Наибольшее практическое применение резонансный метод нашел при контроле паяных, клеевых и клеемеханических соединений.

1.4.3 Импедансный метод

Импедансный метод является в настоящее время одним из самых надежных и перспективных для контроля конструкций из слоистых элементов, все более широко применяемых в современных летательных аппаратах. Он основан на использовании зависимости полного механического сопротивления (импеданса) контролируемого изделия от качества соединения отдельных его элементов между собой. Изменение входного импеданса системы может быть обнаружено, например, по изменению амплитуды (прибор ИАД-2) или фазы силы реакции (прибор ИАД-3), оказываемой на датчик, возбуждающий в изделии упругие, главным образом изгибные колебания. Датчиком является стержень, совершающий продольные колебания. Если стержень контактирует с участком обшивки, жестко склеенной с внутренним листом, вся конструкция колеблется как единое целое и механическое сопротивление (механический импеданс), оказываемое изделием стержню, определяется жесткостью всей конструкции. При этом сила реакции изделия на стержень имеет значительную величину. Если стержень расположен над дефектом соединения, то участок обшивки колеблется независимо от внутреннего листа-подложки и сила реакции резко уменьшается. Изменение силы реакции фиксируется пьезоэлементом на конце датчика (рис.1.8).

Рисунок 1.8 - Блок-схема импедансного акустического дефектоскопа ИАД-3: 1-излучающий пьезоэлемент; 2 - силоизмерительный пьезоэлемент; 3 - сигнальная лампочка

Техника контроля импедансным акустическим прибором весьма проста и заключается в том, что предварительно настроенный в резонанс (резонансный режим) или не в резонанс (нерезонансный режим) датчик перемещается по контролируемой поверхности.

Изменение силы реакции фиксируется загоранием лампочки или с помощью стрелочного индикатора. Возможен также контроль изделий в полуавтоматическом режиме (дефектоскоп АД-40И).

Режим работы выбирают в зависимости от свойств контролируемых материалов, особенностей конструкции, толщины.

Для контроля описанным выше методом отечественной промышленностью и за рубежом выпускается обширная номенклатура дефектоскопов и измерителей толщин при одностороннем доступе. В практике ультразвукового контроля деталей и агрегатов ЛА применяются универсальные дефектоскопы УДМ-3, ДУК-66, ДУК-66П и ДУК-13ИМ (с комбинированным питанием), специализированные дефектоскопы ДУК-8М, АД-404, УЗДЛ, толщиномеры УТ-30К, УТ-31МЦ и др.

1.4.4 Метод акустической эмиссии

В последнее время получает распространение метод акустической эмиссии. В настоящее время этот метод привлекает внимание исследователей и практиков и является одним из наиболее динамично развивающихся. Метод успешно применяется для контроля сосудов высокого давления, тонкостенных оболочек и т.д. Соответствующая аппаратура начинает использоваться для контроля и управления некоторыми технологическими процессами.

Интерес к методу акустической эмиссии обусловлен прежде всего тем, что он позволяет определить наличие, величину и месторасположение развивающихся микротрещин, причем дистанционно с значительным быстродействием. Применительно к практике технического обслуживания и ремонта ЛА использование метода акустической эмиссии может явиться одним из интегральных способов оценки технического состояния планера и основных силовых узлов в связи с развитием усталостной повреждаемости конструкции при длительной эксплуатации.

Акустическая эмиссия - это явление распространения в твердом теле волн упругой деформации вследствие освобождения энергии при пластической деформации или разрушении (изломе) локального объема.

Акустическая эмиссия в металле представляет собой волны упругой деформации небольшой амплитуды, создаваемые дискретными (разрывными, прерывистыми) движениями, которые сопутствуют неупругой деформации и развитию трещины. Волны упругой деформации, являющиеся результатом деформации или развития источников разрушения, обнаруживаются как небольшие смещения на поверхности контролируемого объекта. Явления акустической эмиссии возникают и при внешнем трении сопряженных поверхностей, формируя ультразвуковую часть спектра модулирующего поля, а также при технологической обработке поверхностного слоя деталей.

Обнаружение волн акустической эмиссии осуществляется непосредственно путем присоединения пассивных пьезоэлектрических датчиков к поверхности, преобразования и считывания быстрых электрических импульсов, вызванных смещением чувствительного элемента датчика в виде ряда одиночных импульсов или количества энергии. Принятые импульсы или сигналы имеют сравнительно высокую частоту - в пределах от 100 кГц до 1 МГц и более.

Аппаратура для неразрушающего контроля эмиссионным методом содержит чувствительные высокочастотные преобразователи (приемные элементы), фильтры для устранения фоновых посторонних шумов, усилители с высоким коэффициентом усиления и малым уровнем собственных шумов, выходные устройства (регистраторы, счетно-решающие устройства и т.п.).

1. Оборудование, фиксирующее только скорость (темп) и общее число вспышек акустической эмиссии. Полученные данные накапливаются для последующего анализа.

2. Оборудование, содержащее анализаторы для автоматического или полуавтоматического определения относительного времени поступления сигналов на различные преобразователи в реальном масштабе времени и последующей ручной обработки.

3. Автоматическое оборудование, включающее в себя специализированную ЭВМ, с помощью которой немедленно определяется месторасположение и мощность источника импульсов акустической эмиссии.

1.5 Магнитные методы неразрушающего контроля

Методы основаны на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. При ремонте ЛА чаще всего используют следующие виды магнитного контроля (классифицируемые но способу получения первичной информации): магнитопорошковый, магниторезисторный (магнитоферрозондовый), магнитографический.

1.5.1 Магнитопорошковый метод

Магнитопорошковый метод (метод магнитных частиц) основан на обнаружении магнитных полей рассеяния с помощью ферромагнитных порошков. Он широко используется на авиаремонтных предприятиях для обнаружения дефектов в виде нарушения сплошности на ферромагнитных деталях как выходящих на поверхность (видимых), так и лежащих на небольшой глубине под поверхностью (до 3 мм в зависимости от характера дефекта, режима и способа контроля). Магнитопорошковым методом наиболее просто определяются закалочные, термические, шлифовочные, усталостные и усадочные трещины, неметаллические включения, ковочные дефекты и т.п. в виде нарушения сплошности с шириной раскрытия 0,001 - 0,03 мм и глубиной 0,01 - 0,04 мм.

При контроле используются как обычные, или окрашенные, ферромагнитные порошки, так и магнитолюминесцентные - для контроля деталей, имеющих темную, а также блестящую поверхность.

Магнитопорошковый метод включает в себя три основных этапа: намагничивание материала, нанесение магнитных частиц и размагничивание. Магнитные частицы (индикаторная среда) могут использоваться либо взвешенными в воздухе (сухими), либо взвешенными в жидкости. Взвесь порошка в жидкости называется магнитной суспензией и используется чаще.

Если дефект поверхностный или расположен близко к поверхности, то на его месте при намагничивании возникает пара магнитных полюсов, удерживающих на поверхности нанесенные магнитные частицы (порошок). В результате образуется изображение контуров дефекта, определяющее его расположение и протяженность.

Состояние поверхности контролируемого изделия существенно влияет на обнаружение дефектов магнитопорошковым методом (особенно это относится к под поверхностным дефектам). Поверхность должна быть чистой, сухой и свободной от коррозии.

Магнитопорошковый метод допускает контроль деталей после оксидирования, окраски или нанесения металлического покрытия (цинкование, кадмирование, хромирование). Если толщина покрытия более 30 мкм, при контроле могут быть выявлены только грубые дефекты. Поверхностные дефекты, как правило, вызывают образование порошковых рисунков с резкими очертаниями, под поверхностным дефектам обычно соответствуют рисунки с менее резкими очертаниями.

Напряженность поля рассеяния от дефектов определяется различными факторами: величиной намагничивания, магнитной проницаемостью материала и формой изделия, формой, размером, расположением и ориентацией дефектов.

После магнитного контроля необходимо снять остаточное намагничивание (магнитное поле может вызвать ошибки в показаниях компаса и других чувствительных электрических приборов, а также интенсифицировать процессы поверхностного разрушения контактирующих деталей). Для этого изделие подвергают действию переменного магнитного поля, непрерывно уменьшающегося по величине.

Применяют три способа намагничивания детали.

1. Циркулярное намагничивание, когда через деталь или проводник, на который надета испытуемая деталь, пропускают ток. При этом создается магнитное циркулярное поле, плоскость которого перпендикулярна к направлению тока, протекающего по детали или проводнику. Метод удобен при контроле деталей малого диаметра и большой длине с продольными дефектами.

2. Продольное намагничивание, когда деталь помещают между полюсами электромагнита или в поле соленоида. Метод эффективен при контроле деталей из магнитотвердых материалов с коэрцитивной силой около 795 А/м (10 Э).

3. Комбинированное намагничивание (продольное и циркулярное), что позволяет контролировать детали с любой ориентацией дефектов.

Применяют также намагничивание в приложенном магнитном поле, когда контроль осуществляется без вынесения детали из поля электромагнита. Этот метод пригоден для контроля магнитомягких материалов.

Для намагничивания используется постоянный, переменный, однополупериодный выпрямленный и импульсный токи, причем интенсивность магнитного поля зависит от величины тока. Напряжение источника тока должно быть сравнительно низким в целях безопасности работы и сведения к минимуму возможности повреждения изделия.

Постоянный ток создает магнитное поле, глубоко проникающее в металл. Действие магнитного поля, создаваемого высокочастотным переменным током, ограничено в силу поверхностного эффекта лишь наружными слоями металла. Поэтому переменный ток находит наибольшее применение при выявлении поверхностных дефектов.

1.5.2 Феррозондовая дефектоскопия

Феррозондовая дефектоскопия основана на измерении полей рассеяния от дефектов с помощью чувствительных к магнитным полям датчиков (феррозондов).

Современные феррозондовые датчики состоят из двух одинаковых полузондов, каждый из которых представляет собой пермаллоемый сердечник с двумя катушками. Одна из катушек служит для возбуждения в сердечнике переменного магнитного потока, а вторая - для измерения э. д. с. Если сердечник находится только в магнитном поле катушки возбуждения, то э. д. с. второй катушки содержит составляющие нечетных гармоник и, в частности, первой гармоники, определяемой частотой тока, питающей катушку возбуждения. При введении феррозондов в исследуемое магнитное поле изменяется э. д. с. измерительной катушки и в ее составе одновременно появляются гармоники (в частности, вторая), величина которых обусловлена величиной поля. Измерительные катушки полузондов соединяются так, чтобы при отсутствии измеряемого поля выходное напряжение было равно нулю.

Феррозондовый дефектоскоп обычно состоит из высокочастотного источника питания, феррозондов, усилителя, детектора и измерительного прибора. Хотя метод отличается большой чувствительностью, феррозондовая дефектоскопия разработана пока что недостаточно. На практике в основном используются феррозбндовые магнитометры или полюсоискатели (например, МФ-21Ф, ФП-1).

Приборы позволяют определить наличие и направление локальных магнитных полюсов и величину остаточной намагниченности деталей в относительных единицах. Приборы весьма эффективны при проверке качества размагничивания деталей, подвергнутых магнитопорошковому контролю.

1.5.3 Магнитографический методконтроля

Магнитографический метод контроля заключается в намагничивании зоны контролируемого металла вместе с наложенной или протягиваемой по поверхности лентой эластичного магнитоносителя, фиксации на ней возникающих в местах дефектов полей рассеяния и последующем воспроизведении полученной записи.

Особенно эффективен магнитографический метод контроля при дефектации сварных соединений. Его принципиальные отличия заключаются в следующем:

ферромагнитные частицы магнитоносителя не могут перемещаться, а под воздействием имеющихся на данном участке поле рассеяния изменяют только свою полярность и намагниченность;

при считывании записи полей рассеяния осуществляется не только количественная, но и качественная оценка дефектов;

магнитная лента может служить документом, сохраняющим данные о дефектах контролируемого участка детали.

Современная аппаратура для магнитографического контроля обеспечивает оценку качества сварных швов ферромагнитных деталей, а также основного металла при толщине от 1 до 16 мм. Чувствительность магнитографического метода определяется как отношение высоты выявляемого дефекта к общей толщине основного металла контролируемой детали и составляет 5-10% (применительно к сварным соединениям).

Для магнитографического контроля сварных соединений наибольшее распространение получила схема поперечного (по отношению к продольной оси шва) намагничивания в наиболее благоприятном для создания полей направлении в соответствии с расположением дефектов.

Намагничивание обычно осуществляется постоянным током с помощью: дисковых магнитов, используемых для контроля листовых конструкций и труб толщиной стенки до 5 - 6 мм; подвижных намагничивающих устройств, применяемых при контроле труб большого диаметра и листовых конструкций толщиной до 16 мм; устройств типа намагничивающих клещей, поясов и вилок, используемых при контроле деталей трубчатой конфигурации.

В качестве магнитоносителей используются ленты МК-1 на триацетатной основе, МК-2 на лавсановой основе, магнитоносители на эластичной (резиновые ленты) и на полиамидной основе.

В качестве магнитного порошка, наносимого на ленты или входящего в состав ленты, используется порошок типа "1", имеющий коэрцитивную силу 90 - 100 Э, максимальную индукцию 0,165 Тл и остаточную индукцию 0,065 Тл.

Для считывания магнитной записи с ленты применяются воспроизводящие магнитные головки, предназначенные для преобразования зафиксированных на ленте "отпечатков магнитных полей и электрические сигналы (э. д. с. электромагнитной индукции). Для этого взаимно перемещают магнитную головку и ленту. При этом часть внешнего магнитного потока, создаваемого намагниченными отпечатками на ленте через сердечник головки, "ответвляется". Считанный сигнал усиливается в воспроизводящем устройстве и используется для образования либо индикаторного, либо телевизионного "теневого" изображения.

В последнее время все большее распространение получают дефектоскопы, снабженные двухлучевыми электронно-лучевыми трубками, позволяющими получить и индикаторное и телевизионное теневое изображения дефектов контролируемого участка (например типа МДУ, МГК и др.).

Однако следует заметить, что магнитографический метод, обладая большими достоинствами, не свободен и от недостатков. Например, при использовании данного метода возможна фиксация на магнитной ленте ложных сигналов при наличии грубой чешуйчатости и других неровностей сварного шва.

Метод недостаточно чувствителен к выявлению широких и округлых дефектов (широкие непровары, шлаковые включения и поры).

1.6. Вихретоковый неразрушающий контроль

Вихретоковый неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. По первичному информативному параметру методы делят на амплитудный, частотный, спектральный, многочастотный.

Методы, основанные на использовании вихревых токов, применяются для обнаружения нарушения сплошности, неоднородностей структуры и отклонений химического состава в электропроводящих изделиях, в структуроскопии. Вихретоковые методы находят также применение при измерении толщин покрытий, листовых материалов и труб.

Сущность метода заключается в следующем. Когда к поверхности металлического изделия подносится катушка, по которой протекает переменный электрический ток, в металле наводятся вихревые токи (рис.1.9). Величина наведенных вихревых токов зависит от величины и частоты переменного тока, электропроводности, магнитной проницаемости и формы изделия, относительного расположения катушки и изделия, а также от наличия в изделии неоднородностей или несплошностей.

Электромагнитное поле вихревых токов по направлению противоположно наводящему. Вследствие этого вихревые токи влияют на общее сопротивление (импеданс) катушки возбуждения, находящейся в непосредственной близости к изделию. Определение величины и характер изменений вносимых сопротивлений (активных и индуктивных) и является основой для обнаружения дефектов или различий в физической, химической и металлургической структуре материала. Зависимость сигналов преобразователя от параметров объекта и от режима контроля выражается годографами, так как сигналы представляются векторами на комплексной плоскости напряжений. Годографы могут быть получены теоретическим или экспериментальным путем.

Рисунок 1.9 Схема электромагнитного неразрушающего контроля: а - монолитный металл; б - металл с трещиной; Ф_в - возбуждающее электромагнитное поле; Ф_ф - наведенное электромагнитное поле; I_ф - вихревые токи; д - глубина проникновения

Таким образом, ток, протекающий в катушке, несет информацию об изделии, его размерах, механических и химических свойствах, а также о наличии или отсутствии дефектов, т.е. происходит своеобразное отражение электромагнитной энергии. Характер отраженного поля определится в основном двумя явлениями, происходящими в испытуемом изделии: возбуждающее поле индуктирует в металле вихревые токи; возбуждающее поле изменяет магнитную доменную структуру испытуемого изделия. В неферромагнитных металлах происходит только первое явление, в то время как в ферромагнитных металлах действуют оба явления, причем на результаты измерения преобладающим оказывается влияние второго явления.

В различных вихретоковых приборах используется несколько способов возбуждения вихревых токов в объекте: помещение объекта в катушке или катушки в объект (метод охватывающего или проходного преобразователя), накладывание преобразователя на объект (так называемые накладные преобразователи) с помощью комбинированных преобразователей. Кроме того, преобразователи делят на абсолютные и дифференциальные.

При использовании абсолютного преобразователя оценивается изменение полного сопротивления при взаимодействии с конкретным участком контролируемого объекта. При использовании дифференциальных типов преобразователей сравниваются электромагнитные характеристики двух сечений изделия или двух различных изделий, одно из которых считается бездефектным. Обычно преобразователи соединяются последовательно таким образом, чтобы в случае контроля бездефектного изделия выходное напряжение было равно нулю. Дифференциальная схема не обладает большой чувствительностью, однако позволяет отстраниться от мешающих факторов, что увеличивает достоверность контроля.

Важной характеристикой детектируемых вихревых токов является глубина их проникновения д. Это такое расстояние от поверхности, на котором амплитуда падающей электромагнитной волны уменьшится вераз. В соответствии с величиной д будет изменяться и контролируемая толщина материала изделия. Глубину проникновения вихревых токов в зависимости от частоты тока катушки можно определить по номограмме.

Особое внимание при контроле вихретоковым методом следует обратить на зазор между преобразователем и образцом, наличие которого сказывается на результатах. Этот же фактор значительно ограничивает возможности метода для дефектации НК деталей сложной конфигурации. Для уменьшения влияния величины зазора на показания прибора предусматриваются такие меры, как стабилизация зазора калиброванными прокладками, использование автоматических корректирующих устройств и др. Однако часто и эти приемы не обеспечивают необходимой стабильности и достоверности результатов контроля. Это объективно обусловлено интегральностью выходного сигнала вихретокового преобразователя, несущего информацию и о электромагнитах, и о геометрических, механических и других свойствах изделия, особенно при контроле ферромагнитных сплавов. Поэтому в настоящее время разрабатываются специальные методы так называемого многопараметрового вихретокового контроля, позволяющие раздельно оценить как интересующие, так и мешающие факторы на свойства изделия. К ним относятся метод измерения на нескольких частотах, метод гармонического анализа сигнала датчика и др.

Для проведения вихретокового контроля выпускается обширная номенклатура приборов, многие из которых используются при ремонте ЛА (например, дефектоскопы ППД-1МУ, ВД-20Н-СТ, ВД-20Н-Д и др.). Для измерения толщин различных покрытий используются вихретоковые толщиномеры ВТ-40НЦ, ВТ-50Н в диапазоне от 0 до 10000 мкм.

Рисунок 1.10 - Структурная схема вихретокового дефектоскопического индикатора

Помимо дефектоскопов широкого назначения, используются также специальные, например ТВД, ЭИТ-С1МА и некоторые другие. С их помощью контролируются фланцы корпусов сопловых аппаратов газотурбинных двигателей, лопасти воздушных винтов, барабаны и съемные реборды колес самолетов, диски турбины и другие детали.

Для сортировки металлов по маркам, оценки качества термообработки используют вихретоковые измерители электропроводимости (например, ВЭ-20И) и твердомеры (например, ВФ-10К).

На сегодня разработаны сверх портативные вихретоковые дефектоскопы, так называемые дефектоскопические индикаторы. Масса приборов 150 - 180 г, потребляемая мощность 120-180 мВт, источник питания - батарея "Крона" или аккумуляторы типа 7Д-01. Индикаторы предназначены для оперативного выявления несплошностей (трещины протяженностью от 5 мм с шириной раскрытия от 0,02 мм и глубиной от 0,5 мм) и других дефектов в поверхностных слоях магнитных и немагнитных металлов и сплавов. Работают приборы следующим образом (рис.1.10). При установке датчика 1 на контролируемый объект в контур генератора 2 вносится дополнительное комплексное сопротивление. Режим работы ВЧ генератора 2 можно выбрать вблизи точки срыва генерации.

Такой режим получают подбором величины обратной связи в цепи генератора. При прохождении датчика над трещиной вследствие влияния вносимого сопротивления изменяется комплексное сопротивление, при этом уменьшается добротность контура и происходит срыв генерации. В этом случае от низкого уровня сигнала, поступившего через АМ-детектор 3, срабатывает мультивибратор 4, работающий в ждущем режиме.

Генерируемые мультивибратором импульсы поступают на вход индикаторного устройства, где они прослушиваются в головных телефонах 6.

Одновременно загорается световой индикатор 5, который также сигнализирует о наличии дефекта.

1.7 Автоматизированные системы контроля

Приборные методы НК успешно используются для оценки технического состояния материалов, некоторых конструкций и частично агрегатов. Однако эксплуатационный автоматизированный контроль и прогнозирование технического состояния систем практически только начинают внедряться. Хотя методы теории вероятностей и математической статистики получили в автоматизированном контроле и прогнозировании большое развитие, они не обеспечивают пока в полной мере оценку текущего технического состояния конкретного объекта наблюдения, а следовательно, и стратегию ремонта ЛА по техническому состоянию.

Одним из путей решения задачи оценки технического состояния сложных систем является применение автоматизированных систем контроля (АСК), работающих на принципах оценки параметров системы, непосредственно связанных с надежностью ее работы (преобразованных в постоянное или переменное напряжение), обработки регистрируемых параметров вычислительными управляющими комплексами и представлением (информацией) результатов сравнения оцениваемых параметров с нормально допустимыми. На основании такого анализа выдаются информация о состоянии контролируемой системы и соответствующие рекомендации или команды летному и техническому персоналу во время полета (системами телеметрии) или после приземления ЛА.

Разработке таких комплексов уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом, хотя для их применения требуется выполнение обширной исследовательской программы.

Автоматизированные системы контроля особенно эффективны при проведении наземных испытаний настраиваемых систем (например, после капитального ремонта), когда полностью используются возможности измерения сотен параметров.

Системы контроля классифицируются по нескольким признакам. По месту расположения они делятся на бортовые (например, АСК-1), наземно-бортовые (САРП, МСРП и др.), наземные. Большое распространение получили наземно-бортовые системы, отличающиеся относительной простотой бортовой части и совершенством и большим быстродействием обрабатывающей и расшифровывающей наземной части. Целесообразность применения в настоящее время наземнобортовых систем в значительной степени связана с возможностью использования на земле (и только на земле) современных больших вычислительных машин. Например, системы дешифрирования "Луч-71" и "Луч-74", укомплектованные устройствами перезаписи информации, позволяют успешно решать задачи технического обслуживания АТ путем эффективного использования полетных данных. Однако развитие микроэлектроники, миниатюризация и расширение технических возможностей средств обработки информации обуславливают тенденцию развития бортовых систем контроля как более универсальных и быстродействующих. Под быстродействием в этом случае следует понимать общее время от момента получения информации о техническом состоянии объекта контроля до момента ее расшифровки и выдачи рекомендаций.

Такого рода системы предназначены для автоматического контроля технического состояния основных систем и агрегатов объекта контроля (ЛА) в полете и для автоматизированного контроля технического состояния основных систем и агрегатов объекта контроля в процессе ремонтов и при техническом обслуживании.

Аппаратура для контроля обеспечивает:

а) в полете:

автоматический количественный контроль параметров оборудования объекта контроля с записью информации о результатах контроля на магнитную ленту устройства спасения информации контроля;

выдачу речевых сообщений экипажу через СПУ в случае возникновения аварийных ситуаций на объекте контроля;

запись переговоров по СПУ и речевых сообщений на магнитную ленту устройства спасения информации контроля;

содержание записанной на магнитную ленту информации в случае летного происшествия;

б) на земле:

автоматизированный количественный контроль параметров оборудования объекта контроля с выдачей информации о результатах контроля на световое табло, с фиксированием информации на бумажной ленте, с записью на магнитную ленту устройства спасения информации контроля и с выдачей речевых сообщений экипажу через СПУ;

поиск неисправностей (место неисправности определяется с помощью каталога решений);

выборочный контроль отдельных систем и агрегатов по желанию оператора;

ручную настройку параметров оборудования объекта контроля штатными средствами регулировки, имеющимися на контролируемом объекте.

Принцип работы системы заключается в следующем. С датчиков и первичных преобразователей, установленных в агрегатах и систем мах объекта контроля, контролируемые параметры подаются на входы первичных коммутаторов аппаратуры контроля.

Согласно программе контроля по командам устройства управления производятся установка соответствующего первичного коммутатора, блока преобразования параметров по виду и диапазону измерения, установка признаков, датчика времени для образования временного интервала между измерениями.

Контролируемый параметр в виде электрического сигнала через первичный коммутатор и блок управления коммутацией подается на вход блока преобразования параметров, где происходит преобразование электрического сигнала-аналога в числовой двоично-десятичный код. Данный код является результатом измерения в приведенных единицах и передается в вычислительно-управляющий комплекс (в арифметическое устройство). По командам устройства управления арифметическое устройство сравнивает результат измерения с номинальным значением параметра, хранящимся в запоминающем устройстве, производя математические операции согласно программе контроля.

Выводы к аналитической части

Дефектация или процесс контроля технического состояния - один из самых ответственных этапов технологического процесса ремонта. Таким образом, от качества дефектации непосредственно зависит объем работ по ремонту, качество ремонта и надежность отремонтированной техники.

Обнаруженные дефекты фиксируются в специальных ведомостях. Кроме того, на детали и сочленения, подвергаемые микрометрическому обмеру, заполняются карты обмера. Ведомость дефектации должна содержать эскиз детали, на котором специальными индексами отмечаются места, имеющие дефекты. В ведомости указан также маршрут дефектации.

По результатам дефектации все детали, узлы и агрегаты подразделяются на три группы:

не требующие ремонта и годные к дальнейшей эксплуатации;

требующие ремонта;

не подлежащие ремонту ввиду его технической невозможности или экономической нецелесообразности.

Поскольку элементы конструкции авиационной техники изготовлены из различных материалов, имеют различные форму и размеры, работают в разных условиях, то и дефекты их могут иметь самый разный характер. Поэтому универсального метода, пригодного для контроля любого материала или детали, нет.

Среди большого разнообразия видов контроля, существующих в настоящее время, при техническом обслуживании и ремонте наиболее часто применяются следующие методы: оптические, капиллярные, акустические, с использованием проникающих излучений, магнитные, токовихревые, а также технические измерения и испытания на прочность и герметичность.

2. Проектная часть

2.1 Причины отказов, неисправностей и дефектов деталей и агрегатов

Для выявления неисправностей и дефектов, разработки технологических процессов их устранения важно установить физические процессы, приводящие к их появлению. Многообразие условий, в которых эксплуатируется ЛА, приводят к весьма сложным процессам, протекающим в материалах, сопряжениях и агрегатах в целом. Тем не менее может быть указана достаточно четкая классификация этих процессов, позволяющая целенаправленно вести поиск и устранение неисправностей и дефектов.

Среди отказов, которые могут возникнуть в эксплуатации, наиболее серьезные, угрожающие безопасности полетов, связаны с разрушениями отдельных элементов и частей (например, силовых элементов планера ЛА), коррозией, приводящей к потере герметичности (например, к течи в топливной системе) с нарушениями кинематических связей в механизмах из-за повышенного износа (например, зависание шасси при его уборке).

Рассмотрим возникновение отказа из-за разрушения частей и деталей ЛА. Различают разрушения хрупкие (схема мгновенных повреждений), усталостные и под воздействием длительной статической нагрузки.

Несмотря на развитие и совершенствование методов расчетов на прочность наблюдается большой разрыв между расчетными и фактическими характеристиками.

Многочисленные факторы, приводящие к снижению прочности и долговечности, могут быть связаны со свойствами материалов, характеристиками деталей и условиями нагружения.

В авиастроении широко применяются высокопрочные, жаропрочные, металлические и неметаллические материалы: стали, сплавы, металлокерамические композиции, пластмассы, обладающие высокими пределами прочности, ползучести, выносливости, сопротивлением термической усталости, коррозионной стойкостью и т.д. Стали, сплавы и композиции, удовлетворяющие этим требованиям, как правило, обладая сложным составом, отличаются низкой технологичностью. Типичным и общим дефектом такого рода материалов является их микроструктурная неравнопрочность, вследствие чего возникает несоответствие между напряженностью и сопротивлением разрушению отдельных элементов структуры. При этом необходимо учитывать, что авиационные конструкции весьма чувствительны к наличию локальных зон с пониженными механическими свойствами.

Как показывает опыт, прочность конструкций оказывается значительно меньшей, чем прочность материалов, из которых конструкция изготовлена. Причины: масштабный фактор, наличие в деталях остаточных напряжений, анизотропия свойств, различное состояние поверхности, изменение свойств материалов в процессе эксплуатации, в том числе под влиянием рабочих сред, и ряд других. Учесть все факторы, часто не взаимосвязанные на стадии проектирования и постройки ЛА, практически невозможно. Если распределение свойств по зонам твердого тела назвать полем сопротивлений, а совокупность напряженных состояний в разных точках тела - полем напряжений. Уменьшение неравномерности ?_н и ?_с, вызывающее расхождение эпюр, как правило, снижает прочность данной зоны детали, причем наиболее опасные места в телах постоянной и переменной прочности различны. В телах постоянной прочности такими местами являются зоны наибольших напряжений. В телах переменного сопротивления это распространенное правило не соблюдается.

Трудности практического использования принципа сопоставительного анализа эпюр напряжений и сопротивлений заключаются прежде всего в том, что поля сопротивлений отдельных участков деталей, как правило, неизвестны и могут быть построены только по результатам локальных механических испытаний. В то же время неопределенность зоны ожидаемого разрушения, отнюдь не обязательно совпадающей с зоной наибольших напряжений (что определяется при испытаниях), делает задачу предотвращения отказа (поломки) весьма сложной.

Нагрузки, которые испытывают агрегаты и системы ЛА, по своей структуре весьма своеобразны и связаны с факторами, действующими в полете, на земле и при техническом обслуживании и ремонте.

Все нагрузки, действующие на планер ЛА или детали авиадвигателя можно разделить на две группы - постоянно действующие (детерминированные) и случайные (стохастические). К первым относят нагрузки: от аэродинамических сил при установившихся режимах полета; возникающие при отклонении органов управления и механизации крыла, выпуске и уборке шасси; вызываемые избыточным давлением в кабине; от центробежных сил вращающихся частей двигателя и т.д. Параметры этих нагрузок известны и являются исходными при расчете ЛА или авиадвигателя.

Вторая группа нагрузок носит в общем случайный характер. К ним относят нагрузки: ударные - на шасси и планер при разбеге и пробеге ЛА; от турбулентной воздушной среды; возникающие от маневренных перегрузок; связанные с различной (хотя и в пределах допустимых отклонений) динамической уравновешенностью ротора ГТД и колебаниями температур рабочего тела и т.д. Именно эта группа нагрузок вносит непредельность в общую структуру действующих нагрузок и в значительной степени обусловливает неравнопрочность конструкций ЛА даже одного типа.

При динамических нагрузках, вызываемых, например, порывами ветра, и при полете в турбулентном потоке также возникают упругие колебания конструкции, существенно изменяющие картину нагружения элементов упругие колебания конструкции, существенно изменяющие картину нагружения элементов.

Амплитуды колебаний частей и деталей ЛА зависят от спектрального состава возбуждающих сил, а также от автоколебательных свойств самой конструкции (собственные формы и частоты колебаний). Можно считать, что большинство нагрузок характеризуется некоторым средним значением. Действующие эффективные силы являются результатом сложения детерминированной и случайной (вибрационной) нагрузок.

Современные методы измерения и анализа случайных процессов позволяют определить области существенного влияния случайных нагрузок и их интенсивность путем построения частотных характеристик системы, находящейся под воздействием случайных входных и выходных сигналов. Нетрудно видеть, что сочетание входного спектра, б, с приведенной на рисунке частотной характеристикой приводит к возникновению в анализируемой системе (например, шасси ЛА) нагрузки с острым пиком на частоте f₁, что будет приводить к соответствующим большим напряжениям в силовых элементах, изменяющихся с определенной частотой. В некоторых случаях частотный диапазон нагрузок известен. Так, например, на земле при разбеге или пробеге, а также при рулении возникают колебания частей конструкции с частотой от 1 до 30 Гц (в зависимости от скорости руления и состояния рулежных дорожек и взлетной полосы). Частота колебаний отдельных элементов может достигать 300 Гц и более. Возникновение колебаний звуковой частоты связано, по-видимому, с работой тормозов. Процесс торможения сопровождается возникновением автоколебаний в широком диапазоне частот. Работа такого широкополосного "генератора", каковым является ЛА, как правило, сопровождается резонансными явлениями, которые могут возникнуть даже в зонах, весьма удаленных от источника возбуждения (тормозов).

Методика анализа таких явлений подобна приведенной и заключается в представлении узла трения в виде динамической системы, находящейся под воздействием случайных входных и выходных сигналов.

Значительные нагрузки возникают при посадке. Приземление может происходить на одну, две или три стойки шасси с различной вертикальной и боковой скоростями. Помимо кратковременных ударных (импульсных) нагрузок, возникают также колебания конструкции, имеющие в общем случае стохастический характер.

В полете возникают так называемые аэродинамические колебания, вызванные неравномерностью обтекания частей ЛА турбулентном потоком. Колебания происходят с частотами, близкими к собственным частотам конструкции, в диапазоне 2-30 Гц.

2.2 Виды и классификация дефектов машин и их частей

Определяются избранными классификационными принципами. При выборе методов и средств контроля с учетом особенностей продукции, ее назначения, условий использования и т.п. дефекты подразделяют на явные, скрытые, значительные и малозначительные.

Явным считается дефект, для выявления которого в нормативной документации предусмотрены соответствующие правила, методы и средства контроля. Скрытым считается дефект, для выявления которого в нормативной документации не предусмотрены правила, методы и средства контроля. Критический дефект исключает возможность использования продукции по назначению. Значительный дефект существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим. Малозначительный дефект не оказывает существенного влияния на использование продукции по назначению и на ее долговечность.

Брак - дефектная единица продукции или совокупность таких единиц. Дефект и брак делят на исправимый и неисправимый. Изделие, удовлетворяющее всем требованиям нормативной документации, считается годным. Любое годное изделие имеет допускаемые отклонения параметров или показателей качества.

В теории неразрушающего контроля используются физические принципы классификации дефектов твердого тела: по величине; в зависимости от расположения, природы и происхождения; в зависимости от ориентировки относительно главных действующих напряжений.

1. По величине дефекты твердого тела подразделяются на следующие группы:

а) дефекты атомного строения. Это так называемые дислокации, т.е. особые зоны искажений атомной решетки, содержащиеся в реальных кристаллах в огромных количествах (до 10¹⁰ - 10¹² см^-2).

Согласно теориям прочности, именно дислокации и порождаемые их движением другие дефекты кристаллического строения (вакансии, межузельные атомы и т.д.) приводят к низкой по сравнению с теоретической прочности технических металлов и сплавов. Например, для чистого железа теоретическое значение прочности превышает 10000 МПа, а техническое составляет всего 250 МПа. С изменением плотности дислокаций изменяется прочность металлов. Изменение дислокационной структуры может происходить в результате пластической деформации. Развитие дислокационных процессов при деформации вызывает изменение электрических и магнитных характеристик. Так, например, один атомный процент вакансий изменяет электрическое сопротивление меди на 1,5 - 1,7 мкОм·см. Это обстоятельство позволяет, измерив удельное электросопротивление, оценить тонкую структуру материала применительно к конкретным техническим дефектоскопическим задачам. Именно на этом принципе основаны некоторые методы контроля и дефектации материалов на стадиях, предшествующих разрушению.

Дислокационные механизмы во многом определяют строение межзеренных границ и границ тонкой структуры (блоков мозаики). Блоки имеют размер порядка 10^-4 - 10^-5 см. Каждый кубический миллиметр технического металла содержит примерно 10¹² блоков.

Изменение блочной структуры под действием упрочняющих или разупрочняющих процессов также является чрезвычайно важным первичным фактом, несущим информацию как о технологических, так и о эксплуатационных внешних воздействиях и в конечном итоге о техническом состоянии участка или зоны металлической детали. Строение границ как блоков, так и зерен специфично.

Во-первых, границы подвижны вследствие стремления уменьшить свободную энергию сокращением площади границы, либо снижением плотности дислокаций в результате перемещения границы поперек кристалла. В этом процессе важную роль играет температура. При высоких температурах границы переходят к вязкому состоянию, становятся "слабым" местом структуры, по ним происходит скольжение, а в ряде случаев образование несплошностей.

Во-вторых, на границах блоков и зерен более интенсивно протекают процессы диффузии, конденсации дислокаций и атомов примесей. Возможно скопление значительного количества зародышевых трещин.

Описанные процессы являются физической основой технической диагностики материалов деталей, работающих в условиях повышенных температур, циклических нагрузок и агрессивных сред.

В связи с этим особенно важно оценить тонкую структуру поверхностного слоя, наиболее активно подвергающуюся внешним воздействиям;

б) нарушение сплошности материалов субмикро- и микроскопического порядка. К этой группе дефектов твердого тела относят субмикроскопические трещины, по размерам не превышающие предела разрешения оптического микроскопа (? 0,2 мкм). Они могут образовываться по границам блоков кристалла в процессе его роста, а также в результате приложения напряжений.

Субмикротрещины в том или ином количестве всегда имеются в реальном металле и являются концентраторами напряжений. Электрические и магнитные характеристики металлов существенно изменяются при появлении субмикроскопических трещин.

Из субмикроскопических трещин развиваются микроскопические (размером >0,2 мкм) - наиболее широкий класс дефектов, встречающихся в технических металлах. Такие трещины образуются на поверхности и в глубине деталей как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации под действием внешнего нагружения. Даже при незначительной глубине (несколько микрометров) эти трещины резко снижают прочностные характеристики деталей;

в) макроскопические дефекты. Это различного рода нарушения сплошности или однородности металла, часто видимые даже невооруженным глазом. Эти дефекты особенно резко снижают прочность деталей и, как правило, приводят к их разрушению при эксплуатации.

Не следует, однако, считать, что относительно большие размеры макроскопических дефектов позволяют их легко обнаружить. Многие методы неразрушающего контроля, обладая большим разрешением, часто оказываются неэффективными для обнаружения скрытых макроскопических дефектов.

Бездефектных деталей не существует. Любая деталь, изготовленная самым тщательным образом, "заряжена" дефектами атомного и субмикроскопического порядка, которые под действием внешнего нагружения могут развиваться в микро - и макроскопические. Поэтому улучшение эксплуатационных характеристик материалов и изготовленных из них деталей - это прежде всего полное исключение наиболее опасных дефектов и сведение до некоторого разумного минимума содержания дефектов, менее опасных в конкретных условиях работы детали, агрегата и системы в целом. Естественно, что этот "безопасный" минимум, определяющий качество детали, зависит от условий внешнего нагружения и возрастает с увеличением энергонапряженности. В связи с этим контроль качества ответственных конструкций, выполненных с минимальным запасом прочности и подвергающихся в работе значительным нагрузкам, - одна из основных задач в процессе ремонта авиационной техники.

2. В зависимости от расположения и природы происхождения дефекты твердого тела подразделяют на следующие группы:

а) местные (различные нарушения сплошности - поры, раковины, трещины, расслоения, флокены и т.д.). Эти дефекты, локализованные в ограниченных объемах, могут быть точечными, линейными, плоскостными и объемными. По расположению они разделяются на наружные (поверхностные и подповерхностные) и внутренние (глубинные);

б) распределенные в ограниченных зонах (ликвационные зоны, зоны неполной закалки, коррозионные повреждения и т.д.);

в) распределенные по всему объему детали или по ее поверхности (несоответствие химического состава, повреждения в результате процессов трения, смазки и износа и т.д.).

3. В зависимости от ориентировки относительно главных действующих напряжений дефекты твердого тела могут быть резкими и нерезкими концентраторами напряжений. Поэтому в нормативно-технической документации оговаривается не только размер дефекта, но и его месторасположение и ориентировка.

2.3 Микроструктурные механизмы разрушения

Прогресс в области диагностики разрушения, достигнутый за последнее время, является свидетельством успехов физики твердого тела, выявления основных закономерностей и физических проявлений разрушения. Разрушение металлов является сложным процессом.

Для правильного выбора методов контроля, позволяющих выявить разрушение на наиболее ранней стадии и тем самым обеспечить необходимую надежность работы конструкции, важно знать основные механизмы разрушения.

Разрушения деталей АТ условно можно разделить на две группы: объемные, при которых нарушается целостность деталей (детали разделяются на отдельные части); поверхностные, при которых процесс разрушения локализуется в поверхностном слое.

2.3.1 Виды объемного разрушения

К основным видам объемного разрушения относят: низкотемпературное хрупкое, вязкое, усталостное, ползучесть.

В связи с этим наиболее удобно с точки зрения диагностики разделять конструкционные материалы на три группы твердых тел: хрупкие, пластичные и полухрупкие.

Хрупкими считают материалы, которые при нагружении деформируются в основном упруго вплоть до разрушения (деформация может составлять около 1 %). Совершенно хрупкими являются сравнительно немногие металлы, однако хрупкое разрушение характерно для большого числа высокопрочных сплавов, например закаленных сталей 30ХГСА и ШХ-15, керметов и композиционных материалов, применяемых в авиации. Характерной особенностью хрупкого разрушения является быстрое распространение трещины в материале. При этом вероятность хрупкого разрушения углеродистых сталей увеличивается при понижении температуры. Отсюда и название этого вида разрушения - низкотемпературное хрупкое разрушение.

Внешние признаки хрупкого разрушения деталей характеризуются ясно выраженным "шевронным" изломом, причем вершины шевронов направлены к началу трещин. Плоскость излома обычно нормальна к поверхности. Пластическая деформация незначительна (изменение толщины в месте разрушения <2%). Большая часть зерен разрушена сколом.

Особенности хрупкого разрушения:

1) разрушение обычно начинается у конструктивных или структурных концентраторов напряжений;

2) вероятность хрупкого разрушения мало изменяется со временем наработки детали;

3) холодная обработка и остаточные деформации повышают чувствительность к разрушению;

4) большое влияние оказывают размер зерна, толщина материала и наличие примесей. Никель и марганец уменьшают, а углерод увеличивает вероятность хрупкого разрушения;

5) спокойные стали менее чувствительны к разрушению, чем кипящие и полуспокойные.

Механизм образования трещины хрупкого разрушения окончательно не выяснен. Предложено несколько моделей. Трещина может образоваться в результате взаимодействия дислокаций, движущихся в пересекающихся системах скольжения ("барьерная" модель), объединения цепочек вакансий, изменения направления скольжения в кристалле ("безбарьерные" модели) и ряда других механизмов. Однако любая модель основана на динамическом изменении тонкой кристаллической структуры и субструктуры, что может быть использовано для ранней диагностики хрупкого разрушения соответствующим структурно-чувствительным методом.

Разрушению пластичных тел предшествует значительная пластическая деформация, а медленно распространяющаяся трещина задерживается или "останавливается" при уменьшении нагрузки. Отсюда название этого вида разрушения - вязкое разрушение.

Внешние признаки вязкого разрушения деталей характеризуются так называемым "чашечным" или "ямочным" изломом с явно выраженными следами пластической деформации. При "чашечном" изломе в центре участка детали возникают трещины, которые затем растут в радиальном направлении в плоскости, перпендикулярной к оси растяжения. Вязкое разрушение сопровождается значительной пластической деформацией, и поверхности разрушения обычно невозможно плотно пригнать друг к другу.

Трещины вязкого разрушения могут зарождаться в процессе пластической деформации вследствие различия в упругих и пластических свойствах металла и включений, вдоль плоскостей скольжения и на их пересечениях (в точках с максимальной плотностью дислокаций). Вязкие трещины зарождаются при напряжениях выше предела текучести.