263—271.

3. Kolganov О., Egorov R., Ilyinsky A., Shoshev A., Kmzhaguiav I., Fe-dorov A. Development of the Design of die Sensor and the Eléments of Software Data Processing of the Dynamic Indentation Device H 2022 International Conférence on Information, Control and Communication Technologies (ICCT) - 2022, pp. 1-5

4. Калганов O.A., Ильинский A.В., Егоров P.A., Хошвв A.E., Федоров А.В. Дифференциальное включение катушек индуктивности для регистрации параметров движения ударника при динамическом индентиро-вании И Известна высших учебных заведений. Приборостроение - 2023. -Т бб -№ 1С. 74-80

5. Колганов О А., Егоров Р. А., Ильинский А.В., Хотев А.Е., Кин-жагулов И.Ю., Федоров А.В. Ра зработка конструкции датчика и элементов программной обработки данных прибора динамического индентнрования Н Приборы - 2022. - № 12(270). - С. 27-34

6. VoceE. МеЫЬгртга // Col. 51 1955. Р 219.

Поступила 24.07.2023 г.

УДК 620.179119:620.178.153.2

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТР ОБ ПЕРБПЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИБОРА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНС1Р>МЕБХАТЬНОГО ННДЕНТИРОБАНИЯ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ КАТУШКОЙ

£ 2 02 4 г. О. А. Ко лга нов К.П. Л орон ик1-, А.С. Гол ев

'Униеерсипня ИТМО. Россия 197101 Санкт-Петербург, Кронверкский пр.., 49 2ФГЕОУ БО «Санкт-Петербургский горны и унаварситвт илп2ератр?л^т Екатерины Цщ.

Россия 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия Васильевского острова, 2 3000 гЯВНСТАНХЛ». Россия 198097 Санкт-Петербург, Огородный переулок, 21, литер Л, оф. 404 Е-яаЯ: "ко1^апо^014(а£уап&х.тщ; ^"¡¡огопт. к. га mail.ru; " "агтет?о1е\1999 ijgmail.com

Поступил! в резаыгаге- \6.05.2024; после лораооткн 31.05.2024 Принял к публикации 04. Об.2024

РассмотрЕхы вопросы швшншпнл опенгог -арамегров :гв;жвння нвлентора б первичном преоораюва-гепв прноора ггннамнческого инструментального шиенгировани; г нспс.тв юванпем гщ-ъ встречно в:-л:-оченньс;; оомого:-: кзтудшд (ггнфференпкалъхон хаг}-пшн) . Расчет :сара:-ггернсгкв; перыгшого преооратовагеш выполнен на оснсяе хемпъвотерного мосетнровахн* л ретпенхя зоачн пошаговой ^тсловнон оптпмшапхн отно^лтелвньс; размеров мапотта упдршзка п :-^т=гев. Прелсгавлехш резулыаты всслегобзхия первнчнотг гтр«гораюьаге:1£ с лнффер ен-лналвнон каг)тпьоЁ (сравхнгЕ.тъньг; оленол регхстрвруемого сигнала — ЭДС н штамп есксго мол^тк эттртосгл стали СтЗ] по отнгпеннве к отлеегт-ветпвму перБнчхмяу преобразователю датчика прноора -апЩ-Ти. ьототые холазалн его прелмутество.

кяшчвгяв оие лпналпчЕсюе ннсттуненталвхое нхгенгкровахне. хомпвзотервое молеллровахне. ховтахтное уларлое втанмпленствне параметре; лвн&ехнл. шпбеенв магнпт

OPTIMIZATION ОЕ THE PARAMETERS OE THE PRIMARY TKANSUUCER OF THE DYNAMIC ENSTRITMENTED INDENTATION DEVICE WITH A DIFFERENTIAL COIL

© 2024 O. A. Kolganov1-", K. L Dorouiu2 " A. S. Gi.]«^*"

'JZWO Unhersity, Russia 197101 St Petersburg, Kronrsrksky .im, 49

-Sr. Petersburg if in in g University of Empress Caßsertm s П, Russia ¡99106 St. Ре tersburg, 21st Line of

Kisilimsfy bland, 2

3LLC COHSLÛÎT.Russia 198097 St. Petersburg, Ogorvdny lane. 21, letter Л, of. 404 E-mail: 'кolganofpOl 4ïtyandex.ni; "doronm.k. г 'атпаИ.ги; *"artemgole\1999 ügm ail.com

ТЪе iisoei of илргопл? rte accuracy of eirimarin? the iadenrei morion parameters in tie primary converter of a dynamic in-iuumenred iadenrarion device шла гаю counter-connected coil iimdmgb (differenrial coil) aie considered The calculation of the characterimci of rte primary convener lb baied on compute: uiodelin? and bolvina the problem of ыер-by-3tep coadiroual optkniaadji of the relmve ¿uneniion-; of the 3triler шаепет and coil. The геыйз of a srudv of a primary convenir Tvdrh a dißerendal coi] (comparante etrimare^ of rhe recorded ri Eni — EMF and the dy namic modolui of elasticity of зтее] Stl] in relanon to the eïiiung prizuary зепвот convener of the ТРГЬ-7 device, which bboived it; advantage.

dynamic m Ltr.Lueüted indentation. computer modelinE. conract-iucpact interacrioiL irodon parameters, permanent шаепес.

DOI:

БВЕДЕШЕЕ

Опеикд механичесык хараперыстик материалов является аьлуапввой ?алачей в различнвш отраслях промышленности. Олши из герспемивны\ методов 0е?обра?цового контроля механических свойств материалов н иэае,лий является метод лннаныческого инстр\7менталвного инлентарсвания (ДИЦ). слтиность которого заключается в непрерывной регистрации параметров лвижен;1я ннлентора н процессе его контактного ударного нза1Еюдейств1и (1'УВ) с нспы-тызаемым магерналоы В настоящее время для регнетрашш параметров движения ^гзаршп^ прн КУВ применяется ыагнжтояндукцнонныж метод [1—3]. Для певвшения точности опенки параметров движения нндентора предлагается совершенствсвание первичного преобразователя (ПП) на оснозеыспользаваши дифференциальной кэтупжн (рис. 1), которая ввиду стшетрт-ности KOHCTpv'HiHii минимизирует зависимость ЭДС от перемещения магнита, при условии, что диапазон перемещения многократно меньше суммарной высоты обмоток н лежит в области нх раздела.

Олпсмизация параметров перзтсчного преобразозателя прибора._

Fnc. 1. йпюстрапня ПП i знфф«рен^альной :-1ат}ттаой: г-змсгрр^шн ПП (л); ПП (в1

Целью исследования является определение значений параметров ПП, соответствующих требованиям шиппеап! знергии и страсти papa, массе ударника (бойка), радиксу инден-тора (шарикового наконечника} по ГОСТ Р 8.969—2019 {ИСО 16859-1:2015) [4] и обеспечивающих качество сигнала ЭДС, а также точность опенки динамического модуля упругости материала.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССДЕДОВАШШ

ЭДС e(i). наводимая на выходах дифференциальной катушки при движении магнита через нее. зависит от ряда параметров, влияющих на качество регистрируемого сигнала:

в(0 Le ^ ^N, п. c,L, R, S, f),

где |i0— магнитная прон1шаемость проводника: N— количество витков каждой из обыоток дифференциальной катушки: R — сопротивление проводника: л — число слоев намотки: г — толшина намотки: S— ппошаль поперечного сечения проводника: — диаметр дифференциальной катллпки: — длина дифференциальной катушки: LM — длина постоянного магнита: dM — диаметр постоянного магнита.

Исследование закономерностей влияния параметров ПП на регистрируемый e(f) выполнялось с использованием компьютерной модели, разработанной на основе интегрированной платформы для моделирования ComSol MyttiphyíicS с интерфейсом Magnetic Field? модуля AC'DC. отражающей наводимую в дифференциальной катушке е(г) при пролете постоянного магнита с ускорением свободного падения при нормируемой скорости удара [5]. В качестве варьируемого входного параметра принимались значена диаметра магнита (iíj. Опенка оптимальных значений параметров ПП осуществлялась на основе решения задач пошаговой условной оптимизации в следующем виде:

В таол. 1 представлены основные параметры п характериспшн ПП, соответствующие основным требованиям по параметрам удара, предъявляемым к датчикам типа D по ГОСТ Р S.969—2019 (ИСО 1<5S59-1:2015) [4].

64

O.A. Колганов. К.И. Дороннн. A.C. Голев

Таблица 1

Параметры п 1яряьтервгтекн прогстпп.! ПП с ЛКИ

НглмбЕсклне с:.рза«р?. Обоакткнне Gi.paseip?. асизше ni.paseip?.

Диаметр магнита 4,0 мм

Дми магнита 3.5 мм

Внутренний лпдметр тнф ферехина.тьнон катушки i 14JO мм

С опрстиБЛЕЮ^б i"ферес-юна.^нсн ^'дтт п-и X. 614 Ом

Длнха прдвщрдижз 1 10 м

Количество ЕНТЕОВ обмоток тнфферехстка.тънон кагушкк X 694

Число слоев S

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ II ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результативность разработки прототипа ПП с ДКИ определялась на основе сравнительных опенок регистрируемой e(f) при КУВ с образпом нз углеродистой стали, о также оценок динамического модуля упругости материала по отношению к ПП датчика прноора «ТП11-7», разработанного Институтом прикладной физики Национальной акалемш! наук Беларуси н имеющего одну обмотку катушки [6, 7].

При сравнительной оценке качества сигнала ЭДС при КУВ использовался плоский образец из стали Ст. 3. Сигнал ЭДС регистрировался с помошью цифрового осциллографа марки RoMe Schwarz, а дальнейшая обработка полученных данных осуществлюсь на компьютере с помощью программного обеспечения, реализованного в программной среде MATLAB. На рис. 2 представлены графики полуденные с ПП прибора <\ТПП-7» и с прототипа ПП с ДКИ.

1

1 \

i

1<Н

fl.5

7 7,5 Вреж. с

I 1,5

Ри:. Графики ПП прибора ■■ ТПЦ-7» (а): прототип ПП с ДКИ (ff).

Опенка качества регистрируемой s(0 производилось на основе оценки показателя SKR (отношение амплитуд сигнал шум):

SNR = 20 los.

Ig J

где Л_____— амплитуда Яш™ — амплитуда шумовой составляющей.

Результаты опенки показателя ЖЛ для ГШ прибора <■:ТПЦ-7» и проютипаПП г ДКИ представлена в табл. 2.

Сравнительный анализ результатов. представленных в табл. 4, свюетельствует о том. что прототип ПП с ДКИ менее воспршсмчив к внешним помехам, имеет ышыпнё уровень собственных шумов. за счет этого способен обеспечизатъ возможность обработки е(г) с меньшими энергетическими характеристиками по сравнению с ПП прибора «ГПЦ-7».

Оппсмизация параметров первичного преобразователя прибора...

05

ЗвлэеЕЕЯ локазлтеля SNR {отвешеЕне с нгЕа.хчпуч]

Таблица 2

Тэп ПП SKR, дБ

ПП лрнйора «ПЩ-Т» 0,0166 0,0466

Прототип ПП с ДКИ 0,7750 0,0811 19,6

Экперниевтальвые опенка лввамвческего молуляупруг«гн Е„ ГПя

Г а б л и п а 3

-VE ВЗМ 1 2 3 - 5 6 7 8

ПП прибора |(ТПЦ-7н 177 193 177 154 171 154 171 196

Протогкп ПП с ДКИ 1» 115 110 175 137 179 175 187

Результаты овевал погрешностей взмеревня молу ля упругости

Г а б л и п а -

ТяпПП С Естеастжчесш 1юп;елЕне;ть. ГШ С г^тглкы сет^ешн-асп, ПЬ OCEOIIHÜ 1 суидг.рздз; лоюепЕа сгь. ПЪ

ПП лрибора «ПЩ-Т» IM 24.7

Прототип ПП с ДКИ 19 М

Экспериментальная оценка динамического модуля нормальной упругости материала по □ааным диаграмм вдавливания ннлентора производилась согласно ГОСТ Р 56474—2015 [1] на плоском образце типа ] (по ГОСТ 1497—84 (ИСО 6S92-&) из стали Ст. I по результатам серил из 12-и измерении с использованием прототипа ПП с ДКИ и ПП прибора чТПЦ-"Ъ> и представлена в табл. 3.

Эксперт!енлальная опенка модуля упругости материала образца также производилась на основе обработки результатов его испытании на разрыв по ГОСТ 1497—S4 (ИСО 6S92-S4) [S] с использованием испытательной машины <fwalter+bai ан 150 кНи (¡составила 179 ГПа. которая далее принималась в качестве его опорного значения.

Оценка погрешностей измерения модуля упругости проводилась согласно методике, изложенной в ГОСТ Р 56474—2015 [1]. результаты которой представлены в табл. 4.

Сравнительный анализ погрешностей свидетельствует о преимуществе разработанного прототипа ПП с ДКИ по сравнению с ПП прибора \<ГП11-7».

ВЫВОДЫ

Разработанный алгоритм расчета параметров ПП с ДКИ. проведенный на основе результатов компьютерного моделирования и решенил задачи пошаговой условной оптимизации его относительных геометрических размеров, позволил выполнить разработку его прототипа и определить граничные условия его применения.

Сравнительная оценка e(f), регистрируемой прототипом ПП с ДКИ по отношегпсо к суше-стнуюшему ПП датчика прибора «ТП11-'Й>, показала тъелтенне значения показателя SNR (отношение сигнал-'шум) примерно в 2 раза, что свидетельствует о его лучшей помехозащищенности.

Полученные результаты сравнительной опенки динамического модуля упругости стали Ст.З позволяют сделать вывод о том. что суммарная погрешность измерений при использовании ПП с ДКИ будет меньше, чем при использовании ПП прибора 'хТПЦ-7».

(ЛЕСОК ЛИГЕВНТРЫ

1. ГОСТ Р 56474—2015. Контроль неразрлтпаюппш физико-механических свойств материалов и покрытий космической техники методом шнамического икдентировання. М: Станларпшформ. 2013. С 15—17.

2. РЧ-ÖHtrtrmjjj В.А., Рабцееич A.B. Метод динамзчесшго индешнробаннм дтя опенки мехакгче-скнх характеристик металлических материалов Н Дефектоскопия. 1997. >ё 4. С. 79—Ёб.

66

O.A. Колпшов. К.И. Дороннн. A.C. Голев

3. Егоров P.A., Шъинский A.B., Кгзьмичев М.В., Федоров A.B. Аппаратао-алгоратмаческое оое-спечение пропесса шнамического икденглрозания И Дефектоскопия. 2020. 6. С. 61—69.

4. ГОСТ 8.969—2019 (IICO 16859-1:2015) Государственная сипаи оое течения единства измерений (ТСИ). Металлы н сплавы. Определение твердости по шкалзы Либа. Часть 1. Метод нзмере-шй.

5. IDtozhev A., Kolganov О., Egorov R.A., Fedorov А.Г, Eiinhcmilov LU. Computer Simulation of Registration of lndenter Motion in the Process of Contact-Impact interaction / 2023 7th Euteruational Conference on Information. Control, and Сошштппсайоп Technologies (TCCT). 2023. P. 1—1.

6. Калганов O.A., Егоров P.A., Ильгтскж A.B., Abtriee A.K, Федоров A.B. Дифференциальное включение катушек индуктивности для регнстрати параметров движения уларннка при динамическом индипнрсвании ■'■''Известня высших учебньд: заведеши. Приборостроение. 2023. Т. 66. № 1. С. 74—80.

7. Твердомеры портативные [дкЬрозые ТПЦ GF.metr.nj URL: https: aTmetLru'eosreeslrT 439012-89241-23-lpts (дата обращения: 26.05.2024).

8. ГОСТ 1497—84 (TIC О 6892-84) Методы испытании на растяжение: дата введения 01.01.1986. М.: Стаадартинформ. 2008. 26 с.

REFERENCES

1. COST R 56474—2015. Non-destructive control of physical and mechanic al properties of materials and coatiuzs of space technology by dynamic indentation Ml: Standartiufonn, 2013. P. 15—17.

2. RuSiilsk} VA., Rabtsexich A. V. The method of dynamic indentation for evaluating the mechanical characteristics of metallic materials ■■'■' Deîectoskoprva. f997. No. 4. P. 79—86.

3. Egorov R.A., Hpnzky A. V, iuojii'fftev M. V, Fedorov A. Ï: Hardware and algorithmic support of the dvnaiuic indentation process H Defectostopi^'a. 2020. No. 6. P. 61—69.

4. GOST B .969—2019 (ISO 16859-1:2013) State system for ensuring the uniformity of measurements (GSF). Metals and alloys. Détermination of hardness according to Lieb scales. Part 1. Measurement method

5. JJtozhev A., Aoigflnov O., Egorov RA., Fedorov A.V, Eiinhagulov LU. Computer Simulation of Registration of lndenter Morion in die Process of Contact-Impact Interaction tl 2023 7th International Conference on Information. Control, and Conmnaucation Technolosies (TCCT). 2023. R 1—4.

6. £ol?anov OA., Emwv RA., JIiTreiAj1 A.V, -Oûîîhfv A.E., Fedoiuv A.V. Differential inclusion of inductors for recording the parameter: of the stnker's morion durum dynamic indentation U Izvestiya wsshchih uchebnvth zavedeuiv. Instrumentation. 2023. V. 66. No. 1. 74—80.

7. Portable diailal TPC hardness testers fl GRmetr.m URL: https:.-,'imuetr.ru/gosree5tr.l409012-89241 -23-tpts (date of reference: 05/26/2024).

8. COST 149;—84 (ISO 6892-84) Tensile testire methods: date of introduction 01.01.1986. M.: Standartiuforrn. 2008. 26 p.