Голографические методы оценки технического состояния элементов машин
Для того чтобы правильно обосновать управляющие воздействия с целью повышения долговечности машин, т. е. для управления их техническим состоянием, необходимо учитывать изменения физико-механических свойств конструктивных элементов и процессы, происходящие в механизмах во время работы и вызывающие эти изменения. Для получения соответствующих сведений следует применять микроподход при анализе системы, предусматривающий проведение исследований процессов усталости, старения, изнашивания, теплообмена, деформации.
Контрольно-измерительные приборы и оборудование, применяемые в настоящее время при диагностировании машин, позволяют получить общую оценку их технического состояния. Результаты диагностирования при этом дают возможность выявить необходимость проведения регулировочных операций или замены отказывающих элементов. Однако решение основной задачи диагностирования — прогнозирования изменения технического состояния элементов машин — не может быть получено из-за низкой точности и ограниченных возможностей традиционных методов и средств.
В последнее время шире используют в научных исследованиях лазерное оборудование и голографические методы. Использование голографии для оценки технического состояния элементов машин является исключительно перспективным.
Голография — процесс воспроизведения объемного изображения исследуемого объекта на фотопластине с одновременной фиксацией волновой картины рассеянного им света. Голограмма — регистрируемая на фотопластине объемная картина объекта — получается в результате воздействия на фотопластину когерентного светового луча, отраженного или рассеянного исследуемым объектом. Источниками когерентного светового излучения являются лазеры.
В голографии регистрируют амплитуду и фазу волны, отражаемой поверхностью исследуемого элемента машины. Это позволяет воспроизвести пространственное изображение элемента в любой последующий момент времени. Сложная световая волна, рассеиваемая объектом при освещении, содержит полный объем информации о его форме. Голографические методы позволяют регистрировать этот объем информации на фотопластине и воспроизводить его в неизменном виде.
Структура материала исследуемого элемента также оказывает влияние на характер рассеивания световой волны. Это явление может быть использовано для обнаружения ранних усталостных изменений в материалах деталей задолго до того, как их можно обнаружить непосредственно.
Голографические методы являются универсальными, что позволяет на одной достаточно простой установке решать такие сложные и разноплановые задачи, как определение:
• износа элементов машин и усталостных изменений в материалах деталей;
• состояния рабочих поверхностей деталей;
• внутренних дефектов деталей;
• качества смазочного материала;
• распределения температурных полей в механизмах;
• деформаций и внутренних напряжений в материалах деталей машин.
При решении перечисленных задач традиционными методами необходимо большое количество дорогостоящего специализированного оборудования. С помощью голографических методов: вследствие их универсальности, можно решить весь комплекс задач на одной установке. Это обеспечивает возможность использования системного подхода при анализе надежности машин и предполагает хорошую сопоставимость полученных результатов.
Голографическая установка представляет собой сварную металлоконструкцию — стол 1 (рис. 13.11) с размещенными на ней лазером 2 и штативами 3, предназначенными для крепления оптического оборудования. Конструкция штативов обеспечивает надежную установку различных оптических приборов (линз, объективов, призм) и изменение их положения на плоскости стенда, а также высоты и углов поворота в широких пределах.
Рис. 13.11. Схема голографической установки
Для устранения влияния вибрации на результаты исследований в установке предусмотрено демпфирующее устройство 4, состоящее из трех автомобильных камер. Для предупреждения опрокидывания подвижной части голографического стола служит устройство 8. Подвижная защитная шторка 5 укреплена с помощью струны 6 и стоек 7. На голографическом столе 1 собирают оптическую схему, обеспечивающую решение одной из перечисленных выше задач.
Для оценки технического состояния элементов машин применяют методы голографической интерферометрии: двойной экспозиции, стробоголографический, двухдлинноволновый.
Используя метод двойной экспозиции, можно сравнить параметры состояния исследуемого объекта в различные моменты времени. На голограмме двумя экспозициями регистрируют объект в исходном состоянии и после определенной наработки. При восстановлении такой голограммы получают изображение объекта с интерференционными полосами, характеризующими изменение его состояния в период между экспозициями.
Стробоголографический метод может быть использован для исследования характера вибрации, возвратно-поступательного или вращательного движения, а также напряжений и деформаций, возникающих при этом в элементах машин. Этот метод представляет собой аппаратурную модификацию метода двойной экспозиции и заключается в последовательной периодической записи на голограмму определенной стадии исследуемого процесса.
Двухдлинноволновый метод объединяет методы голографической регистрации объекта с использованием или излучения, содержащего две спектральные линии, или различных экспозиций, полученных при излучении с различной длиной волны. Этот метод обеспечивает более высокую информативность интерферограмм.
Рис. 13.12. Оптическая схема, используемая при исследовании: а — внутренних дефектов деталей; б — распределения напряжений в материале детали методом голографической интерферометрии; 1 — лазер; 2 — оптический затвор; 3 — зеркало; 4 — коллиматор; 5 — делитель; 6 — объектив; 7 — софокусные линзы; 8 — фотопластина; 9 — исследуемый объект
Выбор конкретного метода и оптической схемы проводят в зависимости от целей исследования и характера объекта. Различия при проведении исследований будут заключаться лишь в схеме расположения оптического оборудования, применяемого в голографии. Например, при исследовании напряженного состояния деталей применяют схему, приведенную на рис. 13.12, б.
При исследовании внутренних дефектов деталей машин с помощью голографии применяют более сложную схему (рис. 13.12, а). В частности, при исследовании автомобильных шин голографический метод позволяет выявить дефекты протектора на глубине до 20 слоев. Аналогичным образом, меняя схему размещения оптического оборудования, можно получить решение остальных задач. Заключение о техническом состоянии исследуемого элемента делают по расположению интерференционных полос на голограмме. В результате установления закономерностей изменения интерференционной картины детали в процессе работы можно не только оценить ее состояние, но и прогнозировать момент возникновения отказа.
Кроме того, голографические методы открывают новые возможности в оценке предельного состояния деталей и сопряжений, так как позволяют выразить в количественной форме такие факторы, как уровень внутренних напряжений, усталостные изменения материала, внутренние дефекты детали.
Голографические методы обеспечивают высокую точность и стабильность результатов исследований. Важным преимуществом голо-графических методов является то, что, используя их, можно оперативно оценить состояние элементов машин без разрушения.
На машиностроительных и ремонтных заводах голография в настоящее время находит применение при оценке качества выпускаемых изделий. При использовании современного лазерного оборудования и голографических методов при углубленном поэлементном диагностировании машин во время технического обслуживания и ремонта обеспечивается получение данных, необходимых для прогнозирования ресурсов основных элементов и разработки управляющих воздействий, направленных на поддержание надежности машин в эксплуатации.