Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения первичной обработки сигнала при динамическом индентировании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Егоров Роман Александрович

• Егоров Роман Александрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Егоров Роман Александрович

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

1.1 Анализ существующих методов и средств для контроля механических свойств металлических материалов

1.2 Основы метода динамического индентирования

1.3 Современное состояние развития метода динамического индентирования

Выводы по главе

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА, АЛГОРИТМОВ И АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ФИЛЬТРАЦИИ АНАЛОГОВО СИГНАЛА МАГНИТОИНДУКЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 Теоретические основы расчета параметров движения индентора в процессе ударного взаимодействия с упругопластическим полупространством

2.2 Спектральный анализ непериодического сигнала динамического индентирования

2.3 Моделирование топологий аналоговых фильтров низких частот

2.4 Алгоритм оценки частоты дискретизации аналогового сигнала магнитоиндукционного преобразователя

Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА, АЛГОРИТМА И АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИСХОДНОГО СИГНАЛА МАГНИТОИНДУКЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

3.1 Получение измерительных данных с первичного преобразователя прибора

3.2 Разработка алгоритма цифровой обработки результатов ДИ

3.3 Разработка цифрового фильтра сигналов магнитоиндукционного преобразователя динамического индентирования

3.4 Оценка способов выделения информативного измерительного сигнала

3.5 Экспериментальная апробация алгоритма выделения информативного сигнала динамического индентирования

3.6 Разработка алгоритма выделения информативного сигнала динамического индентирования

Выводы по главе

4 РАЗРАБОТКА СХЕМ И ПЛАТЫ СБОРА ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА МАГНИТОИНДУКЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

4.1 Описание автоматизированной среды проектирования печатных плат

4.2 Разработка электрической схемы платы сбора обработки и передачи сигнала магнитоиндукционного преобразователя динамического индентирования

4.3 Разработка платы сбора обработки и передачи сигнала магнитоиндукционного преобразователя динамического индентирования

4.4 Имитационное моделирование части электрической схемы

Выводы по главе

входного тракта измерительной

186

5 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МАКЕТА ПРИБОРА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ

5.1 Разработка макета прибора динамического индентирования

5.2 Экспериментальная апробация алгоритма цифровой обработки сигнала динамического индентирования

5.3 Экспериментальная апробация макета прибора динамического индентирования

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Акт о внедрении результатов диссертационной

работы

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Тексты публикаций

РЕФЕРАТ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы исследования

В настоящее время, к качеству изделий различных отраслей промышленности (машиностроение, судостроение, атомная энергетика и др.) предъявляются все более высокие требования по механическим свойствам их материалов. В условиях современного производства все более важным становится контроль механических свойств материалов непосредственно на изделиях без изготовления образцов-свидетелей. Кроме того, в ряде случаев, необходимо осуществлять автоматизированный контроль механических свойств материалов крупногабаритных изделий. Актуальной проблемой также является контроль в труднодоступных местах, особенно в вертикальных плоскостях.

Одним из методов неразрушающего контроля, обладающим достаточно большой универсальностью и позволяющим проводить неразрушающие испытания широкого класса материалов: от металлов до низкомодульных полимеров и композитов, является метод динамического индентирования (ДИ). Данный метод отличается возможностью безобразцового контроля не только твердости материала, но и других механических свойств (прочность, упругость и пр.).

Механические характеристики материала, такие как модуль упругости, предел текучести, предел прочности и твердость, являются важными показателями качества изготавливаемой продукции. Следует отметить, что большинство механических свойств коррелируют с испытаниями на твердость при вдавливании (индентировании) - механическими процессами, которые включают сложную контактную механику и нелинейную пластическую деформацию. Аналитические решения для таких процессов трудно получить. Поэтому, точное измерение значений параметров индентирования имеет решающее значение при дальнейшей оценке механических характеристик материалов.

В настоящее время, широкое распространение получили сложные микропроцессорные средства измерения и контроля различных физико-механических свойств материалов и различных процессов. На базе таких средств создаются информационно-измерительные системы, позволяющие осуществлять измерения величин, динамически изменяющихся за цикл измерения по различным законам. Анализ динамических данных на выходе с прибора позволяет получать необходимые механические характеристики, не прибегая к дополнительным измерениям, что существенно повышает производительность контроля.

Степень разработанности темы исследования

Исследованию вопросов, связанных с контролем механических свойств материалов посвящены работы таких авторов как: Мощенок, Ю.В. Мильман, П.М. Огар, К.В. Гоголинский, H. Lee, G.M. Pharr, S.H. Kim, W.C.Oliver и других, в том числе методу динамического индентирования посвящены работы авторов: Рудницкий В.А., Крень А.П., Рабцевич А.В. и др. Однако, большинство исследований сосредоточенно на совершенствовании методик оценки механических характеристик материалов по диаграмме «контактное усилие-глубина внедрения». Алгоритмическая и техническая составляющие метода динамического индентирования на этапе регистрации и обработки исходного сигнала магнитоиндукционного преобразователя, в настоящее время, не получила должной разработанности. Большинство исследований сосредоточены на повышение точности измерений линейных перемещений. Например, авторами A. Masi, S. Danzeca, R. Losito был разработан программно-аппаратный комплекс и предложены алгоритмы, обеспечивающие измерение микроперемещений в условиях радиации. Авторами R.S. Weissbach, D.R. Loker, R.M. Ford был предложен новый алгоритм цифровой обработки сигналов датчика линейных перемещений на базе дифференциального трансформатора. Новые алгоритмы обработки сигнала требуют совершенствования технического обеспечения приборов, резализующих метод ДИ. Следует также отметить, что действующий в

настоящее время ГОСТ Р 56474-2015 не устанавливает конкретных способов получения измерительной информации. В данном стандарте описан переход от полученного цифрового измерительного сигнала к величине динамической твердости и динамического модуля упругости материала испытуемого образца по нескольким мгновенным значениям параметров движения индентора. Однако такое описание не позволяет использовать все возможности метода динамического индентирования. Поэтому задача дальнейшего развития метода ДИ и совершенствования алгоритмического, программного и технического обеспечения приборов ДИ видится актуальной.

Объектом исследования выступают метод и прибор динамического индентирования.

Предметом исследования являются алгоритмы и средства обработки результатов ДИ.

Цель исследования

Целью работы является разработка алгоритмического и программно -технического обеспечения процессов динамического индентирования, позволяющего повысить точность оценки механических характеристик материалов изделий при их производстве и эксплуатации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения первичной обработки сигнала при динамическом индентировании»

Идея работы

Современные методы, алгоритмы и средства аналоговой и цифровой обработки сигналов позволяют обеспечить достоверный переход от аналогового сигнала магнитоиндукционного преобразователя ДИ к дискретным кортежам зависимостей контактного усилия и глубины внедрения индентора от времени.

Задачи исследований:

1) обосновать возможность повышения достоверности формы и точности оценки мгновенных значений воспроизводимого цифрового сигнала магнитоиндукционного преобразователя ДИ;

2) разработать метод, алгоритмы и аппаратное средство фильтрации аналогового сигнала магнитоиндукционного преобразователя;

3) разработать метод, алгоритм и аппаратное средство цифровой обработки исходного сигнала магнитоиндукционного преобразователя;

4) разработать схему и плату сбора, обработки и передачи цифрового сигнала магнитоиндукционного преобразователя;

5) разработать и провести экспериментальную апробацию макета прибора динамического индентирования.

Научная новизна работы

1. Впервые разработан алгоритм оценки частоты дискретизации аналогового сигнала магнитоиндукционного преобразователя, учитывающий специфику контактного ударного взаимодействия (КУВ) индентора с испытываемым материалом, позволяющий обосновать выбор технических средств дискретизации (аналого-цифрового преобразователя, усилителя, микропроцессора) и повысить достоверность формы воспроизводимого сигнала.

2. Разработан новый алгоритм выделения участка КУВ индентора с испытываемым материалом в цифровом сигнале, который в отличие от известного алгоритма заключается в последовательном поиске информативного окна и пересечений функции изменения контактного усилия с линейной функцией силы тяжести. Алгоритм обеспечивает повышение точности оценки мгновенных значений параметров движения индентора.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических и экспериментальных основ метода ДИ, а также в разработке методов и алгоритмов обработки сигнала магнитоиндукционного преобразователя ДИ.

Практическая значимость работы состоит в том, что они позволили производить преобразование исходного аналогового сигнала магнитоиндукционного преобразователя ДИ, разработать программное обеспечение (ПО) обработки такого сигнала и создать макет прибора ДИ, позволяющие повысить точность оценки твердости металлических изделий.

Методология и методы исследования

Исследования проводились на основе применения теории обработки сигналов, методов схемотехники, математического и компьютерного моделирования, физического эксперимента, статистической обработки результатов экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм оценки частоты дискретизации аналогового сигнала магнитоиндукционного преобразователя, позволяет обосновать необходимость использования аналогового фильтра Баттерворта первого порядка и аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации от 10 МГц.

2. Алгоритм выделения участка КУВ индентора с испытываемым материалом в цифровом сигнале позволяет определить моменты времени начала и конца взаимодействия, а также продолжительность активного и пассивного этапов КУВ.

3. Разработанные алгоритмическое и программно-техническое обеспечение и макет прибора позволяют проводить дискретизацию информативного сигнала магнитоиндукционного преобразователя на частоте 40 МВыб/с с рязрядностью 12 бит, беспроводную предачу цифрового сигнала и осуществлять достоверный переход к параметрам движения индентора при КУВ, а также повысить в среднем на 20% точность определения мгновенных значений параметров движения индентора во времени.

Реализация (внедрение) результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в ООО «НТЦ «Эталон» при разработке опытного образца блока неразрушающего контроля сложнопрофильных заготовок и изделий, а именно при разработке прототипа прибора динамического индентирования. Разработанные в ходе диссертационной работы алгоритмы и метод легли в основу зарегистрированной в соавторстве программы для ЭВМ по определению объемной динамической твердости металлических материалов.

Результаты работы также использованы при подготовке дисциплины «Проектирование средств измерений и контроля» по образовательной программе магистратуры «Технологии интроскопии» на факультете систем управления и робототехники Университета ИТМО.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность результатов определяется корректностью постановки задач исследований; результатами экспериментальных исследований и их сходимостью с результатами теоретического анализа и компьютерного моделирования; признанием основных положений диссертации широким кругом специалистов при апробировании материалов исследований на конференциях.

Основные и промежуточные результаты диссертационной работы доложены на V Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest (г. Екатеринбург, 2019 г.); XXXII Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)» (г. Екатеринбург, 2021 г.); III Международная молодёжная конференция «Информационные технологии и технологии коммуникации: современные достижения» (г. Астрахань, 2019 г.); VII Международная конференция с элементами научной школы для молодежи "Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества" (г. Суздаль, 2018 г.); VII-VIII Конгресс молодых ученых (КМУ) (г. Санкт-Петербург 20182020 г.); Series of Lectures of the University of Applied Science Ruhr West (Sensorica 2019, IEEE Workshop 2019) (Мюльхайм-ан-дер-Рур 2019 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач теоретических и экспериментальных исследований, формулировке научных положений, планировании и проведении экспериментов, обработке полученных результатов экспериментов, разработке алгоритмов и доказательстве их достоверности.

Публикации

Результаты диссертационной работы в достаточной степени освещены в 14 печатных работах, в том числе в 5 статьях - в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (далее - Перечень ВАК), из них в 1 статьях - в изданиях, входящих в международные базы данных и системы цитирования Scopus и Web of Science. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации: 138 страниц печатного текста, список используемых источников из 72 наименований. В состав основный части диссертации входят 19 таблиц и 69 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, проведен анализ степени ее разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, аргументированы научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, охарактеризованы методология и методы исследования, использованные в диссертационной работе, изложены положения, выносимые на защиту, приведена информация о степени достоверности и апробации результатов диссертационной работы.

В главе 1 рассмотрены основные методы определения механических характеристик. Проведено сравнение методов, выявлены их недостатки и достоинства. Обоснована перспективность применения метода динамического индентирования для безобразцового контроля механических свойств металлических материалов. Рассмотрены особенности данного метода и его приборной реализации.

Сущность метода ДИ и его приборной реализации заключается в следующем: индентор, жестко сцепленный с одним из полюсов постоянного магнита цилиндрической формы, ударно внедряется в упругопластическое полупространство исследуемого материала. В качестве средства регистрации параметров движения индентора применяется неподвижная катушка индуктивности. В ходе КУВ движение магнита вызывает изменение магнитного потока, проходящего через катушку индуктивности. При этом, к последней наводится сигнал ЭДС, пропорциональный скорости движения индентора на всем временном интервале его КУВ.

При обработке исходного сигнала ЭДС осуществляется выделение информативного участка КУВ и переход от временной зависимости ЭДС к временной зависимости У(^) (рисунок 1) согласно формуле (1):

£(0

ПО = (1)

где к - коэффициент пропорциональности.

На рисунке 1 использованы следующие обозначения: У0 - скорость движения индентора в момент времени , начала контакта индентора с испытуемым материалом; У2 - скорость движения индентора в момент времени завершения контакта индентора с испытуемым материалом. Участок времени между моментами ¿0 и t2 состоит из тас1 -участка активного (нагружения) и тра5 - пассивного (разгружения) этапов ударно контактного взаимодействия.

о. 7

0.6

0.5

0.4

0.3

и ^

Б 02

о Cl О

о 0.1

-0.1

-0.2

-0.3

Vo

to tl t2

\

\

Tact Tpas 2

V

340 350 360 370 ЗЭО 390 400

Время, мкс

410

420

430

440

Рисунок 1 - Типовой график зависимости скорости движения

индентора в ходе КУВ: У0 - скорость движения индентора в момент времени - начала контакта индентора с испытуемым материалом; У2 - скорость движения индентора в момент времени 12 - окончания контакта индентора с испытуемым материалом; тасг - время активного, траз - время пассивного этапов ударно

контактного взаимодействия Обоснована возможность повышения достоверности формы и точности

оценки мгновенных значений воспроизводимого цифрового сигнала

магнитоиндукционного преобразователя ДИ. При этом, показано, что новые

алгоритмы и методы повышения точности требуют разработки новых

приборных решений.

Проведен анализ современного состояния метода динамического

индентирования, на основе которого сделан вывод о том, что алгоритмическая

составляющая метода в части обработки первичного сигнала не получила

должной проработанности.

В главе 2 на основе ранее разработанной модели контактного ударного

взаимодействия твердого тела с упругопластическим полупространством

приведены теоретические основы расчета параметров движения индентора.

На основе модели КУВ аналитическая зависимость скорости внедрения индентора определяется формулой (2):

где сг - константа, характеризующая испытуемый материал, т - масса индентора.

Был проведен спектральный анализ сигнала магнитоиндукционного преобразователя динамического индентирования. С учетом формулы (2) и теоремы Котельникова, необходимая минимальная частота дискретизации сигнала преобразователя ДИ должна соответствовать условию в формуле (3):

Обосновано применение входного аналогового фильтра низких частот для устранения эффекта алиасинга и применение цифрового фильтра с высокой крутизной АЧХ для последующей обработки сигнала.

В ходе анализа аналоговых фильтров низких частот с учетом специфики сигнала преобразователя динамического индентирования были выбраны три топологии дифференциальных схем: Акерберга-Моссберга, МОС и первого порядка.

В программном пакете N1 МНЬТШМ проведено моделирование топологой выбранных аналоговых фильтров. Полученные в результате моделирования данные были обработаны и визуализированы в программном пакете МЛТЬЛБ. На рисунке 2 представлены графики изменения АЧХ и ФЧХ для различных топологий аналоговых фильтров.

(2)

(3)

Рисунок 2 - Графики изменения АЧХ и ФЧХ различных топологий

аналоговых фильтров

Анализ результатов моделирования, представленных на рисунке 2 в виде графиков АЧХ и ФЧХ, позволил обосновать применение фильтра низких частот топологии Акерберга-Моссберга для задачи первичной обработки сигнала преобразователя динамического индентирования.

На основе выбранной по результатам моделирования топологии Акерберга-Моссберга было разработано аппаратное обеспечение фильтра низких частот. Фильтр спроектирован с применением двухканального дифференциального усилителя ADA4938-2. Трехмерная модель фильтра представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Изображение трехмерной модели печатной платы усилителя сигнала динамического индентирования

Разработанное аппаратное средство фильтрации использовано в составе прототипа прибора ДИ.

На основе спектрального анализа и моделирования разработан алгоритм оценки частоты дискретизации аналогового сигнала магнитоиндукционного преобразователя для предварительно заданных фазовых и амплитудных искажений. Особенностью алгоритма является учет специфики КУВ. Блок-схема разработанного алгоритма представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма оценки частоты дискретизации: Н(р) - передаточная функция фильтра, ф(ш) - ФЧХ фильтра, К(ш) - АЧХ фильтра, /с - частота среза фильтра, Fc - скорректированная частота среза, Fацп -

искомая частота дискретизации АЦП

С учетом спектрального анализа и специфики, на основе разработанного алгоритма была проведена оценка частоты дискретизации АЦП. Для фильтра низких частот с учетом допустимых фазовых искажений не более 1% и уменьшение амплитуды высокочастотного шума до 20% потребуется АЦП с частотой дискретизации Fацп>30МГц.

Полученные результаты позволили определить ряд требований к аппаратному обеспечению прибора ДИ:

- применение дифференциального ФНЧ малого порядка с низким уровнем фазовых и амплитудных искажений;

- применение высокоскоростных АЦП и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) для воспроизведения и обработки цифрового сигнала.

С учетом вышеизложенного был выбран дифференциального малошумящий операционный усилитель ADA4938-1 для обеспечения входного аналогового тракта макета прибора ДИ и высокоскоростные АЦП А09629-40 и А09266-40 для дискретизации сигнала магнитоиндукционного преобразователя ДИ. Выбор высокоскоростных определил топологию разрабатываемого в рамках диссертационных исследований аппаратного обеспечения.

В главе 3 описан процесс получения сигналов с магнитоиндукционного преобразователя существующего прибора ДИ. Полученный сигнал представляет собой дискретную функцию изменения ЭДС во времени (рисунок 5).

700 дао ... ....I

500 400 300 300

100

0 -100 -200

.................... ................... .................. ...................

■ ■ ■ | . . . .

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Бремя, мкс

Рисунок 5 - График временных зависимостей изменения ЭДС, полученных в

ходе испытаний меры твердости 66НВ

Для выделения массива дискретных значений скорости движения индентора из дискретной функции ЭДС был предложен обобщенный алгоритм, состоящий из следующих этапов:

1) аналого-цифровое преобразование зависимости ЭДС - е^) на выходе из первичного преобразователя и запись полученного дискретного двумерного массива в память компьютера;

2) применение операции цифровой фильтрации к полученному массиву ЭДС;

3) аппроксимация дискретной зависимости е^), сохранение коэффициентов аппроксимирующего уравнения и генерация нового двумерного массива по аппроксимирующей функции;

4) выделение и последующее удаление из аппроксимированного массива областей, не несущих информации о процессе контактного взаимодействия;

5) приведение полученной зависимости к У^) путем поэлементного деления дискретной зависимости на коэффициент пропорциональности (выражение 1);

6) переход от значений У^) к зависимостям изменения глубины внедрения индентора - контактного усилия - Б(1:), Б(Ь).

С учетом особенностей процесса и сигнала динамического индентирования в ходе контактного ударного взаимодействия предложено и обосновано использования методы цифровой фильтрации (этап 2 обобщенного алгоритма обработки сигнала) на основе быстрого преобразования Фурье.

В рамках диссертационных исследований в компьютерной математической среде МЛТЬАВ было разработано программное обеспечение фильтрации дискретного сигнала ДИ. Разработанную программу отличает направленность применения в области обработки сигнала динамического индентирования. Для обеспечения прямого и обратного преобразования Фурье применяется алгоритм Кули - Тьюки. При этом предусмотрена работа как с дробными, так и целыми числами. На рисунке 6 представлен результат обработки фильтром ранее полученной ЭДС датчика ДИ.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

МКС

Рисунок 6 - График изменения сигнала ЭДС датчика ДИ, его Фурье-образ и график изменения восстановленного сигнала ЭДС

В процессе экспериментальной апробации фильтра на полученных сигналах (рисунок 6), с учетом требования к частоте дискретизации

Fацп>30МГц, для обеспечения работы разработанного фильтра необходимо выполнение условия в выражении (4):

ттд > ЗтГи1Ь (4)

где ттд = ттд1 = ттд2 - участок свободного падения индентора до или после КУВ, т^иц - время длительности КУВ.

Для апробации разработанного программного обеспечения цифровой фильтрации сигналов магнитоиндукционного преобразователя динамического индентирования была предложена модель изменения скорости или ЭДС движения индентора. Модель изменения скорости движения индентора представлена выражением (5).

дЬ + У0, КО

У(1) =

VoCos^J^tJ, 0<1<тас,

У2СОБ (М - ШТаС1 + , ТаС£ < г < ТГи11 V2 - 9т/и11, т/и11 < £

(5)

где и - полное время контактного ударного взаимодействия, представляющее собой результат суммы т^иц = тасг + тр а5, м - частота сигнала ДИ на участке пассивного этапа КУВ, т - масса системы индентирования, с± - коэффициент характеризующий испытуемый материал.

Для частоты сигнала на участке пассивного этапа должно выполняться условие в выражении (6):

№. (6) 2тгл1т

На основании форму формул (5) и (6), заданных У0, У2, м, т была получена дискретная функция У[^ - изменения скорости движения индентора во времени с периодом Т = 2нс. Скорость в момент начала КУВ У0 составляла 2,05м/с, а скорость отскока У2 = 1м/с, что приблизительно советует показаниям датчика с пружинным разгоном индентора на стальной мере твердости. Масса индентора т = 4,54 г что соответствует массе

индентора типового датчика определения твердости по методу Либа. График дискретной функции К^] представлен на рисунке 7.

Время, мкс

Рисунок 7 - График изменения дискретной функции

Длительность участков свободного падения ттд определялась условием из выражения (4) и составила .

В рамках апробации разработанного цифрового фильтра было выполнено следующее:

- в дискретную функцию V[¿¿] были внесены искусственные синусоидальные помехи на частотах до 20МГц с амплитудой 20% от амплитуды сигнала ДИ;

- дополнительно, на частотах более 30МГц вносилась импульсная синусоидальная помеха;

- полученный зашумленный дискретный сигнал обрабатывался рассматриваемым цифровым фильтром;

- из полученного отфильтрованного сигнала, на основе исходного сигнала была выделена шумовая составляющая;

- проводилась оценка чувствительности фильтра по следующей

формуле:

^сигнал \

ОСШ = 20

А / '

"шум /

(7)

где Лсигнал - амплитуда сигнала Ашум - амплитуда шумовой

составляющей.

После применения цифровой фильтрации к рассматриваемому зашумленному сигналу, на основе исходной функции К^] была проведена оценка шумовой составляющей фильтрованного сигнала, график которой представлен на рисунке 8.

Время, мкс

Рисунок 8 - График шумовой составляющей фильтрованного сигнала

С использованием формулы (7) была проведена оценка отношения сигнал-шум. Чувствительность разработанного фильтра в рассматриваемых случаях составила не хуже 54 дБ.

Для проведения четвертого этапа обобщенного алгоритма была проведена оценка способов выделения информативного измерительного сигнала, в ходе которой разработан новый алгоритм выделения участка контактного ударного взаимодействия индентора с испытываемым материалом в цифровом сигнале.

В работе экспериментально подтверждено преимущество использования зависимости изменения контактного усилия во времени F(t), для определения границ тасг и траз.

Алгоритм поиска границ начала и окончания КУВ в дискретном сигнале ЭДС состоит из следующих этапов:

- переход к дискретной функции скорости движения индентора V[ti] с использованием формулы (1);

- осуществление перехода от временной зависимости скорости движения к зависимости контактного усилия индентора F(t) с использованием следующей формулы:

V[ti+At]—V[ti—At]

F[ti] = —т-—-,

1 iJ 2А t

где At - период дискретной функции, т - масса индентора;

- поиск tk при котором достигается максимальное контактное усилие Fmax = F[tk];

- осуществление циклического сравнения элементов дискретной функции от F[tk] до F[0] со значением тд, где д - ускорение свободного падения;

запись первого значения t0 при котором F[t0] < тд; осуществление циклического сравнения элементов дискретной функции от F[tk] до F[tN] со значением тд, где tN - последний элемент дискретной функции;

- запись первого значения t2 при котором F[t2] < тд;

Моменты времени t0 и t2 соответствуют моментам начала и окончания

КУВ.

Для подтверждения эффективности разработанного алгоритма была проведена экспериментальная апробация, заключающаяся в выполнении натурного эксперимента.

Целью эксперимента являлась проверка адекватности работы алгоритма оценки времени контактного ударного взаимодействия в ходе испытания материала образца.

Образцами испытаний натурного эксперимента выступила мера твердости по Бринеллю МТ 383HB, состав, внешний вид и характеристики которой приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики меры твердости МТ 383НВ

Наименование Внешний вид Примечание

МТ 383НВ Л Изготовлена из углеродистой стали, Значение твердости в единицах твердости НВ по ТУ 25.0612.003-82: 400+50 Показатель деформационного упрочнения материала согласно ГОСТ 25.503-97: 0,18^0,25

Проведение натурного эксперимента заключалось в проведении серий измерений с использованием прибора ИСПГ-1, цифрового осциллографа и серии испытаний с измерением времени КУВ. Обработка результатов эксперимента заключалась в определении времени КУВ для сигналов ДИ, полученных при помощи цифрового осциллографа в ходе работы алгоритма и сравнении с результатами прибора ИСПГ-1 и результатами прямой оценки времени КУВ. Для непосредственной оценке времени КУВ применялся электроконтактный метод, заключающийся в обнаружении момента электрического контакта между индентором преобразователя динамического индентирования и поверхностью испытуемого образца.

Для оценки начала и окончания электрического контакта между индентором и образцовой мерой была создана экспериментальная установка, эквивалентная схема которой представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Эквивалентная схема экспериментальной установки определения

времени КУВ

Установка построена на базе модифицированного датчика динамического индентирования, работающего в режиме электрического ключа, цифрового осциллографа RTB2004 и генератора сигналов иТС2025А.

На рисунке 10 изображена фотография экспериментальной установки определения времени контактного ударного взаимодействия.

Рисунок 10 - Фотография экспериментальной установки определения

времени КУВ В ходе эксперимента было проведено:

- подготовка поверхностей эмалированных проводов, меры твердости, и ударника датчика;

монтаж проводов с использованием токопроводящего клея; монтаж проводов с использованием клеммных паянных соединений;

- подготовка осциллографа и генератора;

- проведение серии из 10 измерений с использованием прибора динамического индентирования ИСПГ-1;

- проведение серии из 10 измерений с использованием цифрового осциллографа RTB2004;

- проведение серии из 10 испытаний с регистрацией момента начала и окончания КУВ электроконтактным способом;

- обработка результатов измерений.

В результате работы алгоритма, для 10 сигналов ДИ, записанных осциллографом ЯТВ2004 были получены: значения времен КУВ, значения времен активного этапа взаимодействий и пассивного этапа взаимодействий. По причине невозможности оценки момента начала упругого разгружения электроконтактным методом, сравнения проводились только для величины времени КУВ, состоящей из та с г + тр а5. Результаты измерений времени КУВ для 10 сигналов представлены в таблице 2. Таблица 2 - Результаты натурного эксперимента

№ измерения Время Время Время КУВ -

КУВ - КУВ - Электроконтактный

ИСПГ- алгоритм, метод, мкс

1, мкс мкс

1 45,50 51,37 50,18

2 46,50 50,62 50,06

3 46,00 51,09 50,81

4 46,00 51,67 50,42

5 48,00 50,74 50,38

6 47,00 51,43 50,26

7 46,50 52,19 50,41

8 46,00 51,19 50,65

9 47,00 51,71 50,11

10 45,00 53,23 50,36

Среднее 46,35 51,52 50,36

Относительная погрешность среднего значения времени КУВ та1д алгоритма (см. таблица 2) и значения, полученного при помощи экспериментальной оценки времени электроконтактным методом тгеа1 определялась по формуле:

е а I Та 1д

*г е а I

* 100%,

и составила 8Х = 2,30%.

Относительная погрешность среднего значения времени КУВ тй полученного при помощи прибора динамического индентирования (таблица 2) и значения, полученного при помощи экспериментальной оценки времени электроконтактным методом тгеаг определялась по формуле:

Тг е а I Тй

* 100%,

г е а

и составила 8Та = 7,97%.

В ходе анализа полученных результатов были получены следующие выводы:

- относительная погрешность результата работы разработанного алгоритма ниже относительной погрешности существующего прибора ДИ на 70%;

- время КУВ, полученное в ходе работы алгоритма, отличается в большую сторону по сравнению с результатами электроконтактного метода, что говорит о возможности повышения чувствительности алгоритма.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егоров Роман Александрович, 2021 год

Литература

Morara FD.L, Member? UN, Arroda H.F.. Frenas FJN.C, Párenle M.M.V., de Albuquerque V.H.C, Filho P P R. A nove] Vickos hardness measurement technique based on adaptive balloon active comoor method ' Evpett Systems with Application; 2016. V. 45. P. 194-306 doi: 10.1016] eswa.2015 09 025

Levi a G, Weia Z, Jingb Z., Sanding H Mechanics analysis and simulation of material Bnnell hardness measurement II

References

Morein FD-L. Klemberg M.N.. Amida HJ . Freitas F.N.C, Parente MM.V, de Albuquerque Y.H.C Filho P.P.R. A novel Vickers hardness measurement technique based on adaptive balloon active contour method. Expert Systems with .Applications. 2016, vol. 45, pp. 294-306. doi: 10.1016j.eswa.2015 09.02S

Leyia G . Weia Z., Jmgb Z Songling H. Mechanics analysis and simulation of material Bnnell hardness measurement.

Measurement 2011. V.44. N10. Р. 2129-2137 doi: 10.1016 jjneasuiement.20ll.07.024

3. Song JJ., Low S., Pitdmre D . Germak A.. DeSogus S, Polzin T, Yang H.Q., Ishida R Establishing a worldwide unified Rockwell hardness scale using standard diamond mdenrers '/ Measurement 1998. V. 24. N4. P. 197-205. doi 10.101650263-2241(98)00052-9

4. Sanponptite Т.. MeesapLak A. Vibration effect on hardness measurement Measurement 2010. V.43. N5. P. «31-636. doi: 10.1016jineasuremenlJ010.01.008

5. Mohamed M.L. Aggag G A Uncertainty evaluation of shore hardness testers 0 Measurement. 2003. V. 33. N 3. P. 251-257. doi: 10.1016'S0263-2241(02)00087-8

6. Крень А.П. Контроль физико-математических свойств н трепшностоикостн неметаллических конструкционных материалов методами индентнрозання автореф .. д-ра техн. наук. Минск. 2010.

7. Ру.тнипкий В А.. Рэбпеаич А.В. Метод динамического нндентнровання для опенки механических характеристик металлических материалов У/ Дефектоскопия. 1997. №4. С. 79-86.

8. Рабпевнч A3.. Мапулевич О .В. Новые возможности метода динамического индентирования в приборе Импульс-2М И Вестник ГГТУ им. П О Сухого 2007. №2 С. 29-36.

9. Kon^atscher М. Equonp - rebound hardness testing after D. Leeb H Proc. HARDMEKO 2004 P. 6«-72.

10. Муха ЮЯ, Королева И.Ю Информационно-измерительные систеэяьг Волгоград, ВошТТУ. 2015.108 с

11. Ozan О., Ozarslan Y. Video lecture watching behaviors of learners In onlme courses . Educational Media International. 2016. V. 53.N I P. 27-41.

12. Ерухка В А Фокин ВТ., Солдусова ЕА Глазунова НА, Адеанов И.Е Инжеверныи анализ в ANSYS Workbench. Самара: СамГТУ. 2010. 271 с.

13. Лукьянова АЛ Моделирование контактной задачи с помощью программы ANSYS Самара: СамГТУ. 2010. 52 с

14. Басов КА- Графический интерфейс комплекса ANSYS. М: ДМК Пресс. 200« 248 с.

15. Клебанов Я.М Фокин ВТ.. Давыдов АН. Современные методы компьютерного моделирования процессов деформирования конструкций. Самара. СамГТУ. 2004. 100с

Measurement. 2011, vol.44, no. 10, pp.2129-2137. dot 10101 IliJ ........ill 7011 ПИП

3. Song J.F.. Low S, Pitchure D . Geimak A. DeSogus S., Polzin Т.. Yang H.Q., Ishida H Establishing a worldwide unified Rockwell hardness scale using standard diamond indeniers Measurement. 1998, vol. 24, no. 4. pp. 197-205. doi: 10.1016'S0263-2241(98)00052-9

4. Sanponpute Т., Meesaplak A Vlbranon effect on hardness measurement. Measurement. 2010. vol.43, no.5, pp.631-63« dm: 10.101Sj.measuremenr 2010.01.008

5. Mohamed MX. Aggag GA. Uncertainty evaluation of shore hardness testers. Measurement. 2003, vol. 33, no. 3. pp 251257. doi: 10.101«<S0263-2241(02)00087-8

«. Kren AP. Control qfPfyzkai and Mechanical Properties and Crack-Resistance of Sonmetallic Structural Materials by Indentation Methods. Dis. Dr. Eng. Sci Thesis. Minsk, 2010.

7. Rndnltskii V.A, Rabtsevich AV Dynamic mdentahon method for evaluating the mechanical characteristics of metallic materials. Dqfefooskoptya. 1997, no 4, pp. 79-8«. (in Russian)

8. Rabcsev.ch A.V, MaKoulevich O.V. Novel features of dynamic mdentaoon method with Impulse-2M instiumenL Pestmk GGIUtm. P.O. Sukhogo, 2007, no. 2, pp. 29-3«. (in Russian)

9. Kompatscher M. Equonp - rebound hardness testing after D. Leeb Proc HARDMEKO. 2004, pp 66-72.

10. Mnkha Yu P. Koroleva I Yu btformanon-b£easuring ^sterns. Volgograd, VolgCnU РиЫ, 2015, 108 p. (in Russian)

11. Ozan 0., Ozarslan Y. Video lecture watching behaviors of learners In online courses. Educational Media Intmatianal, 201«, vol 53, no. 1, pp. 27-41.

12 Brayaka VJL, Fokin V.G.. Soldusova EA-. Glazimova NA_. Adeyanov I E. Engineering Jnalysis in AXSTS Workbench Samara Russia SSTU Publ, 2010,271 p (In Rnssum)

13. Luk'vanova AN. Simulation qfthe Hookup Prvbiem using the ANSIS Sq/Ыап. Samara, Russia SSTU Puhl . 2010,52 p. (in Russian)

14. Basov KA Graphical Interface qf the J.VSTS Complex. Moscow. DMK Press, 200«, 248 p. (in Russian)

15 Klebanov YaM, Fokin V.G., Davydov AN Modern Methods qf Computer Modeling of Processes of Smicnrej Deformcnion. Samara. Rnssia, SSTU Publ., 2004, 100 p. (in Russian)

Авторы

Аузыгич» Михаш Вслсрианоеич - аспирант. Университет HTMO. Санкт-Петербург. 197101, Российская Федерация. ORCID ID: 0000-0003-405S-975X, kuznncbevjn92iffgnHiLconi Егоров Роман Александрович - аспирант. Университет ИГМО, Санкт-Петербург. 197101. Российская Федерация. ORCID Ш 0000-0002-4483-5347, ramanl465.ayandex.ru

Authors

Mikhail V Suzmichrv - postgraduate. ГГМО University, Saint Petersburg, 197101. Russian Federation. ORCID ID: 0000-0003-405S-975X, kuzmichevjn92'agmail.com Roman .4. Egotcnt - postgraduate. ГГМО University, Saint Petersburg, 197101. Russian Federation. ORCID ID: 0000-00024483-5347. rumanl 46Saymdex.nl

Контроль, диагностика, испытания и управление качеством

1. PetraV, S.P. Issledovaniye rezhimo v raboty abonentskogo woda kombicirovaimoy sistemy teplosuabzheniya H Spravochrdk. Inzhenemw zhurcal, 2007. Jfe 1. — S. 50 - 56.

2. Sokolov, Ye. YA. Teplofîkatsiva i teplovyye зе-ti: Uc-hebnik diva ynzpv - 7-ye izd.. stereot. - Si.: Izdatelsrvo МИ, 2001.-472*

3. Petrov. S.P.. Opredeleoiye ЕгацкЬлуЬЬ usloviy pri рагашетсЬезкош sinteze sistemy iipravleniya teniperatnmvrn гегЬшяш zdaniya [Tek.st] / S.P. Petroi;, K.V. Podioasteiyev. A.V. Pilipenko, K.D. Shonti / Fundamentalnyye i prikladnyye ргоЫешу trithmJd i tekhnologii /2017-№5,-3. 184-190.

4. Рига v. SP.. Kontrol i optimizatsiya rezhimo v raboty abonentskogo woda kombinirovaimoy sistemy teplosnabzheniya [Теки] / S.P. Petrov, KLV. Podmasteiyev. O.S. Nikitenko, Mi Konishckey, Vi Korobko / Fundamentalnyye i prikladnwe problemy teklmiki l tekhnologii /2Q19-№3,-5. 142-150.

5. Podmasteryev, K.V Ustroystvo konttolya i regulirovainya temperatuiy vozdukha dlya pomeshcheniy. oborndovaunvkh odnotrubnoy sistemoy otopleniya [Tekst]: ! K.V. Podmasteiyev K.V., O.S. Petrova II Kontrol. Diagoostika, 3010 № 5. - S. 45-57.

6. Markin. Ni, Kicheitveinio4;о 1 i ch e 51 venu ay e upravleniye temperatumyia гегкЕшош zdaniy iTfkst] /S.P. Petrav. A.V. Pilipeuko. Ni Магкш. O.S. Mktceriko, A.YU. Pilipenko, N.K. SÉarifov. ГпЕЬгшаШоппууе .sistemy J Шшо1о)ш / 201?:: №4, -S. 56- 66.

7. Podmastervev, K.V. Datchik temperatury vozdukha v odnotrubnykb sistemakh otopleniya [Iekstj: i K.V. Fodmanteryev K.V., O.S. Petrava H Mir izmereniy. 2010. №1 -S. 36-41:

S. Petrov. S. P. Zavisimost diuamichesiikh kharakoertsrik ob'yekta upravleniya t parametrov regulvatoia v funkuionalno ziverahennijy SAU ковепегШБЮшюу sisüemv teplosnabzheniva [Текьт] H Spravochnik. Inzheoeniyy dnmul.-200&-J6 5.-S.53-57.

9. Podmasteryev. K.V. Eksperinientaliiyye ibsledovamva staücheskoy kharakteristiki datchika cemperatuiy ustroystva kontrolya i regulirovaniya temperatury vozduiha v ponieçhcheuii leckebno-prolilakticheskogo uchrezhdeniya[Tckstä: ! K.V. Podraastciyev KLV., O.S. Petrova H Fundamentalnyye i prikladayye problemv tekhniki i (АЬшйоиц,2008 *2.-S: 71-75.

10. Podinaiteryev, K.V. Ustroystvo regulirovaniya temperaturv vozdukha v psmfishchemvakb [Tekst]: ; K.V. Podmasteryev K.V., O.S. Petrov» ¡1 Datchiki i sistemy, 2000. - Jfs 6. - S 14-18.

Petrov Sersev Perio vieil

FGBOU VO «Orïovfikiy gosudarstvennyy universitet itu. LS. Turgenevaj)",

doctor of technical Sciences, Pnofeîsor of the Department of "Automated control systems and Cybernetics». 302026. Orel Korosomolskaya ыт., 95.. cel. - 79536155331, E-mail: [e-mail]

Pilipenko Alexander Vir.ilieyich

FSBEI "OrenbmE; state University. L S. Turgeneva"

candidate technical. Sciences, Director, Center for

interdise iphnarv engineering!)

302026. Orel. Komsomolskava str., 55,

tel. 8905 B 5 66699,

E-mail: [e-mail]

Nikitenko OI«a Ser?eveyna

FGBOU VO «Oilovskiy gosudaiîtTi'eunyy иштаиое! ira. LS. Tnrgenjeva»",

vedushchiy nanchnw sotrudnik î(NOTS)î. 302026. в. OieL ni. Kombomolskaya. d. 95, teL[phone], E-mail: [e-mail]

Podma^tervev Kaastantm VnlentLconich

FGBOU VO «Orlovskiy gosudaibtveniiYy univerbitet im. I.S. Tureeneva».

doktor tekhui-cheskikh nauk. rrafessor. direktor instituta «Priborostroyeniye, artomatizatsiya i icfomia-tsiorjiyye tekhnoloeiin

302026. e. Orel. uL Komsomolskaya. d. 95, tel. [phone], E-mail: asms-arcl@maiLru

Marldii Nikolay Ivanovich

FOBOLi VO wOrlovbkiy gosudarEtvennw uni^nersitet im. LS. Turgeneva »,

i. o. zav. kafedia (A-rtoniatizirovannykh sistem

upravleniya i kibemetikin.

302026, g. Orel, ul Komsomolstaya, d. 95,

tel. +792Ö2EB0B01.

E-mail: nim2009(fflinboK.ni

Bar anov Uriv Nitobifvicb

FGBOU VO «Orlovskiy gosudaibtvenuyy universitet im. LS. Inrgenevaï'",

doctor of technical Sciences. Professor of the Depainnent of "Automated control systems and Cybernetics». 302026. Orel, Komsomolskaya str_, 95. tel.+7920EÛ1971S E-mail:[e-mail]

УДК 620.178.15

DOI: 10.33979Й073-7408-2020-343-5-144-152

И.А. КАШАПОВА, A.B. ФЕДОРОВ, РА. ЕГОРОВ

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Аннстлпия. Показана важность контроля механических характеристик покрытии ответственных изданы. Приводятся расчетные формулы для определения динамической твердости иуказываются ограничения для контроля покрытий В статье рассматриваются особенности метода динамического ¡¿нйеншггреоянпя

обоснование его примелимостия для оценки твердости материалов покрытий элементов жидкостного ракетного дапгатаяя. На основе анализа механики контактного взаимодействия жесткой сферы с упругопчастичным двухслойным полупространством для оценки динамической твердости покрытия предложено использовать смесевукз .«одечь. при которой измеренная твердость представляет собой композиционную твердость, интегрирующую в разной степени твердость материала покрытия и материала основания По результатам исследований получена регрессионная зависимость в енйг полинома второй степени, позволяющая производить оценку твердости гальванического никелевого покрытия. Проведена оценка точности уравнения регрессии.

Ключевые слова: твердость, галъеонические никглепп покрытия, метод динамического индентирования, ракетно-космическая техника.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.А.И. Потапов, В.А. Сясько. К.В. Гоголинский. А.А. Наказов. Обеспечение единства измерений твердости динамическим методом н Российской Федерации И Контроль. Диагвостика. - 2016. - Н= 4. С. 44—49.

2. РудниЕший В.А., Дякович З.В. Опенка модуля упругости металлических материалов методом динамического вдавливания индевтора И Заводская жаборатсрия. 1995. № 11. С. 5?-61.

Ъ. Рудницкий. ЕА, Рабцевич А.В. Метод динамического инлентирозания для оценки механические характеристик металлических материалов - Дефектоскопия. - 1997. - № 4. - С. 79-Я6., AJB. Рабцевич. Измерение модуля упругости металла методом динамического индентирования Н Betni HAH Eempyci. Серии фЬшатэхн]чнь:хнавук. 1999. №3. с. 118-122

4. ГОСТ Р Э6474-2015 Системы космические. Контроль неразрушающий физико-механических свойств материалов и покрытий космической техники методом динамического индентирования. Обшие требования

5. Козловский А.Э. Расчёт элементов конструкций на растяжение и сжатие: учеб.-метод, пособие / А-Э.Кпзловский; Иван. гос. хим.-теянсл. ун-т. - Иваново. 2015. - 80 с.Модуль юнга

6. ГОСТ 9012-59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю

7. Puchi-СаЪегга Е. S., Bemos L. A., and Teer D. G. On die computadon of the absolute hardness of thin solid films !i Surface and Coatinp Technology. — 2002 (157), пси. 2—3, 185—196

В. JonssonB. and Hogniari: S. Hardness measurement of thin films /.'Thin Solid Films. — 1984 (114), 257—269.

9. Chicot D. audlesage J. Absolute hardness offilnt and coatings/; Thin Solid Films. —1995 (254), 123—130.

10. Konsunslsy A. ML, McGuit M. E_, Bull S. J., and Page T. F. On the hardness of coating systems // Surface and Coatinp Technology. — 1998 (99), 171—133.

1!. Пономарев С.Д., Еидерман В.Л., Ликарев Kit. н др. Расчеты на прочность в машиностроении. -М.: Машгиз, 195S.-976 с.

12. Барсуков В.Г., ХвисевичВ.М., Чикова I.C., Барсуков В.В. Расчетная опенка параметров стесненного упругопластического деформирования материала при индентирован;ш И Вестаик Брестского государственного технического университета. 2012. №4. С. 31-34

Кашапова Ирина Альф и ровна

Университет ШМО Аспирант факультета систем управлеия и робототехники 197101, г.С анкт-Петербург, Крониерский проспект, д.49 Тел. -79315365585 E-mail:

ka schapo va. Lrdiia.:< j'gmail. сош

Фёдоров Алексей Владимирович

Университет ИТМО

Доктор технических наук, дшент

факультета систем управления и

робототехники

197101, г.Санкт-Петербург,

Кронверский проспект, д.49

Тел. [phone]

E-mail: [e-mail]

Егоров Роман Александрович

Университет ИТМО Аспирант факультета систем управлеия и робототехники 197101, г.С анкт-Петербург, Кронвеоский проспект, д.49 Тел. [phone] E-mail : romani 465 jSïyandex.m

I A. KASHAPOVA, A.V. FEDOROV. R.A EGOROV

JUSTIFICATION APPLIC ABILITY OF THE DYNAMIC INDENTATION METHOD FOR CONTROL HARDNESS COATING MATERIALS OF ELE^IENTS LIQUID ROCKET ENGINES

Abstract. The importance of continuing the mechanical characteristics of coating of critical products is shown. Calculation formulas for determining the dynamic hardness are given and restrictions for the control of coatings are indicated. The article discusses the features of the dynamic identification method and the substantiation of its applicability to assess the hardness ofcoating materials for elements of a liquid-propellant rotter enpne. Based on the analysis of the mechanics of the contact interaction of a rigid sphere wiijj an elastoplastic tn'o-layer half-space, to assess the dynamic hardness of riii coating, it ir proposed to use a mixture model, in ivfcrrfc the measured hardness !i a composite hardness that integrates the hai'dness of the coating material and the base material to different decrees. According to fie research results, a regression dependence ihejorm of a polynomial of the second degi w wai obtained', which makes it possible to assess tij e hardness ofa galvanic nictei coating. The accuracy of the regression equation is estimated.

Keywords: hardness, galvanic nickel coatings, dynflinir indentation method, rocket and space technology.

УДК 820.178.15

DOI 10.14489лс12020 10рр0е5-071

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ТВЕРДОСТИ ПОКРЫТИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ИНДЕНТИРОВАНИИ

И. А. Кашапова,

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Санкт-Петербург. Россия. E-mail: kaschapova.irina@ gmail.com

А. В. Федоров,

д-р техн. наук, Санкт-П ете рб ур гский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкг-Петербург. Россия. E-mail: [e-mail]

Р. А. Егоров,

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург. Россия. E-mail: roman1465@ yandex.ru

А. В. Ильинский.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологии, механики и оптики. Санкт-Петербург. Россия. E-mail: [e-mail]

Рассматриваются особенности метода опенки твердости материалов покрытий на основе метода динамического индентнрования. сущность которого заключается в непрерывной регистр алии процесса контактного взаимодействия индентора с исследуемым материалом. По результатам исследований получена регрессионная зависимость в виде полинома второй степени, позволяющая проводить опенку твердости гальванического никелевого покрытия.

Ключевые слова: твердость, гальванические никелевые покрытия, метод динамического индентировання.

I. A. Kashapova, А. V. Fedorov, R. A. Egorov, А. V. Ilinskiy (Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia)

DEVELOPMENT OF AN APPROACH FOR ASSESSING THE HARDNESS OF COATINGS WITH DYNAMIC INDENTATION

The article discusses the features of the method for assessing the hardness of coating materials based on the dynamic indentation approach, the essence of which is Cie continuous registration of the process of contact interaction of the indenter with the materia! under study. According to the research results, a regression dependence was obtained in the form of a polynomial of the second degree, which makes it possible to assess the hardness of a galvanic nickel coating.

Keywords: hardness, electroplated nickel coatings, dynamic indentation method

Статья поступите редакцию 19.07.2020

Rtctned 19.072020

При производстве различных изделий в целях улучшения их эксплуатационных характеристик широко применяется нанесение покрытий Защитные и упрочняющие покрытия используются при изготовлении деталей машин, различных элементов инженерных конструкций, режущего инструмента, медицинских приборов и обеспечивают возможность создания изделий повышенной прочности.

износ остоикости. трещнностоикостн. позволяют добиться улучшения трибологическнх свойств, характеристик теплопроводности, возможности эксплуатации в экстремальных температурных условиях и др. Покрытия современной техники весьма разнообразны как по свойствам, так и по способам получения Применение защитных, специальных покрытий позволяет решать многие задачи.

Kontror. Diagnostika. 2020, Vol 23. No. 10

65

При выборе материала покрытий, условий их нанесения, комбинируя металлические н неметаллические покрыли, можно придавать поверхности изделии различную фактуру, необходимые физико-механические н химические свойства [1]. Обобщенной характеристикой механических свойств материалов является твердость. Измерения твердости широко распространены в промышленности при контроле технологических процессов определении эксплуатационных характеристик изделий. Для проведения механических, испытаний традиционно используются контактные методы. К ним относятся: метод вдавливания нндентора в материал (нндентирование), метод нанесения царапни (склерометрия), метод многошклового истирания поверхности наконечником.

Каждый из указанных методов имеет определенные ограничения по их применимости в зависимости от механических и геометрических свойств исследуемой поверхности объекта. В связи с этим весьма актуальной представляется разработка новых экспериментальных способов изучения новых материалов со специфическими физическими свойствами, технологического контроля процессов изготовления и напыления. Кроме того, актуальным является вопрос развития существующих методов исследования: расширение области применения; повышение точности н скорости проведения испытаний; создание новых алгоритмов анализа и ин-терпретапнн .экспериментальных данных.

Особенности измерения твердости покрытий

Твердость выступает одним из ключевых свойств покрытии. Следует отметить, что традиционные методы определения основных механических (прочностных, упругих, пластичных и пр.) характеристик твердых тел на основе экспериментальных зависимостей напряжение-деформация слабо применимы для покрытий, так как требуют разработки специализированных методик и использования специальных образцов для проведения испытаний. Для контроля локальных механических свойств покрытий возможно применение стандартизованных методов измерения твердости (Бринел-ля, Внккерса, Роквелла н др.) и других механиче-

ских характеристик (инструментального инденш-ровання). Однако в силу ограничений на их неприменение (использование стационарного оборудования н специально изготовленных образцов, жесткие условия проведения измерений и пр.) все большее распространение получают динамические методы измерения твердости [2].

В соответствии с ГОСТ Р 56474-2015 [3] во избежание влияния свойств основания на измеряемые свойства покрытия, нанесенного на это основание, в том числе твердости, требуется выполнение условия

(1)

где Лщд - максимальная глубина внедрения нндентора; йиж - толщина покрытия.

При этом толщина покрытия Лцщ должна быть известна перед проведением испытаний и может быть определена исходя из спецификации на изделие или путем непосредственного измерения.

При измерении твердости покрьггнй следует учитывать и фактор вероятности внедрения нндентора до основания (подложки) и. как следствие, нарушение целостности покрытия. Влияние основания на точность измерения твердости покрытия связано с тем, что упруго-пластическая деформация материала под нндентором распространяется на расстояние, существенно большее глубины внедрения иаденгора. Прн этом согласно расчетно-аналигнческвм моделям контактной механики прн внедрении жесткого нндентора в упругопласгиче-ское полупространство размер деформированной области под нндентором зависит как от формы нндентора, так и от диаметра проекции площади контакта, глубины внедрения, соотношения механических свойств покрытия н основании (мягкое основание/твердое покрытие или твердое основание/мягкое покрытие) [4, 5].

Определение динамической твердости покрытия по результатам измерения динамической твердости системы покрытие - основание

Оценку динамической твердости покрытия предлагается проводить на основе смесевон модели

66

Контроль Диагностика, 2020, тон 23г № 10

Генеральный партнер РОНКГГД:

Трубопровод Контроль С«р«ис

(рис. 1), при которой измеренная твердость представляет собой композиционную твердость, интегрирующую в разной степени твердость материала покрытия и материала основания [б - 3]:

нт=та^+(\-к)н0^ (2)

где Н^ - композиционная динамическая твердость (динамическая твердость композиции); Нт - динамическая твердость материала покрытия; Ди - динамическая твердость материала основания; к - коэффициент, характеризующий делю покрытия в динамической твердости композиции.

Применение данной модели позволяет по значениям хомпозипионнон динамической твердости определять значение динамической твердости материала покрития:

Согласно работам [10, 11] напряжения о в произвольной точке оси 2 могут быть определены по выражению

г(г)р+[АМ]

а

ша\

Рср ^ -^шак

Учитывая уравнения (4) и (5), значение коэффициента к предлагается определять на основе принятия регрессионной зависимости между геометрическими параметрами, описывающими вклад в сопротивление деформированию нндентором покрытия в зависимости от глубины его проникновения в следующем виде:

к = а0+a1t + a■2t

(б)

где ? - показатель, характеризующий вклад в сопротивление деформированию нндентором материала покрытия в зависимости от радиуса проекции контактной площвдн гс при максимальной глубине внедрения /1Ш!1, максимальной глубины внедрения йдд и толщины покрытия :

О)

(Лож)1

(7)

(4)

где л(г) - радиус проекции отпечатка; р^щ. - максимальное давление в области контакта.

Согласно работе [12] среднее давление р^ в зоне контакта при переходе от упругого к стесненному таругопластическому деформированию вычисляется по формуле

(5)

г к

'с пш

где аа,щ,- постоянные коэффициенты (коэффициенты регрессии), зависящие от свойств материалов системы покрытие - основание.

Помимо ранее перечисленных факторов на значение композиционной твердости могут оказывать влияние и другие факторы, а именно:

- остаточные напряжения в покрытии;

- градиент свойств материала покрьпня по толщине (неоднородность);

- интенсивность адгезионного взаимодействия на границе раздела покрытие - основание;

- степень деформационного упрочнения материалов системы покрытие - основание.

В рамках данного исследования принимается допущение об отсутствии влияния данных факторов.

Радиус проекции контактной площади гг при максимальной глубине внедрения 11^ можно найти по выражению

(8)

где -контактная глубина внедрения ннденгора.

С учетом выражении для нахождения \, представленных в ГОСТ Р 56474-2015 [3], показатель / может быть приведен к следующему виду:

Рис. 1. Рвспрелеленне деформации по глубине упругоплястическн деформированного слон

¡ =

(О2

+ А,)

КопЕгоГ. 2429, Уо1.13. N0.10

67

Р]к. 2, Типовые пил граммы F(h')■.

1 - образец 1.1; 2-образеп 2.1; 3- образец 3.1; 4-образец 4.1

2. Результаты измерений

Номер образца тал .Н ЛщЖХ : ЯКМ Йр , мим Я1,МПа г к I к

1.1 и 31 27 532 23,3 0,99 22Д 1,00

1.2 16 32 28 576 22,3 1,00

1.3 п 33 29 564 21,4 1,02

134 24 32 389 6.9 0,50 7,5 0,51

2.2 12? 32 31 334 7,9 0,51

2.3 131 33 32 &69 7,3 0,53

3.1 130 36 34 812 9,3 0,62 10,6 0,61

3.2 127 34 33 317 1С, 9 0,61

3.3 123 34 33 324 11,1 0,60

4.1 123 39 36 725 12Д 0,76 12,1 0,76

4.2 120 35 35 728 12Д 0,75

4.3 122 39 36 720 11,9 0,77

В таблипе представлены средние значения измеренные параметров.

Г , к — средние значения показателя ти коэффициента уг.

КопЬоГ. ['кщ-огйна, 1320, Vnt23.Na.ia

25,0 I

Рис. 3. График регрессионной зависимости коэффициента к от значений пока зяте ля /

Анализ корреляционной связи значении коэффициента к от значении показателя t позволил получить следующую регрессионную зависимость:

к = 0,0770

-0,0015

(О2

.С

OUF

Оценку качества (точности) уравнения регрессии проводили на основе опенки коэффициента детерминации: = 0,96. что свидетельствует о высокой точности модели.

График регрессионной зависимостн коэффициента £от значений показателя t представлен на рнс. 3.

Анализ адекватности уравнения регрессии (модели) проводили на основе F-крнтерня Фишера.

Для общего суждения о качестве модели по каждому наблюдению из относительных отклонений была определена средняя ошибка аппрокснмапнн по выражению

i ■ Я

1 ч—■ И 1 ŒDL

-н:

<0

«

Hv

i-1 пои

(12)

где - динамическая твердость гальванического никелевого покрытия, рассчитанная по выражению (3) с учетом регрессионной зависимости (11). Средняя ошибка аппроксимации составила ? = 0,04; ё<0,1, что свидетельствует о достаточно высоком качестве модели.

Заключение

1. На основе анализа механики контактного взаимодействия жесткой сферы с упругопластнч-ным двухслойным полупространством дня оценки динамической твердости покрытия предложено использовать смесевуто модель, при которой измеренная твердость представляет собой композиционную твердость, интегрирующую в разной степени твердость материала покрытая и материала основания.

2. Оценку показателя, характеризующего вклад в сопротивление деформированию ннденто-ром материала покрытия, предложено находить на основе эмпирических зависимостей от радиуса проекции контактной площади гс при максимальной глубине внедрения A,^, максимальной глубины внедрения и толщины покрытия hag^ .

3. Проведены экспериментальные исследования зависимости динамической твердости системы гальваническое никелевое покрытие - бронзовое основание от динамической твердости материала покрытия и динамической твердости материала основания. По результатам исследований получена регрессионная зависимость виде полинома второй степени, позволяющая провопить опенку твердости гальванического никелевого покрытия на хромовой бронзе БрХ0.8 в диапазоне толщин от 200 до 500 мкм.

Библиографический список

1. Быков Ю. А.. Карпушн С. Д., Гаэукина £. II. О некоторых особенностях структуры и свойств металлических «тонких» пленок И МиГОМ. 2000. № 6. С. 45 -47.

2. Рулниикий В. А,. Крепь А. П., Л а ним а н Г. А. Опенка пластичности металлических материалов метолом динамического индентирования Н Литье и металлургия. 2017. № 2. С. SI - S7.

3. ГОСТ Р 564 74-2015. Системы космические. Контроль неразрушаюшии физико-механических свойств материалов и покрытий космической техники методом динамического индентирования. Общие требования. ГЛ.: Ставдартинформ, 2019.

4. Крепь А. П.. Рулнипкнй В, А., Ланпман Г, А. и др. Контроль физико-механических характеристик чугуна прибором ИФМХ-Ч 1! Литье и металлургия. 2019. № Ъ. С. 65 -69.

5. Быков Ю. А;, Карпухин С. Д., Полянский В. М. Определение твердости шносокрьггий. М.: Изд-во ЖГУ ни. Н. Э. Баумана, 2010.

6. Puchi-Caberra Е. S., Berilos L, A., Teer D. G. On tbe computation of the absolute hardness of thin solid film? // Siuface and Coatings Technology. 2002 (157). No. 2-3. P. 185-Ш.

70

Контроль. Диагностика, 2020, тон 23г № 10

Генеральный партнер РОНКТД:

ТрубогроааД Контроль С«р«ис

7. Jonsson В., Htigmnrk S. Hardness measurement of thin fflms // Thin Solid Films. 1984. V. 114. P. 257 - 269.

Ё. С Lie of D., Lesage J. Absolute hardness of films ■nilcoatingsUThin Solid Films. 1995. V. 254. P. 123 - 130.

9. Komnsky A, M., McGuik M. E., Bull S, J,, Ря»е T. F. On the hardness of coatmg systems // Surface and Coatings Technology. 1998. V. 99. P. 171 - 1ЁЗ.

10. Пономарев С. Д., Бииерман В. Л.. Лазарев К. К. и ар. Расчеты на прочность в машиностроении. М.: Машгиз. 195Ё. Ш с.

И. Ильинский А. В.. Егоров F. А., Федоров А. В,, Кузьм пчев II. В. Агшаратно-алгоритмическое обеспечение пропесса дина;шческого инлентирования I! Дефектоскопия. 2020. >5 6. С. 61 - 69.

12. Барсуков В. Г., Хвисевнч В. М., Чикова Т, С,, Барсуков В, В. Расчетная опенка параметров стесненного упругопластического деформирования материала при индентировании II Вестник Брестского государственного технического университета. 2012. № 4. С. 31 - 34.

References

1. Bykov Yu A., Kaipuhin S. Gaznkina E. L (2000). On some features of the structure anil properties of metal "thin" film?. MfTOM, (6), pp. 45 - 47. [in Russian language]

2. Rudnitskiy V. A, Kren' A. P, Lantsnran G. A. (2017). Evaluation of the plasticity of metallic materials by dynamic indentation. Lite i metallurgiya, (2), pp. £ 1 - E7. [in Russian language]

3. Space systems. Non-destructive control of physic al and mechanical properties of materials and coatings of space technology by the method of dynamic indentation. General requirements. (2019). Rii Standard No. GOST R 564742015. Moscow: Standartinform. [in Russian language]

4. Kren' A. P., Rudnitskiy V. A.: Lantsman G. A. et a I. (2019). Control of The physical and mechanical characteristics of cast iron using the IFMKh-Ch device. Life i metaUiirgiya, (3), pp. 65 - 69. [in Russian language]

5. Bykov YtL A.. Kaipuhin S. D, Polyanskiy V. M. (2010). Determination of the hardness of nanocoatings. Moscow: Izdatel'stvo MGTU im. N. E. Bauiaana. [in Russian language]

6. Puchi-Caberra E. S., Berries L. A., Teer D. G. (2002). On the computation of the absolute hardness of thin solid films. Surface and Coatings Technology', J J 7(2 - 3), pp 185-196

7. Jonsson В., Hogmark S. (1984). Hardness measurement of thin films. Thai Solid Films, Vol. 114, pp. 257-269.

E. Chicot D, Lesage J. (1995). Absolute hardness of films and coatings. Thin Solid Films, Vol. 254, pp. 123 - 130.

9. Korsunsky A. li., McGurk M. R., Bull S. J., Page T. F. (199S). On Ihe hardness of coatmg systems. Surface and Coatings Technology, Vol 99, pp. 171 - I S3.

10. Ponomarev S. □., Bidennan V. L., Liharev К. K. et al. (195Ё). Sft'engfii calculations in mechanical engineering. Moscow: Masbgiz. [in Russian language]

U.ffinilriy A. V., Egorov R. A., Fedorov A.V., Kuz'michev M. V. (202 0). Hardware and algorithmic support of the dynamic indentation process. Defektoskopiya, (6), pp. 61 -69. (in Russian language]

12. Baisukov V. G, Hvisevich V. M , Cbiiova T. S.. Barsukov V. V. (2012). Computational estimation of parameter of constrained elastoplastic deformation of the material during indentation. f'Vsmifr BrejftJtogo gosudantvennogo lekimichesbogo wnnierjirifii, (4), pp. 31 - 34. [in Russian language]

Для цитирования статьи:

Киша поел II, А., Федоров А. В., Егоров F. А,. Ильине кий А. В. Разработка метода оценки твердости покрытий при динамическом инденшровании И Контроль. Диагностика. 2020. Т. 23. № 10. С. 65 - 71. DOI 10.144S9M 2020. Ю.рр. 065-071

Use the reference below to cite the publication:

Kashapova L A., Fedorov A. V., Egoiov R. A., Il'iiiskiy A. V. (2020). Development of a method for assessing ihe hardness of coatings with dynamic indentation. JControl'. Diagnostika, Vol. 23, (10), pp. 65 -71. DOI 10.144S9/td.2020.t0.pp.065-071. [ш Russian language]

Kontrolr. Diagnnstika, 202fl, Vol. 13. Nc. 10

71