XV Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 10-13 marca 2009 METODA MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU W DIAGNOZOWANIU TECHNIKI LOTNICZEJ



Podobne dokumenty
Diagnozowanie zmęczenia materiału przy pomocy efektu magnetycznej pamięci metalu

X WARSZTATY TECHNICZNE PALANGA 2009

ANALIZA WYKRYWALNOŚCI WAD POŁĄCZEŃ SPAWANYCH METODAMI ULTRADŹWIĘKOWĄ I MPM

BADANIE OBSZARU KONCENTRACJI NAPRĘśEŃ W DRUTACH ORTODONTYCZNYCH ZA POMOCĄ METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU. Kurowska Anna

Spis treści Przedmowa

Spis treści. Przedmowa 11

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

Struktura układu pomiarowego drgań mechanicznych

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wytrzymałość Materiałów

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Laboratorium MASZYN I URZĄDZEŃ TECHNOLOGICZNYCH. Nr 2

ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI

Eksperymentalne określenie krzywej podatności. dla płaskiej próbki z karbem krawędziowym (SEC)

WYKŁAD 15 WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE MAGNESÓW TRWAŁYCH

Integralność konstrukcji w eksploatacji

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

DIAGNOSTYKA WIRNIKÓW Z WYKORZYSTANIEM METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU

NK315 EKSPOATACJA STATKÓW LATAJĄCYCH. Procesy degradacyjne i destrukcyjne (c.d.)

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

PRÓBA OPRACOWANIA PROCEDURY OCENY UZĘBIEŃ KÓŁ ZĘBATYCH Z WYKORZYSTANIEM METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU

Zbigniew H. ŻUREK BADANIA STANU FERROMAGNETYCZNYCH ELEMENTÓW MASZYN W POLU MAGNETYCZNYM

Konstrukcje spawane : połączenia / Kazimierz Ferenc, Jarosław Ferenc. Wydanie 3, 1 dodruk (PWN). Warszawa, Spis treści

Prezentacja działalno

Defi f nicja n aprę r żeń

Sylabus kursów MT stopień I: II: i SpecKol Sektory: Przemysłowe Utrzymania ruchu kolei Wersja 02/

Zmęczenie Materiałów pod Kontrolą

MODYFIKACJA RÓWNANIA DO OPISU KRZYWYCH WÖHLERA

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

POMIARY ULTRADŹWIĘKOWE. HTHA wysokotemperaturowy atak wodorowy HIC - pęknięcia wodorowe 2018 DEKRA

Polskie innowacyjne metody nieniszczącej diagnostyki elementów stalowych - podstawy, zastosowanie, korzyści

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

DIAGNOZOWANIE TORU POMIAROWEGO W ROZPROSZONYCH SYSTEMACH KONTROLI

WZORCOWANIE URZĄDZEŃ DO SPRAWDZANIA LICZNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU PRZEMIENNEGO

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

MODELOWANIE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ O ZMIENNEJ TWARDOŚCI

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

EPSTAL stal zbrojeniowa o wysokiej ciągliwości. Badanie ustroju płytowosłupowego w sytuacji wystąpienia katastrofy postępującej.

Identyfikacja i lokalizacja procesu powstawania i rozwoju rys w betonie metodą AE

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

Nowy kierunek w diagnostyce technicznej metoda Magnetycznej Pamięci Metalu

PRACA INDUKCYJNEGO LICZNIKA ENERGII ELEKTRYCZNEJ W OBECNOŚCI POLA SILNEGO MAGNESU TRWAŁEGO

Lekcja 59. Histereza magnetyczna

Komputerowy system wsparcia bezpieczeństwa eksploatacji samolotów TS-11 Iskra i remontu silników typu SO-3

Konstrukcje spawane Połączenia

POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

Jan A. Szantyr tel

Materiały magnetyczne SMART : budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie / Jerzy Kaleta. Wrocław, Spis treści

Wpływ uszkodzenia krawędzi natarcia łopatek sprężarki silnika lotniczego na ich wytrzymałość zmęczeniową

Zastosowanie Metody Magnetycznej Pamięci Metalu do badań uzębień kół zębatych

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

Metody badań kamienia naturalnego: Oznaczanie wytrzymałości na zginanie pod działaniem siły skupionej

SPRZĘGŁA MIMOŚRODOWE INKOMA TYP KWK Inkocross

INSTYTUT TECHNIKI BUDOWLANEJ

Oddziaływanie wirnika

Badanie transformatora

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

Wzorcowanie mierników temperatur Błędy pomiaru temperatury

Analiza stanu naprężeń i odkształceń metodą elementów skończonych (MES) w łopatce drugiego stopnia turbiny gazowej

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

INSTYTUT TECHNIKI BUDOWLANEJ

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Badanie uporządkowania magnetycznego w ultracienkich warstwach kobaltu w pobliżu reorientacji spinowej.

OBLICZANIE KÓŁK ZĘBATYCH

Metoda określania pozycji wodnicy statków na podstawie pomiarów odległości statku od głowic laserowych


LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI POMIAR PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO

dr hab. inż. LESŁAW ZABUSKI ***

Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Wysokich Napięć. Dr hab.

α k = σ max /σ nom (1)

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

Oddziaływanie membranowe w projektowaniu na warunki pożarowe płyt zespolonych z pełnymi i ażurowymi belkami stalowymi Waloryzacja

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

OPŁYW PROFILU. Ciała opływane. profile lotnicze łopatki. Rys. 1. Podział ciał opływanych pod względem aerodynamicznym

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Transport Studia I stopnia

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

13. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK ORAZ PRZEŁOŻENIA UKŁADU KIEROWNICZEGO

Impulsy magnetostrykcyjne informacje podstawowe

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Spis treści Bezpośredni pomiar konstrukcji Metodyka pomiaru Zasada działania mierników automatycznych...

Narzędzia pomiarowe Wzorce Parametrami wzorca są:

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Sensory (czujniki)

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

KATEDRA SAMOLOTÓW I SILNIKÓW LOTNICZYCH

DiaSter - system zaawansowanej diagnostyki aparatury technologicznej, urządzeń pomiarowych i wykonawczych. Politechnika Warszawska

Koła stożkowe o zębach skośnych i krzywoliniowych oraz odpowiadające im zastępcze koła walcowe wytrzymałościowo równoważne

DYNAMIKA ŁUKU ZWARCIOWEGO PRZEMIESZCZAJĄCEGO SIĘ WZDŁUŻ SZYN ROZDZIELNIC WYSOKIEGO NAPIĘCIA

LABORATORIUM PKM. Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Badanie statycznego i kinetycznego współczynnika tarcia dla wybranych skojarzeń ciernych

Transkrypt:

XV Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 10-13 marca 009 METODA MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU W DIAGNOZOWANIU TECNIKI LOTNICZEJ Mirosław WITOŚ Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Warszawa Marcin WIŚNIOC Energodiagnostyka, Warszawa 1. Wstęp Pomimo coraz szerszego stosowania kompozytów i stopów tytanu w technice lotniczej istnieje jeszcze wiele elementów wykonach ze stali i stopów ferromagnetycznych. Część z nich, m.in. wałki napędowe, koła zębate, łopatki sprężarki, cięgna są elementami krytycznymi konstrukcji i wymagają okresowej kontroli stanu technicznego (w eksploatacji lub remoncie). Obserwowane przypadki zmęczeniowego pękania lub urwania elementów uświadamiają: - niedoskonałość istniejących metod badań nieniszczących (szczególnie dla wirujących elementów, w których występuje zjawisko zaciskania szczeliny pęknięcia podczas postoju); - potrzebę ciągłego doskonalenia metod i technik badawczych w zakresie rozpoznania wczesnej fazy zmęczenia materiału. Dopiero umiejętność rozpoznanie wczesnej fazy zmęczenia materiału (fazy umocnienia i osłabienia) [1-4] jest podstawą wiarygodne prognozowanie stanu technicznego badanego elementu oraz gwarancją bezpiecznej i ekonomicznej pracy maszyny. W niniejszym artykule autorzy skupili uwagę na potencjalnym zastosowaniu metody magnetycznej pamięci metalu (MPM) w badaniach nieniszczących (NDT), monitorowaniu stanu technicznego (SM) i monitorowaniu warunków pracy (CM) drobnych stalowych elementów. Elementów, które podczas pracy zmieniają położenie względem pola magnetycznego Ziemi i są narażone na oddziaływanie dodatkowego pola magnetycznego innych elementów maszyny. Artykuł jest próbą uzyskania odpowiedzi na pytanie Czy metoda MPM może być skuteczna w detekcji narastającego zmęczenia materiału i pęknięć zmęczeniowych, powstałych szczególnie w zakresie CF i VCF?. Motywacja Metoda magnetycznej pamięci metalu [4, 5] jest jedną z nielicznych metod badań nieniszczących, która deklaruje umiejętność wykrywania nie tylko pęknięć, ale również lokalizacji wczesnej fazy zmęczenia materiału i defektów struktury, odwzorowanej przez strefy koncentracji naprężeń (SKN) i lokalną anizotropię materiału. Ze względu na stosowaną zasadę pomiaru istnieją potencjalne przesłanki jej stosowania w systemach monitorowania stanu technicznego struktury (metoda MPM jest metodą bierną, bezdotykową). Metoda MPM wykorzystuje zjawisko zapamiętywania skutków cyklicznych i granicznych obciążeń rys. 1, co preferuje jej wykorzystanie w systemach monitorowania rzeczywistych warunków pracy 107

(gdzie jest położone niebezpieczeństwo przedwczesnego zmęczenia materiału?, czy rzeczywiste warunki pracy są bezpieczne dla badanego elementu maszyny?). Steel B [T] MPa D.J. Craik and M.J. Wood, Magnetization changes induced by stress in a constant applied field, Journal of Applied Physics D: Applied Physics, 3, pp. 1009-1016, 1970. Rys. 1. Wpływ pojedynczego cyklu rozciągania-ściskania na zmianę namagnesowania stalowej próbki (efekt Villariego) Metoda MPM stosowana jest od ponad 30 lat do oceny dużych, stacjonarnych elementów wykonanych ze stopów ferromagnetycznych, dla których spełniony jest warunek niezmienności położenia badanego elementu względem słabego pola magnetycznego Ziemi pierwotnego źródła samomagnesowania ferromagnetyka. Wtórnym źródłem magnesowania są efekty magnetomechaniczne tabela 1 (znane i dobrze opisane w literaturze magnetyzmu), występujące podczas pracy maszyny lub aktywnych badań magnetycznych. Tabela 1. Efekty magnetomechaniczne [6-8] Efekt Joule (184) magnetostrykcja Efekt E Efekt Wiedemanna Efekt magnetoobjętościowy Efekt bezpośredni Zmiana rozmiarów próbki w kierunku przyłożonego pola magnetycznego Wpływ magnetosprężystości na anizotropię magnetokrystaliczną Skręcanie wywołane przez spiralną anizotropię Zmiana objętości pod wpływem magnesowania (najbardziej widoczny w pobliżu temperatury Curie) Efekt Villariego (1865) Efek Matteuci Efekt Nagaoka- ondy Efekt odwrotny Zmiana namagnesowania pod wpływem obciążeń Magnetyzm indukuje zmiany w sprężystości Spiralna anizotropia i SEM wprowadzona przez skręcanie Zmiany w stanie namagnesowania przez zmiany objętości Po wyłączeniu maszyny lub podczas obciążeń quasi-statycznych namagnesowanie badanego elementu (rozkład i natężenie pola magnetycznego, które w MPM nazywane jest własnym magnetycznym polem rozproszonym) odwzorowuje wypadkowy stan: - początkowego stanu namagnesowania (w lotnictwie pr 40 A/m), - czasu pracy i historii obciążenia (, d /dt), - zmian rozkładu naprężeń wewnętrznych, - lokalnych obszarów anizotropowości materiału, - oddziaływania wtórnych źródeł magnesowania (sąsiadujących elementów), 108

- oddziaływania warunków brzegowych (kształtu i rozmiarów badanego elementu). Do lokalizacji SKN i obszarów anizotropii materiału poszukuje się lokalnych anomalii magnetycznych, obserwowanych przy pomocy kompasu rys., miernika pola magnetycznego (gaussometru) rys. 3, lub przenośnych wielokanałowych rejestratorów pola magnetycznego, tj. IKN-1M-4 lub TSC-3M-1 firmy Energodiagnostyka rys. 4. Zastosowanie wielokanałowego rejestratora pola magnetycznego: - znacząco skraca czas badań (archiwizacja wyników w pamięci przyrządu), - umożliwia graficzne zobrazowanie wyników pomiaru podczas badań; - umożliwia ilościową i jakościową analizę wyników badań (post-processing). Rys.. Detekcja SKN w kole zębatym przy pomocy kompasu (brak jawnej informacji o poziomie lokalnej anomalii pola magnetycznego) Rys. 3. Detekcja SKN w pierścieniu zewnętrznym łożyska tocznego z wykorzystaniem jednokanałowego cyfrowego gaussometru GM-04 z punktową sondą alla (zmiana wskazań p z +385 A/m do -31 A/m na odcinku 7 mm) Dane literaturowe opisujące zasady detekcji SKN dotyczą: - naprężeń termicznych (spoiny, walczaki, rurociągi), - niskocyklowego zmęczenie materiału (LCF) w zakresie odkształceń plastycznych. Dla tych warunków inicjowania SKN w dużych elementach (np. rurociągach, torach, mostach) zagadnienia MPM dobrze opisuje teoria Własowa i Dubowa [9]. 109

Rys. 4. Pomiar pola magnetycznego na łopatce sprężarki z wykorzystaniem rejestrator IKN-1M-4 i dwukanałowej sondy ferrytycznej z układem pomiaru przemieszczenia. Do lokalizacji SKN (oczekiwanego miejsca inicjacji pęknięć zmęczeniowych) wykorzystuje się spostrzeżenie, że w SKN składowa pola magnetycznego prostopadła do powierzchni badanego elementu z jest równa zero, a składowa styczna x prostopadła do SKN osiąga lokalne ekstremum. SKN if d x z 0 and 0 (1) dx Kryterium ekstremum x różnicuje pozorne SKN, wynikające z niewłaściwej kalibracji przyrządu pomiarowego lub wstępnego namagnesowania badanego elementu, od rzeczywistych SKN. Do oceny poziomu zmęczenia materiału i pozostałości resursu wykorzystuje się informację o wartości współczynników umocnienia magnetycznego materiału: składowych m max (i) w kierunku pomiaru i wypadkowego m mmax i i max ; i x, y, z () i med m x x y y z z max med (3) Wartość graniczna współczynników m max i m jest zależna od typu materiału i zastosowanej obróbki cieplno-chemicznej. Pomimo ponad 30-letniej historii metody MPM wartości tych 110

współczynników nie zostały jednoznacznie wyznaczone dla podstawowych gatunków stali i obróbek cieplno-chemicznych. Istniejący stan ogranicza możliwość szerszego stosowania metody MPM do oceny pozostałości resursu, w przeciwieństwie do metody magnetycznej bazującej na ocenie siły koercji [3, 10]. 3. Metoda MPM w badaniu wojskowej techniki lotniczej? Elementy krytyczne techniki lotniczej narażone są na złożony stan naprężeń, których źródłem są: - quasi-statyczne obciążenia normalne i styczne (siły rozciągania/ściskania, momenty gnące i skręcające); - krótkotrwałe przeciążenia występujące w stanach przejściowych agregatów (silnik, pompy, prądnice) i podczas lotów krzywoliniowych (obciążenie wirników, skrzydła i usterzenia); - wąsko- i szerokopasmowe wymuszenia aerodynamiczne i masowe, będące źródłem drgań badanych elementów z modami giętymi, skrętnymi i powierzchniowymi. Wirujące elementy poddawane są obciążeniom cyklicznym w zakresie nawet 8x10 10 cykli (łopatki ostatnich stopni sprężarki) elementy narażone są na pękanie zmęczeniowe typu LCF, CF i VCF tabela. Tabela. Klasyfikacja pęknięć zmęczeniowych wg Makhutova Liczba cykli Mechanizm niszczenia 10 0 10 1 Dekacyklowe plastyczne uszkodzenia występujące przy obciążeniach uwzględnionych przez współczynniki bezpieczeństwa 10 0 10 3 hektocyklowe uszkodzenia określane przez duże mikroplastyczne deformacje w strefie uszkodzenia na poziomie makrostrukturalnym 10 3 10 5 Kilocyklowe uszkodzenia widoczne w postaci relatywnie małych makroplastycznych deformacji w strefie uszkodzenia w skali makroskopowej 10 5 10 8 Megacyklowi uszkodzenia rozwijające się w postaci mikroplastycznych deformacji w strefie uszkodzenia w skali mikro i makroskopowej 10 8 10 9 Gigacyklowe uszkodzenia występujące wskutek znacznej ilości cykli obciążeń i mikroplastycznych deformacji w skali mikroskopowej w pobliżu strefy uszkodzenia zlokalizowanej wewnątrz materiału 10 10 10 1 teracyklowe uszkodzenia wewnątrz materiału występujące przy bardzo dużej ilości cykli obciążeń z deformacjami występującymi na poziomie makrostruktury Dotychczasowe zalety metod magnetycznych oraz zalecenie normy EN 4179 i NAS 410 by przed defektoskopią magnetyczną wykonywać pomiar zastanego namagnesowania badanych elementów, były impulsem do podjęcia prac badawczych w ITWL. Ich celem jest określenie potencjalnych możliwości zastosowania metody MPM w diagnozowaniu techniki lotniczej, w tym ustalenia zasad interpretacji wyników uzyskiwanych przed defektoskopią magnetyczną. Wdrożenie metody MPM do oceny techniki lotniczej wymaga: a) spełnienia dodatkowych wymogów formalnych (stawianych dla metod badawczych i aparatury kontrolno-pomiarowej stosowanych do oceny stanu technicznego techniki wojskowej), dotyczących: - jakości opisu teoretycznego metody badawczej i stosowanych kryteriów oceny; - jakości dokumentacji użytkowej, na podstawie której opracowana jest dokumentacja serwisowa (wymóg wzorcowanie urządzeń co 1 miesięcy w wojskowych laboratoriach metrologicznych spełniających wymogi normy ISO-9001); - zasad wzorcowania; b) udokumentowanie wiarygodności badań, w tym słabych stron metody badawczej i ryzyka postawienia błędnej diagnozy (nieuzasadnionych kosztów badań lub ryzyka wypadku lotniczego w aspekcie odpowiedzialności karnej wykonawcy badań MPM); 111

c) opracowania metodyk badawczych, uwzględniających specyfikę badanych elementów i warunki wykonywania badań (na obiekcie czy podczas demontażu). 4. Badania wstępne Przystępując do oceny wybranych elementów techniki lotniczej metodą MPM wykonano badania porównawcze pomiędzy przyrządami IKN-1M-4 firmy Energodiagnostyka i GM-04 firmy Magnaflux. Ten etap badań podyktowany był brakiem informacji o charakterystykach sond pomiarowych firmy Energodiagnostyka oraz zasad okresowego wzorcowania przyrządu IKN-1M-4. Badania wykonane na 310 łopatkach sprężarki o różnej wysokości pióra wykazały, że: - w zakresie p = 1400 do 000 A/m istnieje liniowa zależność wyników (R = 0.961). Współczynnik kierunkowy prostej potwierdził deklarowaną przez Energodiagnostykę 5% dokładność pomiarów dla przyrządu IKN-1M-4, pomimo uproszczonej kalibracji toru względem pola magnetycznego Ziemi ( 40 A/m). Obserwowane równoległe przesunięcie wartości wyników ( p 10 A/m) wynikało głównie z dużych gradientów pola magnetycznego na badanych łopatkach (trudność utrzymania powtarzalności punktu pomiarowego) rys. 5, oraz wyraźnego wpływu kątowego pozycjonowania sondy przyrządu IKN-1M-4 na wyniki pomiaru i kalibracji. 1000 800 py [A/m] 600 400 00 0-00 y = -4.3589x + 171.87x - 800.1-400 x [mm] -600 0 5 10 15 0 5 30 35 40 Rys. 5. Wzorzec statystyczny rozkładu pola magnetycznego na powierzchni wierzchołkowej łopatki I stopnia sprężarki silnika SO-3 (x = 0 mm krawędź natarcia, x = 37 mm krawędź spływu) - dla łopatek z dużymi gradientami pola magnetycznego (po próbach LCF i sztucznie magnesowanych) sonda przyrządu IKN-1M-4 uśrednia wskazania pola magnetycznego. Wyniki pomiarów były zaniżone, przy właściwym odwzorowaniu globalnego kształtu rozkładu pola wzdłuż wysokości pióra rys. 6, w tym położenia linii zerowej skorelowanej z linią węzłową I modu drgań rys. 7. Uśrednianie wskazań przez sondę IKN-1M-4 zamaskowało jednak obecność dwóch linii zerowych blisko położonych w górnej części pióra, odwzorowujących linie węzłowe wyższych modów drgań łopatki pomiar wykazał obecność tylko jednej linii. Wynik badań potwierdził potrzebę właściwego doboru wymiarów sondy i jej charakterystyki przestrzennej do rozmiarów badanego elementu 11

100 p [A/m] 800 400 0-400 -800 Miejsca koncentracji naprężeń -100 0 0 40 60 80 x [mm] 100 Rys. 6. Rozkład pola magnetycznego wzdłuż wysokości pióra.5 mm od krawędzi natarcia (x = 0 mm podstawa pióra) [11] p = 0 A/m Rys. 7. SKN wyznaczone na piórze łopatki sprężarki po szerokopasmowej próbie zmęczeniowej (LCF+CF w paśmie do 4 kz, punktowa sonda alla) [11] Poziom namagnesowania zamka łopatki p = -1490 A/m - podczas pracy zamek łopatki podlegał ściskaniu. Na łopatkach z eksploatacji poziom namagnesowania nie przekraczał p = -450 A/m. 5. Badania wałków napędowych Badania wykonywano dla części walcowej i wielowypustów wałków o średnicy do 1 mm z wykorzystaniem punktowej sondy alla i gaussometru GM-04. Dla dwóch ukręconych wałków napędowych pompy hydraulicznej (po 483 i 163 godz. pracy) stwierdzono stan namagnesowania charakterystyczny dla dynamicznego przeciążenia (LCF + CF). Kontrola MPM wykazała że: - pomimo podobnych skutków (ukręcenia w przewężeniu technologicznym) istniały zasadnicze różnice w warunkach pracy panujących przed zniszczeniem wałków rys. 8; - stan namagnesowania powierzchni wałka spełnia kryterium minimum energetycznego. W części walcowej następuje ujednorodnienie namagnesowania pomimo znacznych różnic w obwodowym namagnesowaniu wielowypustu. Spostrzeżenia MPM zostały zweryfikowane w badaniach mikroskopowych złomu. 113

1 0-400 1 I urwanie II urwanie 11-800 -100 3-1600 10-000 4 9 5 8 6 000 1800 1600 1400 100 1000 800 600 400 00 p [A/m] a) 7 0 x [mm] -00 0 5 10 15 0 5 30 b) Rys. 8. Magnetogramy ukręconych wałków (bez wpływu ukręconych części wałka): a) powierzchnia wierzchołkowa wielowypustu, b) część walcowa Stan namagnesowania w punkcie x =30 mm uległ zmniejszeniu po zbliżeniu ukręconych części wałka (dwóch magnesów o różnym namagnesowaniu). Linia zerowa była obecna w pobliżu pęknięcia, na co wpływ miała również charakterystyka przestrzenna punktowej sondy i nowy stan namagnesowania wydłużonego wałka (pojedynczego magnesu). Próba zastosowania metody MPM do kontroli wałków z innych samolotów wykazała wyraźny wpływ obróbki cieplno-chemicznej i powierzchniowej wielowypustu (nawęglanie, miedziowanie, bez obróbki powierzchniowej) na uzyskiwane wyniki badań i ich interpretację. 114

Bardzo silne namagnesowanie stwierdzono również dla wygiętego wałka pompy paliwowej, przy czym składowa normalna pola magnetycznego z w strefie rozciągania miała znak ujemny ( z =-3.86 ka/m). Porównując warunki obciążenia zamka łopatki i wygiętego wałka uwidacznia się problem interpretacji znaku namagnesowania w metodzie MPM ( < 0: rozciąganie czy ściskanie?, wpływ naprężeń normalnych i stycznych?). 6. Detekcja pęknięć CF Badania możliwości detekcji kruchych pęknięć przez metodę MPM wykonano na łopatce sprężarki (1 mm pęknięcie pióra od krawędzi spływu zainicjowane na wzbudniku przy 0.6 e ) i wale śmigła (ok. 40 mm obwodowe pęknięcie stwierdzone w eksploatacji). W obu przypadkach stwierdzono, że: - zastosowanie dotychczasowego algorytmu metody MPM do detekcji SKN i pęknięć zmęczeniowych nie dało wiarygodnych wskazań [1]. - stan namagnesowania uszkodzonych elementów nie przekraczał dopuszczalnego poziomu namagnesowania resztkowego pr < 40 A/m. W przypadku pękniętej łopatki stwierdzono wyraźny wpływ jej położenia na czułość detekcji lokalnych anomalii rys. 9. Natomiast w przypadku uszkodzonego wału śmigła stwierdzono zmniejszenie poziomu namagnesowania względem referencyjnego wału (silnika o analogicznym nalocie i przeciwnym kierunku obrotów śmigła) rys. 10. Powyższe spostrzeżenie częściowo tylko można wytłumaczyć zmniejszeniem naprężeń w wyniku propagacji pęknięcia. Przy stosowanych sondach nie uzyskano również symptomów lokalnego uplastycznienia na wierzchołku szczeliny, oczekiwanych z teorii mechaniki pękania. 140 10 100 z [A/m] Lokalne anomalie magnetyczne dh=+4 mm dh=0 mm dh=-4 mm 80 60 40 0 0 Pęknięcie -0-40 x [mm] -60 0 3 6 9 1 15 18 1 4 7 30 33 Rys. 9. Magnetogram łopatki sprężarki pękniętej podczas testu CF (sonda w pionie, poziome położenie łopatki, E-W (zamek)). 115

160 140 xz avg [A/m] cracked shaft healthly shaft 10 100 80 60 40 0 x [mm] 0-80 -70-60 -50-40 -30-0 -10 0 Rys. 10. Średnie namagnesowanie pękniętego i referencyjnego wału. Powyższe przykłady CF wskazują potrzebę doskonalenia stosowanych algorytmów i oprzyrządowania metody MPM. Na obecnym etapie badań uznano, że: - algorytmy i urządzenia firmy Energodiagnostyka nie gwarantują wiarygodnego rozpoznania pęknięć zmęczeniowych CF i VCF; - istnieją przesłanki teoretyczne i praktyczne do wykorzystania metody MPM w detekcji pęknięć CF i VCF. Do opracowania i weryfikacji nowych algorytmów detekcji SKN i pęknięć zmęczeniowych niezbędne jest skorelowanie wyników pomiarów metody MPM z symptomami diagnostycznymi innych metod badawczych, w tym z wizualizacji rozkładu domen magnetycznych rys. 11, z wykorzystaniem efektu Kerra [13, 14]. Rys. 11. Zastosowanie efektu Kerra do zobrazowania magnetyzacji wywołanej przez naprężenia [15] 116

7. Metoda MPM w systemach SM? Pomimo niepowodzenia metody MPM w obszarze badań nieniszczących CF, metoda jest bardzo interesująca dla systemów SM. Za jej atrakcyjnością przemawiają: - możliwość obserwacji kumulacji skutków rzeczywistych warunków pracy (przyczyny problemów zmęczeniowych krytycznych elementów); - niski koszt stacjonarnej miniaturowej sondy pola magnetycznego; - prosty tor pomiarowy (rejestracji i akwizycji danych); - łatwiejsze (względem zagadnień NDT) algorytmy analizy i interpretacji wyników pomiaru (metody statystyczne i analiza trendów średniego namagnesowania i lokalnych anomalii magnetycznych). Analiza danych SM musi jednak uwzględniać zjawiska magnetomechanicznych występujące podczas pracy maszyny tabela 1, oraz rzeczywiste warunki magnesowania badanego elementu w zewnętrznym polu magnetycznym (ziemskim, sąsiednich elementów) podczas pracy i postoju maszyny. Przykład. Wirnik sprężarki Quasi-statyczne badania MPM (stała pozycja sondy, ręczny obrót wirnika) wykonano dla krótkich łopatek wykonanych ze stali 18N4WA, zamontowanych w wirniku sprężarki silnika SO-3. Tarcze sprężarki wykonane są ze stali EI-736Sz (wg TU14-1-1089-74) - łopatki z tarczą nie tworzą magnetowodu. Ocenie podlegało zastane namagnesowanie 310 łopatek: - w pobliżu krawędzi natarcia i spływu (wzdłuż wysokości pióra); - na powierzchni wierzchołkowej pióra. przy częściowo zdemontowanym kadłubie sprężarki. Pomiary wykonano również w połowie odległości między kolejnymi stopniami sprężarki, w celu oceny wzajemnego oddziaływania palisad. Stwierdzono, że warunki magnesowania wirujących łopatek są bardziej złożone, niż w prostym modelu Dubowa-Własowa. Podczas pracy pióro łopatki podlega wielokierunkowemu magnesowaniu przez zmienne pole magnetyczne: - Ziemi (wpływ obrotu wirnika); - sąsiednich łopatek danego stopnia sprężarki - łopatek palisady kierownic poprzedniego i bieżącego stopnia. - dodatkowego punktowego źródła (czujnik indukcyjny systemu SNDŁ-1b/SPŁ-b, zamontowany nad łopatkami I stopnia sprężarki ( p = -10 ka/m na powierzchni czołowej czujnika i -75 ka/m przy minimalnym odstępie od powierzchni wierzchołkowej pióra łopatki). 8. Podsumowanie Dotychczasowe badania ITWL wykazały ograniczone możliwości zastosowania metody MPM do diagnozowania techniki lotniczej. Wiarygodne wyniki identyfikacji stanu technicznego drobnych elementów uzyskano tylko dla zmęczenia LCF i LCF+CF. Metoda MPM z obecnymi algorytmami detekcji nie gwarantuje właściwego rozpoznania pęknięć kruchych (CF, VCF), występujących szczególnie na elementach pracujących w złożonym stanie naprężeń. Na takich elementach pęknięcie kruche wykazuje tendencję do samoczynnego zamykania szczeliny, np. 50% zmiana w długości pęknięcia łopatki, wykrywanego metodą ultradźwiękową i wiroprądową, wystąpił już po 1 godz. postoju silnika. Proces detekcji SKN jest bardziej złożony dla drobnych elementów poddanych złożonemu stanowi naprężeń. Skończona objętość elementu ujawnia wyraźny wpływ warunków brzegowych (kształtu i rozmiaru) na rozkład namagnesowania. Mierzony rozkład pola magnetycznego ulega zmianie w zależności od położenia badanego elementu względem zewnętrznego pola magnetycznego (Ziemi, innych elementów). 117

Istnieją ograniczone możliwości zastosowania MPM do prognozowania resursu elementów podlegających okresowemu rozmagnesowaniu, np. po defektoskopii magnetycznej lub w remoncie. Badania wykonano w ramach projektu badawczego nr O N504 000534 finansowanego w latach 008-010 przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Literatura 1. Buch A. (1964), Zagadnienia wytrzymałości zmęczeniowej. PWN, Warszawa. Witos M. (008), Modal analysis as a high sensitive ndt method of compressor cracking blade, Proc. of 4 th European Workshop on Structural ealth Monitoring, Cracow, DEStech Publication, Inc. p. 963-970 3. Мужицкий В.Ф., Попов Б.Е., Безлюдько Г.Я., Зарудный В.В., Левин Е.А. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния стальных металлоконструкций грузоподъемных кранов. http://www.snr-ndt.com.ua/statya_eng.php?ppsessid=9t6c734mblp1usola3m86t905 4. Dubow A.A., Dubow Al.A., Kolokolnikow S.M. (004), Metoda magnetycznej pamięci metalu (MPM) i przyrządy kontroli. RESURS, Warszawa 5. Szymczak J. (008), Metoda magnetycznej pamięci metalu (MPM) rozpoznanie literaturowe, Sprawozdanie ITWL, Warszawa (nie publikowane) 6. Lupu N. (007), Magnetostriction vs. Magnetoelastic Effects, European School on Magnetism, Cluj-Napoca, Romania 7. Jiles D.C, Atherton D. L. (1984), Theory of the magnetisation process in ferromagnetics and its application to the magnetomechanical effects, J. Phys. D., Vol. 17, p. 165-181 8. Dapino M.J., Smith R.C., Calkins F.T., Flatau A.B., A magnetoelastic model for Villari -effect magnetostrictive sensors, E-mail: dapino.1@osu.edu 9. Власов В.Т., Дубов А.А.(004), Физические основы метода магнитной памяти mеталла, Moskwa 10 Muzhitskiy V.F., Krutikova L.A., Popov B.E., Bezlyudko G.Y., Magnetic inspection (by coercive force) of stressed state condition and residual resource of steel work. http://www.snr-ndt.com.ua/statya_eng.php?ppsessid=9t6c734mblp1usola3m86t905 11. Sujka W. (008), Badanie wybranych elementów konstrukcji lotniczej metodą magnetycznej pamięci metalu (MPM). Sprawozdanie ITWL, Warszawa (nie publikowane) 1. Witoś M., Wiśnioch M. (009), Применение метода магнитной памяти металла в системах схм вращающихся элементов, Пятая международная научно-техническая конференция "Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла", Москва 13. DiMarzio Ch., Sun Nian, Magneto-Optical Kerr Effect Microscope, Northeastern University, Electrical and Computer Engineering Department, Capstone 14. Oakberg Th. C., Magneto-optic Kerr effect. Application note, PEMlabs, http://www.hindsinstruments.com/ 15. http://www.ifw-dresden.de/institutes/imw/sections/4/for-picture-gallery/stress-inducedmagnetization-reversal 118