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.