RU2191377C2 - Method determining residual service life of mechanical systems under nondestructive analysis of response of acoustic emission - Google Patents

Abstract

FIELD: aerospace, mining, oil and gas and construction industries. SUBSTANCE: correct prediction of residual service life of mechanical systems is achieved by analysis of physical and mechanical properties of initial standard metal: σ_S-temporary tensile strength; σ_ys- yield strength; ψ_ra- reduction of area; δ_el elongation; ρ_md- metal density; C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{L}}$ -longitudinal sound velocity and C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{S}}$ - lateral sound velocity. Joint analysis of acoustic emission frequencies is conducted: resonance shear-separation frequency in range f_sh-s= 1600-2500 Hz, relaxation modulation frequencies f_mp and f_mc in range 14-440 Hz, combined by change of friction angle of structural inhomogeneities of natural roughness in intergrain throats of metal ( steel ) ρ^* = 0,5[arctg(ψ_ra/δ_el)+16^°], degrees in range ρ^* = 16^°-50^°, taking into account metal degradation, otherwise, value of cyclic crack resistance K_1c-f.. By that specified change ρ^* up to 45 degrees is identified after fixed operation time T_i, when responses of acoustic emission frequencies f_sh-s, f_mp and f_mc, with characteristic amplitudes of shear-separation stress τ_sh-s, to time of residual life ΔTn are measured. EFFECT: improved correctness of prediction. 3 tbl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к неразрушающему анализу откликов акусто-эмиссионного излучения в механических системах для прогноза остаточного ресурса деградированного металла, оцениваемого величиной трещиностойкости при вязко-циклическом нагружении, и может быть использовано в аэрокосмической, горнодобывающей, газонефтяной и строительной областях. The invention relates to non-destructive analysis of the responses of acoustic emission in mechanical systems to predict the residual life of a degraded metal, estimated by the value of crack resistance under viscous-cyclic loading, and can be used in aerospace, mining, gas and oil and construction fields.

Известен способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе, отклика акусто-эмиссионного излучения на несущей частоте сдвига-отрыва в диапазоне 1000-2500 Гц, двумя парами датчиков, расположенных по концам трубопровода. Смотри, например, патент РФ 2138037 по МКИ: G 01 N 29/04, опубликованный в Бюл. 26 от 20.09.99 г. A known method for predicting the residual life of mechanical systems in non-destructive analysis, the response of acoustic emission radiation at a carrier frequency of shear-separation in the range of 1000-2500 Hz, with two pairs of sensors located at the ends of the pipeline. See, for example, patent RF 2138037 MKI: G 01 N 29/04, published in bull. 26 from 09/20/99

Недостатком аналога является то, что прогноз остаточного ресурса при выявлении местоположения и конфигурации дефектов ограничен часами. И второе, не учитывает изменяющиеся физико-механические свойства металла в процессе его деградации. The disadvantage of the analogue is that the forecast of the residual resource when identifying the location and configuration of defects is limited to hours. And second, it does not take into account the changing physicomechanical properties of the metal during its degradation.

Наиболее близким аналогом является способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе отклика акусто-эмиссионного излучения, включающий анализ физико-механических свойств исходного, эталонного металла и скорости изменения частот и амплитуд электромагнитной эмиссии при сдвиге-отрыве во времени, а также установление момента полной деградации металла на базе констант прочности и долговечности. Смотри, например, патент РФ 2020476 по МКИ: G 01 N 29/14, опубликованный в Бюл. 18 от 30.09.94 г. The closest analogue is a method for predicting the residual life of mechanical systems in a non-destructive analysis of the response of acoustic emission radiation, including an analysis of the physicomechanical properties of the initial, reference metal and the rate of change of the frequencies and amplitudes of electromagnetic emission during shear-separation in time, as well as establishing the moment of complete degradation metal based on the constants of strength and durability. See, for example, RF patent 2020476 in MKI: G 01 N 29/14, published in Bull. 18 from 09/30/94

Недостатком прототипа является то, что способ не учитывает искажений, вносимых формой, расположением и плотностью дефектов в металле механических систем. И во вторых, не учитывает вида динамической нагруженности: жесткого, с постоянной деформацией или мягкого, с постоянным напряжением, что увеличивает неопределенность прогноза остаточного ресурса механических систем. The disadvantage of the prototype is that the method does not take into account the distortions introduced by the shape, location and density of defects in the metal of mechanical systems. And secondly, it does not take into account the type of dynamic loading: hard, with constant deformation or soft, with constant stress, which increases the uncertainty of forecasting the residual life of mechanical systems.

Корректное прогнозирование остаточного ресурса элементов, узлов и самих механических систем не только на часы, но на месяцы и годы достигается тем, что способ прогноза остаточного ресурса при неразрушающем анализе отклика акусто-эмисионного излучения включает анализ физико-механических свойств исходного эталонного металла: σ_в - временного предела прочности при растяжении, σ_т - предела текучести, ψ_су - относительного сужения, δ_уд - относительного удлинения, ρ_оп - плотности металла, C*_L - продольной скорости звука, C*_S - поперечной скорости звука, (C*_S=0.637•C*_L), осуществляется совместным анализом изменения акусто-эмиссионных частот: резонансной сдвига-отрыва в диапазоне f_сд-о = 1600 ÷ 2800 Гц и релаксационно-модулирующих f_мр и f_мс в диапазоне 14 ÷ 440 Гц, объединяемых изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках металла (стали) ρ^* = 0,5[Arctg(ψ_су/δ_уд)+16^°], град., в диапазоне ρ^* = 16^o ÷ 50^o, учитывающего деградацию металла, иначе уменьшение величины циклической трещиностойкости К_1с-f, и отождествляя тем самым указанное изменение ρ^* до 45^o через фиксированное время эксплуатации Т_i, когда производится замер откликов акусто-эмиссионных частот: f_cд-о; f_мр и f_мс с характерными амплитудами напряжения сдвига-отрыва τ_сд-о, со временем остаточного ресурса ΔТ_п.Correct prediction of the residual life of elements, assemblies, and mechanical systems themselves, not only for hours, but for months and years, is achieved by the fact that the method for predicting the residual life for non-destructive analysis of the response of acoustic emission radiation includes the analysis of the physicomechanical properties of the initial reference metal: σ _in - temporary tensile strength, σ _t - yield strength, ψ _su - relative narrowing, δ _beats - elongation, ρ _op - metal density, C * _L - longitudinal velocity of sound, C * _S - transverse velocity sound, (C * _S = 0.637 • C * _L ), is carried out by a joint analysis of changes in acoustic emission frequencies: resonance shift-separation in the range f _sd-o = 1600 ÷ 2800 Hz and relaxation-modulating f _mp and f _ms in the range 14 ÷ 440 Hz, combined by a change in the angle of friction of structural heterogeneities of natural roughness in the intergranular ducts of metal (steel) ρ ^* = 0.5 [Arctg (ψ _su / δ _beats ) +16 ^° ], deg., In the range ρ ^* = 16 ^o ÷ 50 ^o, taking into account the degradation of the metal, or a reduction in the cyclic crack K _1c-f, and thereby identifying said change ρ ^* d 45 ^o through a fixed operating time T _i, measurement is made when the response acoustic-emission frequencies: f _Cg-on; f _Mr and f _ms with characteristic amplitudes of the shear-separation stress τ _sd-o , with a residual life ΔT _p .

Сущность изобретения состоит в том, что постепенная деградация металла из-за накопления остаточных малоцикловых деформаций приводит к смещению отклика фиг. 1 резонансного излучения краев дефектов в сторону уменьшения акусто-эмиссионной резонансной частоты сдвига-отрыва f_сд-о, и модулирующих ее релаксационных частот: f_мр и f_мс, переходящих в инфрачастоту f_мв перед образованием аварийной ситуации. Совместный анализ смещения резонансной частоты сдвига-отрыва и смещения модулирующих релаксационных частот со смещением величины угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках, на поверхностях которых адсорбируется влага с рН 6 - 8, позволяет производить корректную оценку остаточного ресурса узлов механических систем неразрушающим методом контроля с учетом вида динамического нагружения: жесткого или мягкого, и к тому же, без искажений, вносимых формой, расположением и плотностью дислокации, двойников и прочих дефектов структуры металла, так как промежуточные экспериментальные значения отражают специфику нагружения данной механической системы за анализируемый период: T_i - Т_о.The essence of the invention is that the gradual degradation of the metal due to the accumulation of residual low-cycle deformations leads to a shift in the response of FIG. 1 resonant radiation of the edges of the defects in the direction of decreasing the acoustic emission resonance shear-detachment frequency f _sd-о , and the relaxation frequencies modulating it: f _mr and f _ms , which pass into the infrafrequency f _mv before an emergency occurs. A joint analysis of the shift of the resonance shear-detachment frequency and the shift of the modulating relaxation frequencies with the shift of the angle of friction of the structural inhomogeneities of natural roughness in the intergranular ducts on the surfaces of which moisture is adsorbed with pH 6-8 allows us to correctly assess the residual resource of the nodes of mechanical systems using a non-destructive testing method with taking into account the type of dynamic loading: hard or soft, and, moreover, without distortions introduced by the shape, location and density of the dislocation , Twins and other defects in the metal structure, since the intermediate experimental values reflect the specificity of the loading of the mechanical system for the analyzed period: T _i - T _o.

Решающее значение в возможности прогноза остаточного ресурса сыграли следующие факторы. The following factors played a decisive role in predicting the residual life.

а) Корректировка теоретического угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей конденсирующимися парами влаги;
б) Процесс кавитационного затупления острой трещины перед зоной пластического стеснения в момент плоской деформации, создающей оптимальную форму уплотнения по Вульфу с минимальной поверхностной энергией, схлопывание которой, а именно полусферического углубления кумулятивной трещины, обеспечивает произвольное диспергирование - тонкое измельчение при спектральной плотности излучаемой энергии, равной по В.М.Берману произведению частоты сдвига отрыва на напряжение сдвига - отрыва.a) Correction of the theoretical angle of friction of structural inhomogeneities of natural roughness by condensing moisture vapor;
b) The process of cavitation blunting of an acute crack in front of the plastic constraint zone at the time of plane deformation, which creates an optimal Wulf compaction with minimum surface energy, the collapse of which, namely the hemispherical deepening of a cumulative crack, provides arbitrary dispersion - fine grinding at a spectral density of radiated energy equal to according to V.M. Berman, the product of the separation shear frequency by the shear - separation stress.

ω_из = f_сд-о×τ_сд-о,Па/c.
По И.М.Абрамовичу, И.И.Блехману, Б.П.Лаврову, Д.А.Плисс - открытие СССР 333 от 14.05.1987 г. дозированное импульсное давление в ритме быстрой вибрации, строго организованной во времени и в пространстве, когда частота более 100 Гц, а напряжение выше предела усталости, обеспечивает взрывную дезинтеграцию в зоне поверхностей скольжения. Это необходимо пояснить следующим. При постоянной плотности металла за счет изменения геометрических параметров и конфигурации конструкции можно менять собственную частоту элементов и самой механической системы в очень широком диапазоне. И при наложении вынужденных колебаний с частотой, равной собственной частоте колебаний системы, система войдет в резонанс. Но разрушение будет происходить в основном за счет разрыва межзеренных связей т.е. по межзеренным протокам, которые являются зачатками различного вида трещин. Таким образом, спектральная плотность излучаемой энергии при малоцикловых деформациях конструкции ω_из.к = f_c•[σ_-01-σ_т] для ее разрушения должна быть не то что тождественна, а существенно больше спектральной плотности поглощения энергии в межзеренных протоках ω_из = f_сд-о×τ_сд-о. Тем более что наряду с развитием усталостных трещин и дефектов при накоплении малоцикловой деформации, в межзеренных протоках из-за миграции фосфора происходит образование пассивиатора Fe₃(PO₄)₂, который оксидируя поверхность металла, тем самым пассивирует и устье трещин пленкой толщиной до 0.1 мм, залечивая их, т.е. тормозя их развитие. Указанное приводит к задержке адсорбции влаги при ее миграции в межзеренное пространство, что уменьшает действие кавитационных взрывов за счет их демпфирования, а тем самым уменьшается и мартенситное бездиффузионное превращение структуры металла в устье трещины. Иначе, для разрушения требуются амплитудно-частотные биения (см. фиг.2), приводящие к истечению феррита и к конгломерации - укрупнению габаритов зерен и к охрупчиванию межзеренных связей с одновременной разориентировкой образующихся зерен феррито-магнитного цементита, а также к образованию фазы СuAl₂.ω _of = f _sd-o × τ _sd-o , Pa / s.
According to I.M.Abramovich, I.I. Blekhman, B.P. Lavrov, D.A. Pliss - the discovery of the USSR 333 of 05/14/1987 dosed pulse pressure in the rhythm of fast vibration, strictly organized in time and space, when the frequency is more than 100 Hz, and the voltage is above the fatigue limit, it provides explosive disintegration in the area of sliding surfaces. This should be explained as follows. With a constant density of the metal due to changes in geometric parameters and configuration, you can change the natural frequency of the elements and the mechanical system in a very wide range. And when superimposed forced oscillations are applied with a frequency equal to the natural frequency of the system’s oscillations, the system will enter into resonance. But the destruction will occur mainly due to the breaking of intergranular bonds i.e. along intergranular ducts, which are the rudiments of various types of cracks. Thus, the spectral density of the radiated energy during low-cycle structural deformations ω _iz = f _c • [σ _-01 -σ _т ] for its destruction should be not only identical, but significantly higher than the spectral energy absorption density in intergranular ducts ω _from = f _sd-o × τ _sd-o . Moreover, along with the development of fatigue cracks and defects during the accumulation of low-cycle deformation, passivation of Fe ₃ (PO ₄ ) ₂ occurs in intergranular ducts due to phosphorus migration, which oxidizes the metal surface and thereby passivates the crack mouth with a film up to 0.1 mm thick healing them, i.e. inhibiting their development. This leads to a delay in the adsorption of moisture during its migration into the intergrain space, which reduces the effect of cavitation explosions due to their damping, and thereby decreases the martensitic diffusionless transformation of the metal structure in the crack mouth. Otherwise, the destruction requires amplitude-frequency beats (see figure 2), leading to the outflow of ferrite and to conglomeration - the enlargement of the grain size and embrittlement of intergranular bonds with the simultaneous disorientation of the formed grains of ferrite-magnetic cementite, as well as the formation of the CuAl ₂ phase .

в) Время остаточного ресурса ΔТ_п в указанном способе анализа, отождествляемое с изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^* в диапазоне от 16^o до 50^o.c) The time of the residual life ΔT _p in the indicated analysis method, identified with the change in the friction angle of structural heterogeneities of natural roughness ρ ^* in the range from 16 ^o to 50 ^o .

г) Расчет коэффициента интенсивности напряжений при вязко-циклическом разрушении К_1с-f, то есть трещиностойкости, так как произведение спектральной плотности освобождаемой энергии в устье усталостной трещины по А.А. Гриффиту - Дж. Р.Ирвину, равное интегралу И.Р.Райса I_1с-f, Дж/м² на модуль динамической упругости E*_д, и на (1-σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{п}}$ )^-1, где σ_п - коэффициент Пуассона, тождественно произведению динамической вязкости μ на спектральную плотность энергии поглощения при накоплении малоциклевой усталости ω_из и на l_пн - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации:

МПа • м^1/2.d) Calculation of the stress intensity factor for viscous-cyclic fracture K _1s-f , i.e. crack resistance, since the product of the spectral density of the released energy at the mouth of the fatigue crack according to A.A. Griffith - J.R. Irwin, equal to the integral of I.R. Rice I _1s-f , J / m ² on the modulus of dynamic elasticity E * _d , and on (1-σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{P}}$ ) ^-1 , where σ _p is the Poisson's ratio, is identical to the product of the dynamic viscosity μ and the spectral density of the absorption energy during the accumulation of low-cycle fatigue ω _from and l _mon is the surface tension perimeter under plane deformation:

MPa • m ^1/2 .

Совокупность признаков позволяет получить корректный прогноз остаточного ресурса элементов, узлов и самих механических систем. The set of features allows you to get the correct forecast of the residual resource of the elements, components and mechanical systems themselves.

Проведенный поиск по источникам патентной и научно-технической информации показал, что совокупность всех существенных отличительных признаков заявляемого изобретения не известна, следовательно, техническое решение соответствует требованию "Новизна", так как оно не известно из уровня техники. A search by sources of patent and scientific and technical information showed that the totality of all the essential distinguishing features of the claimed invention is not known, therefore, the technical solution meets the requirement of "Novelty", since it is not known from the prior art.

При определении изобретательского уровня техники поиск информации был осуществлен по указанным источникам: RU 2138037, RU 2020476, RU 2127349... When determining the inventive state of the art, information was searched for using the indicated sources: RU 2138037, RU 2020476, RU 2127349 ...

Необнаруженные известные признаки в совокупности с отличительными признаками заявляемого технического решения соответствует критерию "Изобретательский уровень" из-за существенных отличий. Undetected well-known features in conjunction with the distinguishing features of the proposed technical solution meets the criterion of "Inventive step" due to significant differences.

Возможно достижение высокой степени прогрессивности: прогнозирование остаточного ресурса механических систем не только на часы, но и на месяцы и годы, следовательно, изобретение соответствует критерию "Практическая применимость". It is possible to achieve a high degree of progressivity: predicting the residual life of mechanical systems not only for hours, but also for months and years, therefore, the invention meets the criterion of "Practical applicability".

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

Фиг.1. Графо-аналитический прогноз остаточного ресурса. Обозначения: 1 - остаточный ресурс: ΔТ_п = Т_д - Т_i; 8 - фиксированное время эксплуатации: T_i; 9 - время ресурса механической системы Т_д, от начала эксплуатации до перехода зоны Пэриса с умеренным ростом трещины в зону с ускоренным ростом трещины; 7 - величина вязко-циклической трещиностойкости K_1с-f, отождествляемая с 6 - углом трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^*; 10 - эталонная величина вязко-циклической трещиностойкости К_1с-f.эт, отождествляемая с 11 - эталонным углом трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{эт}}$ ; 12 - промежуточная величина вязко-циклической трещиностойкости К_1с-f.i, отождествляемая с 13 - промежуточным углом ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ ; 14 - деградированная величина вязко-циклической трещиностойкости K_1с-f.д, отождествляемая с 15 - деградированным углом ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{д}}$ = 45^o.Figure 1. Graph-analytical forecast of residual life. Designations: 1 - residual life: ΔТ _p = T _d - T _i ; 8 - fixed operating time: T _i ; 9 - the resource time of the mechanical system T _d , from the beginning of operation to the transition of the Paris zone with moderate crack growth into the zone with accelerated crack growth; 7 - the value of visco-cyclic crack resistance K _1с-f , identified with 6 - the friction angle of structural heterogeneities of natural roughness ρ ^* ; 10 - reference value of visco-cyclic fracture toughness К _1с-f.эт , identified with 11 - reference friction angle of structural heterogeneities of natural roughness ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{floor}}$ ; 12 - intermediate value of viscous-cyclic crack resistance K _1s-fi , identified with 13 - intermediate angle ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ ; 14 - degraded value of visco-cyclic crack resistance K _1с-f.д , identified with 15 - degraded angle ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{d}}$ = 45 ^o .

Фиг. 2. Этапы деградации металла механической системы, отражаемые откликами акусто-эмиссионного излучения в виде биения на частоте сдвига-отрыва и релаксационно-модулирующих частот с характерными амплитудами напряжений сдвига-отрыва в исходной - эталонной точке, в промежуточной точке за фиксированное время эксплуатации и в прогнозируемой точке перед аварией. Обозначения: 2 - пакеты биений акусто-эмиссионного излучения: 16 - эталонного, 17 - промежуточного и 18 - деградированного; 4 - резонансная частота сдвига-отрыва: f_cд-о; 19 эталонная: f_cд-о.эт, то есть до начала эксплуатации, 20 - промежуточная, в момент 8 - фиксированного времени эксплуатации: Т_i, а именно: f_cд-о.i; 21 - деградированная резонансная частота сдвига-отрыва: f_cд-о.д; 5 - релаксационно-модулирующая частота f_м; 22 - эталонная при чисто мягком нагружении f_мр.эт, 23 - промежуточная в момент 8 - фиксированного времени эксплуатации Т_i, а именно: f_мр.i при мягком нагружении; 24 - деградированная релаксационно-модулирующая частота f_мр.д при мягком нагружении.FIG. 2. The stages of metal degradation of the mechanical system, reflected by the responses of acoustic emission in the form of beats at the shear-separation frequency and relaxation-modulating frequencies with characteristic amplitudes of shear-separation stresses at the initial - reference point, at an intermediate point for a fixed operating time and in the predicted point before the accident. Designations: 2 - packages of beats of acoustic emission radiation: 16 - reference, 17 - intermediate and 18 - degraded; 4 - resonant shear-separation frequency: f _cd-o ; 19 reference: f _cd-o.et. , that is, before the start of operation, 20 - intermediate, at time 8 - a fixed operating time: T _i , namely: f _cd-o.i ; 21 - degraded resonance shear-separation frequency: f _cd-od ; 5 - relaxation modulating frequency f _m ; 22 - reference at purely soft loading f _{mr. Et} , 23 - intermediate at time 8 - fixed operating time T _i , namely: f _{mr. I} at mild loading; 24 - degraded relaxation-modulating frequency f _md during soft loading.

Фиг.3. Анализ этапов смещения откликов акусто-эмиссионного излучения. Figure 3. Analysis of the stages of the displacement of the responses of acoustic emission radiation.

а) Смещение отклика 4 резонансной частоты сдвига-отрыва f_сд-о от 19 - f_cд-о.эт к 20 - f_сд-о.i до 21 - f_cд-о.д соответственно при 11 - ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{эт}}$ , 13 - ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ и 15 - ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{д}}$ .a) Response offset 4 of the resonant shift-separation frequency f _sd-o from 19 - f _sd-o.et to 20 - f _sd-o.i to 21 - f _sd-o.d, respectively, at 11 - ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{floor}}$ , 13 - ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ and 15 - ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{d}}$ .

б) Смещение отклика 5 - релаксационно-модулирующей частоты f_м при мягком нагружении от 22 - f_м.эт = f_мр.эт к 23 - f_мi = f_мр.i; до 24 - f_м.д = f_мр.д.b) Response bias 5 - relaxation-modulating frequency f _m with soft loading from 22 - f _m.et = f _m.et. to 23 - f _mi = f _m.i ; up to 24 - f _ppm = f _ppm

в) Смещение 5 - релаксационно-модулирующей частоты f_м при жестком нагружении от 22* - f_м.эт = f_мс.эт к 23* - f_мi = f_мс.i до 24* - f_м.д. = f_мс.д.c) Offset 5 - relaxation-modulating frequency f _m under hard loading from 22 * - f _m.et = f _ms.et to 23 * - f _mi = f _msi to 24 * - f _ppm = f _msd

Способ прогноза остаточного ресурса ΔТ_п, 1, при неразрушающем анализе отклика акусто-эмисионного излучения 2, включающий анализ физико-механических свойств исходно-эталонного металла 3: σ_в - временного предела прочности при растяжении, σ_т - предела текучести, ψ_су- относительного сужения, δ_уд - относительного удлинения, ρ_оп - плотности металла, C*_L - продольной скорости звука и C*_S - поперечной скорости звука, C*_S = 0,637•C*_L, отличается тем, что осуществляется совместным анализом акусто-эмиссионных частот: резонансной сдвига-отрыва f_сд-о, 4 в диапазоне 1600 ÷ 2800 Гц и релаксационно-модулирующими f_мр, 5 и или f_мс, 5* в диапазоне 14 - 440 Гц, объединяемых изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках металла (стали):
ρ^* = 0,5[Arctg(ψ_су/δ_уд)+16^°],град.,6,
в диапазоне ρ^* = 16 ÷ 50^o, учитывающего деградацию металла, иначе уменьшение величины циклической трещиностойкости K_1с-f, 7 и отождествляя тем самым указанное изменение ρ^* до 45^o через фиксированное время эксплуатации Т_i, 8, когда производится замер откликов акусто-эмиссионных частот: f_cд-о.i, 20; f_мр.i, 23; f_мс.i, 23* с характерными амплитудами напряжения сдвига-отрыва: τ_сд-о, со временем остаточного ресурса: ΔТ_п, 1.A method for predicting the residual life ΔT _p , 1, for non-destructive analysis of the response of acoustic emission 2, including an analysis of the physicomechanical properties of the initial reference metal 3: σ _in - temporary tensile strength, σ _t - yield stress, ψ _su - relative constriction, δ _beats - relative elongation, ρ _op - density of metal, C * _L - longitudinal velocity of sound and C * _S - transverse velocity of sound, C * _S = 0.637 • C * _L , characterized in that it is carried out by a joint analysis of acoustic emission frequencies: a resonance shear separation _f-sd-o, 4 di pazone 1600 ÷ 2800 Hz, and f modulating _{relaxation-nmr,} or 5 and f _ms, 5 * in the range 14 - 440 Hz, united by varying the angle of friction natural structural inhomogeneities in the grain roughness of the metal ducts (steel):
ρ ^* = 0.5 [Arctan (ψ _su / δ _beats ) +16 ^° ], deg., 6,
in the range ρ ^* = 16 ÷ 50 ^o , taking into account the degradation of the metal, otherwise a decrease in the value of the cyclic crack resistance K _1с-f , 7 and thereby identifying the indicated change ρ ^* to 45 ^o after a fixed operating time T _i , 8, when acoustic responses are measured -emission frequencies: f _cd-o.i , 20; f _m.i , 23; f _ms. , 23 * with characteristic amplitudes of the shear-separation stress: τ _sd-o , with a residual life time: ΔТ _p , 1.

Процесс реализации способа прогноза остаточного ресурса: ΔТ_п, 1 - механических систем при неразрушающем анализе отклика акусто-эмиссионного излучения, 2 - пакетов биений амплитудно-частотных колебаний сдвига-отрыва, модулированных релаксационными изменениями системы, производится по нижеприведенному алгоритму при следующих исходных физико-механических свойствах эталонного металла 3:
Временном пределе прочности при растяжении: σ_в, МПа
Пределе текучести: σ_т, МПа
Относительном сужении: ψ_су, %
Относительном удлинении: δ_уд, %
Плотности металла: ρ_оп, кг/м. куб
Продольная скорость звука по Берману Ал. Д.:

Поперечная скорость звука по Авчяну Г.М.:
C*_S=0,637•C*_L, м/с
Алгоритм расчета
Угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей (для стали) - 6:
ρ^* = 0,5×[Arctg(ψ_су/δ_уд)+16^°],град.
Диаметр ядра повышенного давления в плоско-деформированном металле - 25,
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{ям}}$ , м, - таблица 1 по Берману А.В.The process of implementing the method for predicting the residual life: ΔТ _p , 1 - mechanical systems for non-destructive analysis of the response of acoustic emission radiation, 2 - beat packages of amplitude-frequency shear-separation oscillations modulated by relaxation changes in the system, is carried out according to the following algorithm with the following initial physical and mechanical properties of reference metal 3:
Temporary tensile strength: σ _in , MPa
Yield point: σ _t , MPa
Relative narrowing: ψ _su ,%
Elongation: δ _beats ,%
Densities of metal: ρ _op , kg / m. cube
Berman longitudinal speed of sound Al. D:

The transverse speed of sound according to G. Avchyan:
C * _S = 0.637 • C * _L , m / s
Calculation algorithm
The friction angle of structural heterogeneities of natural roughness (for steel) is 6:
ρ ^* = 0.5 × [Arctan (ψ _su / δ _beats ) +16 ^° ], deg.
The diameter of the core of high pressure in a plane-deformed metal is 25,
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{pits}}$ , m, - table 1 according to Berman A.V.

Диаметр ядра повышенного давления при плоско-напряженном состоянии металла - 26,
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{яo}}$ , м, - таблица 1 по Берману А.В.The diameter of the core of high pressure with a plane-stressed state of the metal is 26,
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{yo}}$ , m, - table 1 according to Berman A.V.

Величина коэффициентов Пуассона в момент разрушения по А.Н. Зеленину - 27,
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{п}}$ = 0.52
Максимально возможная длина магистральной трещины - 28,
l^* = L_ов = 0,75(1-σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{п}}$ )(1+σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{п}}$ ),м.
Диаметр круга Мора, определяющий предел прочности на одноосное сжатие - 29,

Величина пластической зоны при плоско-напряженном состоянии - 30,

Максимальный энергетический угол трения по Е.З.Позину - 31,
α^* = 45^°+0,5•ρ^*,град.
Вектор сдвига-отрыва при разрушении плоско-деформированного металла под максимальным энергетическим углом - 32,

Вектор интенсивности тензора, разрушающего напряжения из эллипсоида интенсивности напряжения, отражающий совокупность вектора шарового тензора гидростатического давления и вектора девиатора напряжений при угле между ними, равном 90^o, и при угле наклона элементов сдвига-отрыва к
направлению деформации (сжатия, растяжения, кручения, изгиба или их совокупности): φ = 90^o, - 33,

Коэффициент вязкости подслоя Кнудсена - 34,
П*_k = 1.0
Коэффициент пограничного слоя, при φ = 90^o, - 35
П*_c = 0.5
Вектор скорости при разрушении плоско-деформированного металла под максимальным энергетическим углом, - 36,

Коэффициент скорости деформации при максимальном энергетическом угле, 37,
∂v^* = K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{v-α}}$ •П $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ •П $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{к}}$ .
Коэффициент метаморфизма по Берман Т.И. - 38,

Коэффициент турболизации - 39,
R*_p = 0.5
Динамическая вязкость металла - 40,
μ = 0,499•C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{L}}$ •l^*•ρ_оп,Па.c.
Минимальное напряжение сжатия, обеспечивающее сдвиговые деформации - 41,

Величина минимального напряжения сдвига-отрыва по Берману А.В. - 42,

Максимальный угол поляризации по Берману А.В. - 43,
Z^* = 22,5^°+0,25•ρ^*,град.
Минимальный угол поляризации по Берману А.В. - 44,
γ^* = 67,5^°-0,25•ρ^*,град.
Диаметр круга Мора, определяющий предел прочности на одноосное сжатие - 45,

Резонансная частота поглощения или излучения энергии сдвига-отрыва - 4 по Гельмгольцу Г.Л., Тейлору Р.T., Берману А.В. - 46,

Спектральная плотность энергии поглощения или излучения при накоплении малоцикловой усталости по Берману В.М. - 47,
ω_из = τ_сд-о•f_сд-о,Пa/c.
Диаметр уплотненного вихря турбулентного слоя в момент максимального раскрытия трещины - 48,
δ^* = σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{ям}}$ •tgz^*•sinz^*/sinγ^*,м.
Периметр поверхностного натяжения плоско-деформированного уплотнения - 49,
l_пн = 0,125•π•δ^*,м.
Циклическая трещиностойкость металла - 7,

.The value of the Poisson's ratios at the time of destruction according to A.N. Zelenin - 27,
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{P}}$ = 0.52
The maximum possible length of the main crack is 28,
l ^* = L _s = 0.75 (1-σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{P}}$ ) (1 + σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{P}}$ ), m.
The diameter of the Mohr circle, which determines the ultimate strength on uniaxial compression, is 29,

The value of the plastic zone in a plane-stressed state is 30,

The maximum energy angle of friction according to E.Z. Pozin is 31,
α ^* = 45 ^° + 0.5 • ρ ^* , degrees
The shear-separation vector during the destruction of a plane-deformed metal at the maximum energy angle is 32,

The intensity vector of the tensor that destroys stresses from the stress intensity ellipsoid, which reflects the combination of the vector of the spherical tensor of hydrostatic pressure and the stress deviator vector at an angle between them equal to 90 ^o and at an angle of inclination of the shear-separation elements
the direction of deformation (compression, tension, torsion, bending, or their combination): φ = 90 ^o , - 33,

The viscosity coefficient of the Knudsen sublayer is 34,
P * _k = 1.0
The coefficient of the boundary layer, at φ = 90 ^o , - 35
P * _c = 0.5
The velocity vector for the destruction of a plane-deformed metal at the maximum energy angle is 36,

The strain rate coefficient at the maximum energy angle, 37,
∂v ^* = K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{v-α}}$ •P $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ •P $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{to}}$ .
The coefficient of metamorphism according to Berman T.I. - 38,

The coefficient of turbolization is 39,
R * _p = 0.5
The dynamic viscosity of the metal is 40,
μ = 0.499 • C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{L}}$ • l ^* • ρ _op , Pa.c.
The minimum compression stress that provides shear deformation is 41,

The value of the minimum shear-separation stress according to Berman A.V. - 42,

The maximum angle of polarization according to Berman A.V. - 43,
Z ^* = 22.5 ^° + 0.25 • ρ ^* , degrees
The minimum angle of polarization according to Berman A.V. - 44,
γ ^* = 67.5 ^° -0.25 • ρ ^* , degrees
The diameter of the Mohr circle, which determines the ultimate uniaxial compression strength, is 45,

The resonant frequency of absorption or radiation of shear-separation energy is 4 according to Helmholtz G.L., Taylor R.T., Berman A.V. - 46,

Spectral energy density of absorption or radiation during the accumulation of low-cycle fatigue according to Berman V.M. - 47,
ω _of = τ _sd-o • f _sd-o , Pa / c.
The diameter of the compacted vortex of the turbulent layer at the time of maximum crack opening is 48,
δ ^* = σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{pits}}$ • tgz ^* • sinz ^* / sinγ ^* , m.
The surface tension perimeter of a flat-deformed seal is 49,
l _mon = 0.125 • π • δ ^* , m.
Cyclic crack resistance of metal - 7,

.

Скорость дрейфа тепловой энергии - 50,
C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{др}}$ = 2•K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{V-α}}$ ,м/c.
Длина трещины при плоской деформации металла в момент деформационного упрочнения по Лейбову Б.М. - 51,
L_мс = σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{p}}$ ,м.Thermal energy drift rate - 50,
C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{dr}}$ = 2 • K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{V-α}}$ , m / s.
Crack length during plane metal deformation at the time of strain hardening according to B. Leibov - 51,
L _ms = σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{p}}$ , m

Длина трещины плоско-деформированного металла, определяемая релаксационно-модулирующей частотой - 52,

Релаксационно-модулирующая частота, инициированная ультразвуковыми колебаниями - 23,
f_мр=С*_др/2•L_мр, Гц
Релаксационно-модулирующая частота колебаний в моменты деформационного упрочнения - 23*,
f_мс=С*_др/2•L_мс, Гц
Длина магистральной трещины плоско-деформированного металла (стали), характеризующая релаксационно-модулирующую инфрачастоту по Лейбову Б.М. - 53,
L_мв = σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{cж}}$ ,м.
Релаксационно-модулирующая инфрачастота - 54,
f_мв=C*_др/2•L_мв, Гц
Для промежуточных значений аналогичных параметров используются экспериментальные замеры - 20, f_сд-о.i и, 23 f_мp.i и 23* f_мc.i, получаемые при помощи узкополосного частотомера, работающего в режиме виброметра с интегральным усилителем и последовательно установленным анализатором, а также с датчиком виброускорений, по которым из таблицы определяется угол-13, ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ и далее расчет ведется по вышеуказанному алгоритму.The crack length of a plane-deformed metal, determined by the relaxation-modulating frequency - 52,

Relaxation-modulating frequency, initiated by ultrasonic vibrations - 23,
f _Mr = C * _dr / 2 • L _Mr , Hz
The relaxation-modulating oscillation frequency at the moments of strain hardening is 23 *,
f _ms = C * _dr / 2 • L _ms , Hz
The length of the main crack of a plane-deformed metal (steel), which characterizes the relaxation-modulating infra-frequency according to BM Leibov - 53,
L _mv = σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{cf}}$ , m
Relaxation-modulating infra-frequency - 54,
f _mv = C * _dr / 2 • L _mv , Hz
For intermediate values of similar parameters, experimental measurements are used - 20, f _sd-о.i and, 23 f _mp.i and 23 * f _mc.i , obtained using a narrow-band frequency meter operating in the mode of a vibrometer with an integrated amplifier and a series analyzer, as well as with a vibration acceleration sensor, by which the angle-13, ρ is determined from the table $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ and then the calculation is carried out according to the above algorithm.

При этом разница - 55, Δρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ = (ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ -ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{эт}}$ ) отожествляется со сроком фиксированного времени эксплуатации - 8, Т_i ^*, а время остаточного ресурса - 1, ΔТ_п, с разницей - 56, Δρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{п}}$ = (45^°-ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ ).
Зная величины трещиностойкостей: эталонной - 10, K_1с-f.эт промежуточной - 12, К_1с-f.i, деградированной - 14, K_1с-f.д и соответствующие им углы трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей: эталонного - 11, ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{эт}}$ , промежуточного - 13, ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ и деградированного - 15, ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{д}}$ = 45^o, делается прогноз остаточного ресурса - 1:
ΔТ_п=T_i•[K_1c-f.i-K_1c-f.д]/[K_1c-f.эт-K_1c-f.i].The difference is 55, Δρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ = (ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ -ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{floor}}$ ) is identified with a fixed operating time of 8, T _i ^* , and a residual life of 1, ΔT _p , with a difference of 56, Δρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{P}}$ = (45 ^° -ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ )
Knowing the values of fracture toughness: reference - 10, K _1s-f.et intermediate - 12, K _1s-fi , degraded - 14, K _1s-f.d and the corresponding friction angles of structural heterogeneities of natural roughness: reference - 11, ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{floor}}$ , intermediate - 13, ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{i}}$ and degraded - 15, ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{d}}$ = 45 ^o , a forecast of the residual life is made - 1:
ΔT _p = T _i • [K _1c-fi -K _1c-f.d ] / [K _1c-f.et -K _1c-fi ].

Доверительный интервал данного прогнозируемого показателя [ΔТ_п-1 - 57, ΔТ_п-2 - 58] с вероятностью 0.95 определяется величинами остаточного ресурса, рассчитываемыми по релаксационным модулирующим частотам f_мр и f_мс:
ΔT_п-1=T_i•(f_мр.i-f_мр.д)/(f_мр.эт-f_мр.i);
ΔT_п-2=T_i•(f_мс.i-f_мс.д)/(f_мс.эт-f_мс.i).The confidence interval of this predicted indicator [ΔТ _p-1 - 57, ΔТ _p-2 - 58] with a probability of 0.95 is determined by the values of the residual life, calculated from the relaxation modulating frequencies f _mp and f _ms :
ΔT _p-1 = T _i • (f _m.i -f _m.d ) / (f _m.et.- f _m.i );
ΔT _p-2 = T _i • (f _msi -f _msd ) / (f _{ms. -F msi} ).

Claims (1)

Способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе отклика акустоэмиссионного излучения, включающий анализ физико-механических свойств исходного эталонного металла: σ_B - временного предела прочности при растяжении, σ_T - предела текучести, ψ_су - относительного сужения, δ_уд - относительного удлинения, ρ_оп - плотность металла, С_L* - продольной скорости звука и C_s* - поперечной скорости звука, отличающийся тем, что осуществляется совместный анализ изменения акустоэмиссионных частот: резонансной сдвига-отрыва в диапазоне f_сд-о = 1600 - 2500 Гц и релаксационно-модулирующими: f_mp и f_mc в диапазоне 14 - 440 Гц, объединяемых изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках металла (стали) ρ^* = 0,5[arctg(ψ_су/δ_уд)+16^°], град., в диапазоне ρ^* = 16 - 50^o, учитывающего деградацию металла, иначе уменьшение величины циклической трещиностоикости: К_1c-f и отождествляя тем самым указанное изменение ρ^* до 45^o через фиксированное время эксплуатации T_i, когда производится замер откликов акустоэмиссионных частот: f_cд-o, f_mр и f_mc, с характерными амплитудами напряжения сдвига-отрыва τ_сд-о, со временем остаточного ресурса ΔТn.A method for predicting the residual life of mechanical systems in a non-destructive analysis of the response of acoustic emission radiation, including the analysis of the physicomechanical properties of the initial reference metal: σ _B - temporary tensile strength, σ _T - yield stress, ψ _su - relative narrowing, δ _beats - relative elongation, ρ _op is the density of the metal, With _L * is the longitudinal velocity of sound and C _s * is the transverse velocity of sound, characterized in that a joint analysis is made of the change in acoustic emission frequencies: resonance shift-separation in the range f _sd-o = 1600 - 2500 Hz and relaxation-modulating: f _mp and f _mc in the range 14 - 440 Hz, combined by a change in the angle of friction of the structural inhomogeneities of the natural roughness in the intergranular ducts of the metal (steel) ρ ^* = 0.5 [ arctan (ψ _su / δ _beats ) +16 ^° ], deg., in the range ρ ^* = 16 - 50 ^o , taking into account the degradation of the metal, otherwise a decrease in the value of cyclic crack resistance: K _1c-f and thereby identifying the indicated change ρ ^* to 45 ^o after a fixed operating time T _i , when the responses of acoustic emission frequencies are measured: f _cd-o , f _mp and f _mc , s characteristic amplitudes of the shear-separation stress τ _sd-о , with a residual life ΔТn.

Images