Метод экспресс-контроля керамических тиглей

К неразрушающему контролю керамических тиглей предъявляются два основных требования. Первое – не допускается какое-либо загрязнение поверхности, потому что тигли предназначены для выплавки оптического стекла. Второе – тигли больших размеров (до 100 литров), затруднительно контролировать, например, ультразвуковым методом. К тому же в данной марке керамики имеет место весьма значительное затухание ультразвуковых волн, что ещё более осложняет ультразвуковой контроль.

Поэтому наиболее приемлемым в данном случае является метод неразрушающего контроля посредством использования собственных колебаний (СК) тигля. Самая простая реализация этого метода, удар по тиглю специальным бойком и прослушивание, «звенит» или не «звенит», т. е. нет трещины или есть. Такой подход широко используется в железнодорожном транспорте, производстве стекла и керамики и зафиксирован в официальных документах [1]. В случае контроля тиглей прослушивание эффективно для малых тиглей с тонкими стенками, для больших тиглей с толстыми стенками тигли «звенят» даже при наличии трещин. Поэтому возникает необходимость дальнейшего развития этого метода с использованием прибора измерителя частоты собственных колебаний (ИЧСК).

Сначала обратим внимание на физическую сущность процесса. Наличие трещины в процессе деформации способствует поглощению энергии колебаний. Это может быть, и когда стенки трещины трутся друг о друга, и когда стенки расходятся, на концах трещины образуется пластическая деформация или хрупкое разрушение. В обоих случаях имеет место потеря энергии, уменьшающая амплитуду колебаний. Частота при этом практически не меняется. В таблице 1 представлены спектры частот СК двух нормальных тиглей и тигля с трещиной. Объём тиглей равнялся 20,8 литра, параметры их представлены ниже. Исходя из этого, метод должен быть, ориентирован на фиксацию уменьшения амплитуды колебаний. В этом случае сразу напрашивается идея создания стандартного удара. Но практика показала, что стандартный удар не обеспечивает стандартное количество свободной энергии, переданное телу потому, что контакт в момент удара зависит от множества факторов, в том числе и случайных. В производственных условиях очень сложно обеспечить стабильное соотношение между свободной и внутренней энергией тела, получаемых в момент удара.

Поэтому предлагается другой способ, основанный на распределении энергии по формам СК тигля. Физическая суть процесса состоит в следующем. Если мы наносим весьма слабый удар в какую-либо точку тигля, то сначала возбуждаются те формы СК, которые в этой точке имеют пучность, т. е. максимальную амплитуду колебаний. Если будем увеличивать силу удара, то процесс упругой деформации данной формы СК дойдёт до предела пропорциональности и, далее, энергия удара начнёт возбуждать другую форму СК, которая имеет точку пучности наиболее близкую к точке удара. Этот процесс происходит согласно принципу минимизации внутренней энергии тела, перераспределением её в свободную энергию, которая через колебания распространяется в окружающую среду [3]. Далее, увеличение силы удара, после достижения предела пропорциональности второй формы СК, возбуждает третью форму СК. Она также имеет наиболее близкую точку пучности к точке удара из всех ещё не возбуждённых форм СК. И так далее, пока не возбудятся все формы СК.

Экспериментально подтвердить этот процесс на телах из материалов с большим поглощением энергии несложно, потому что из-за большого поглощения энергии, достижение предела пропорциональности всех форм СК с одного удара не происходит. Чтобы наполнить тело энергией и возбудить все формы СК, необходимо произвести серию ударов. К таким материалам относятся, например: дерево, графит, бетон и данная марка керамики. Образно говоря, это материалы с плохой передачей свободной энергии в отличие от материалов с хорошей передачей свободной энергии, например металлов. В металлах полная передача свободной энергии происходит с одного сильного удара, последующие удары только всё «портят». Отсюда вытекают разные методики дефектоскопии трещин. В телах из металлов возбуждаются только те формы СК, которые не демпфируются трещиной и дефектоскопию можно проводить по виду спектра СК данного тела [2]. В телах из материалов с плохой передачей свободной энергии наличие трещины ещё более затрудняет передачу энергии, при этом спектр СК практически не изменяется. Поэтому метод контроля тиглей выстраивается исходя из фиксации уровня передачи свободной энергии.

Покажем, как это делается на примере тигля, объёмом 20,8 литра, со следующим  отношением диаметра, высоты и толщины стенки тигля – 290х520х10 мм. В начале тигель укладывают горизонтально на деревянную подставку или резиновый коврик, как показано на рис.1. Микрофон прибора ИЧСК, на рис.1 обозначен буквой «М», располагается внутри тигля по направлению ко дну тигля. По центру дна тигля специальным бойком наносятся несколько ударов, на рис.1 точка «А». Их целью является возбудить и определить величину частоты СК, имеющей точку пучности в центре дна тигля (установочную частоту) и провести настройку прибора на эту частоту. Затем тигель, на ту же подставку, устанавливается вертикально, см. рис.2. Микрофон прибора ИЧСК располагается также внутри тигля по направлению ко дну. Бойком в горизонтальном направлении наносятся несколько ударов в каждой точке, на рис.2 точки «Б». Точки равномерно расположены по высоте тигля, их должно быть 6 – 8 штук. Для того чтобы, установить уровень передачи свободной энергии нормального тигля, в приборе выставляется максимальное время задержки начала измерений частоты СК так, чтобы после каждой серии ударов, в каждой точке, измерялась установочная частота на уровне 100%. Таким образом настройка прибора завершена. При дефектоскопии тигля с трещиной, трещина в различных точках нанесения ударов, т. е. при возбуждении различных форм СК, будет оказывать различное воздействие на потерю энергии. И прибор будет показывать либо частоту СК, соответствующую точке нанесения ударов, либо установочную частоту на уровне значительно ниже 100%.

Экспериментальная проверка метода была успешно проведена на шести тиглях, пять из них были нормальными, шестой имел трещину. Спектры частот СК трёх из них представлены в таблице 1. Установочные частоты имели следующие значения: тигель № 1 - 2297 Гц, тигель № 2 – 2455Гц, тигель с трещиной – 2910 Гц. Во всех пяти нормальных тиглях установочная частота измерялась по данному методу на уровне 100%. На тигле с трещиной она вообще не измерялась. Время, затраченное на проведение контроля одного тигля, составляло от 3-х до 5-ти минут.

Представленный метод неразрушающего контроля удовлетворяет почти всем производственным требованиям. В некоторой степени исключение составляет только тот факт, что не определяются несквозные мелкие трещины. Этот факт был зафиксирован на железнодорожных колёсах [2].

Таблица 1