Please use this identifier to cite or link to this item: http://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/54812
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.authorПлєснецов, Сергій Юрійовичuk
dc.date.accessioned2021-11-12T11:38:47Z-
dc.date.available2021-11-12T11:38:47Z-
dc.date.issued2021-
dc.identifier.citationПлєснецов С. Ю. Розвиток методів та засобів для електромагнітно-акустичного контролю стрижневих, трубчастих та листових металовиробів [Електронний ресурс] : дис. ... д-ра техн. наук : спец. 05.11.13 : галузь знань 15 / Сергій Юрійович Плєснецов ; наук. консультант Сучков Г. М. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2021. – 381 с. – Бібліогр.: с. 330-367. – укр.uk
dc.identifier.urihttp://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/54812-
dc.description.abstractДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин (15 – автоматизація та приладобудування). – НТУ "ХПІ", Харків, 2021. Дисертаційну роботу спрямовано на вирішення важливої науково-практичної проблеми зі створення основних положень збудження та прийому імпульсів ультразвукових поверхневих та нормальних хвиль в листах, трубах та стрижнях, виготовлених переважно з феромагнітного матеріалу, методів та засобів для контролю та діагностики таких металовиробів. В роботі проведено аналіз існуючих теоретичних, модельних та експериментальних досліджень, методів та засобів безконтактного електромагнітно-акустичного контролю металовиробів, визначені їх недоліки та можливості застосування для подальшого удосконалення методів та засобів контролю та діагностики. Визначено перспективність розробки та використання нових типів електромагнітно-акустичних перетворювачів (ЕМАП). Встановлено перспективність використання хвиль Релея, Лемба та хвиль нормального типу для дефектоскопії та діагностики. Підтверджено високу економічну ефективність використання електромагнітно-акустичних перетворювачів для контролю листів, труб та стрижнів, виготовлених переважно з феромагнітного матеріалу. Розроблено математичну модель електромагнітно-акустичного перетворення електромагнітної енергії в акустичну, переважно для феромагнітних металів, що містить пов'язані між собою хвильове рівняння, рівняння Максвелла і узагальнений закон Ома в диференціальній формі. У математичної моделі комплексно враховані характеристики електромагнітно-акустичного перетворювача, параметри збуджуваних сигналів і властивості досліджуваного матеріалу. На підставі встановлених зав'язків сформульовані концептуальні підходи щодо вирішення завдання конструювання ЕМА перетворювачів для збудження ультразвукових коливань. Визначено вихідні положення, необхідні і достатні для знаходження характеристик зсувів пружних коливань, збуджених способом електромагнітно-акустичного перетворення. Встановлено, що збільшення розмірів високочастотної котушки перетворювача призводить до звуження смуги збуджуваних частот, в якій відбувається ефективне перетворення електромагнітної енергії в енергію крутильних ультразвукових коливань. Проведено математичне моделювання прохідного електромагнітно-акустичного перетворювача для збудження крутильних недиспергуючих пружних коливань в трубчатоподобних феромагнітних виробах з урахуванням характеристик перетворювача, властивостей об'єкта досліджень і взаємного розташування ЕМАП і виробу, яким показана необхідність поетапного знаходження взаємопов'язаних електромагнітних полів в різних областях моделі ЕМАП з урахуванням всіх факторів, що впливають на конструкцію прохідного перетворювача. Знайдено рішення загального диференціального рівняння шляхом визначення значень електромагнітних полів в області між котушкою збудження перетворювача і трубчастим виробом. Визначена хвильова характеристика джерела змінного магнітного поля ЕМАП. Створено алгоритми перетворення сигналів, які реалізуються в процесі прийому та реєстрації ультразвукових хвиль в металах електромагнітним способом. Доведено теореми про наведений магнітний потік для металів неферомагнітної групи і феромагнетиків. На підставі цих теорем побудовані математичні моделі процесів реєстрації ультразвукових хвиль електромагнітним способом. Знайдено рішення диференційного рівняння вимушених крутильних коливань в електропровідному феромагнітному стрижні (трубці), попередньо намагніченому в окружному напрямку, у вигляді виразу для лінійної щільності зовнішніх моментів, що крутять. Отримано вираз для розрахунку амплітуд кутів поворотів поперечних перерізів у фронті розповсюджуючоїся бігучої недиспергуючої крутильної хвилі через абсолютну чутливість, коефіцієнт інтерференційних втрат і коефіцієнт втрат ефективності збудження крутильних хвиль, обумовлений вихровими струмами (скін-ефектом). Вираз враховує повний набір геометричних і фізико-механічних властивостей матеріалу полого феромагнітного стрижня, котушок і центрального провідника електричного струму, що дозволяє проектувати електромеханічні перетворювачі з урахуванням особливостей контрольованих трубчастих металовиробів. Визначено в явному вигляді вирази для розрахунку силових факторів, які виникають при електромагнітному збудженні ультразвукових хвиль в струмопровідному аксіально намагніченому скін-шарі феромагнетика. Виконано оцінку збільшення механічної жорсткості попередньо намагніченого феромагнетика за рахунок сумісної дії сил пружності і сил магнітної взаємодії між полюсами доменів в деформуємому тонкому шарі феромагнетика (ΔE-ефект). Визначено межі, при яких ΔE-ефект можна не враховувати у практичних розрахунках. На підставі оцінок числових значень ΔE-ефекту запропоновано метод послідовних наближень для розв'язання граничної задачі про перетворення високочастотного електромагнітного поля у поле пружних хвиль в мікротовщинних шарах металів феромагнітної групи. В роботі показано, що основний внесок у фізичне перетворення електромагнітного поля в ультразвукові коливання вносять пондеромоторні сили електромагнітного поля і сили Джоуля, які відповідають пружним деформаціям, що виникають в результаті прояву прямого магнітострикційного ефекту в мікротовщинному шарі феромагнітного металу. Встановлено, що при оптимальному виборі величини постійного поля підмагнічування, сили Джоуля чотирикратно перевершують пондеромоторні сили, створювані електромагнітним полем. Зворотно-пропорційний зв'язок частоти електромагнітного поля і товщини скін-шару феромагнітного матеріалу, в якому відбувається перетворення, дозволяє здійснювати пошаровий контроль і визначати фізичні і пружні властивості матеріалу шляхом зміни частоти струму, що живить сенсор. Радіально орієнтовані сили Джоуля в аксіально намагніченому тонкому поверхневому шарі феромагнетика на частотах порядку 1 МГц практично в 30 разів перевершують аксіально орієнтовані сили, тобто є домінуючими при формуванні ультразвукових високочастотних коливань. При виконанні роботи розроблено та створено макети генератора та підсилювача на базі силових IGBT транзисторів для живлення високочастотних електромеханічних перетворювачів, призначених для використання у складі вимірювальної, контрольної та діагностичної техніки та запропоновано варіант практичної реалізації генератора потужних радіоімпульсів струму на базі силових IGBT транзисторів типу IRG4PC50F, який забезпечує в котушці індуктивності високочастотного електромеханічного перетворювача струми величиною до 450 A в діапазоні частот 1...3 МГц при тривалості пакетного імпульсу живлення 1...20 періодів заповнення використовуваної частоти. Показано, що генератор потужних радіоімпульсів струму (ГПРС) забезпечує істотне збільшення струму в високочастотній котушці при живленні резонансного ЕМА перетворювача, підвищуючи таким чином коефіцієнт перетворення електромагнітної енергії в високочастотну механічну в електропровідних, неелектропровідних і феромагнітних виробах і матеріалах. Обґрунтовано концепцію побудови підсилювачів потужних високочастотних імпульсів з регульованими параметрами, призначених для застосування в системах безконтактного ультразвукового контролю і в установках, що використовують метод магнітного ядерного резонансу або електронного парамагнітного резонансу при дослідженнях організму людини, а також в вимірювальних приладах. Розроблено схемотехнічне рішення зі створення потужного високочастотного підсилювача зондуючого сигналу для живлення ЕМА перетворювача, який забезпечує на генеруючої обмотці датчика достатню напругу для збудження акустичного сигналу в умовах великого зазору між ЕМАП і об'єктом контролю. В ході виконання дисертаційної роботи розроблено фізичні основи створення безконтактних ультразвукових частотних сенсорів, що перетворюють високочастотне регульоване електромагнітне поле в поле пружних коливань в обсязі мікротовщинного шару електропровідного феромагнетика, що динамічно деформується з урахуванням зв'язаності пружних і магнітних полів, які дозволяють безконтактно контролювати і визначати фізичні властивості наноструктурованих і плівкових матеріалів за допомогою ультразвукових хвиль. Визначена роль внутрішнього магнітного поля в процесі формування рівня електричного сигналу на виході перетворювача-приймача ультразвукових хвиль. Показано, що ігнорування факту існування внутрішнього магнітного поля може привести до підвищеної (в десятки разів) оцінки рівня вихідного електричного сигналу перетворювача електромагнітного типу. Сукупність викладених принципів і методів становить теоретичну основу розрахунку перетворювачів електромагнітного типу в режимах збудження і прийому ультразвукових хвиль у феромагнітних металах і в металах неферомагнітної групи. Експериментально встановлена можливість виявлення дефектів глибиною 0,1…1,2 мм на поверхні та під поверхнею виробу імпульсами ультразвукових поверхневих хвиль, які збуджуються і приймаються електромагнітно-акустичними перетворювачами на відстанях до 8 м, залежно від стану поверхні виробу з плоскою або криволінійною поверхнею, при частотах ультразвукових коливань у діапазоні 0,2…1 МГц, тривалості зондуючих пакетних імпульсів 6-8 періодів частоти заповнення високочастотним струмом силою до 200 А в котушці ЕМАП. Показано, що дефекти під поверхнею металовиробів можуть виявлятися на глибинах залягання більших, ніж величина довжини хвилі Релея. Розроблено 12 методів ультразвукового контролю та 14 конструкцій електромагнітно-акустичних перетворювачів, які дозволяють проводити виявлення дефектів листів, труб та стрижнів невеликого діаметру. Розроблено фізико-математичну модель прохідного електромагнітно-акустичного перетворювача для збудження (прийому) крутильних недиспергуючих пружних коливань. Основу моделі складають дві зустрічно включених по магнітному полю котушки і джерело магнітного поля у вигляді провідника зі струмом. У розробленій моделі враховано вплив геометричних розмірів котушок перетворювача і виробу, їх взаємного розташування, а також фізико-механічних характеристик матеріалу досліджуваного металовиробу. Перетворювачі такого типу призначені для контролю якості, діагностики, вимірювання фізико-механічних характеристик матеріалу трубчастих металовиробів.uk
dc.description.abstractThe dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of technical sciences on a specialty 05.11.13 – Devices and methods of the control and definition of structure of substances (15 – automation and instrument making). – NTU "KhPI", Kharkiv, 2021. The dissertation is aimed at solving an important scientific and practical problem of creating the basic provisions of excitation and reception of pulses of ultrasonic surface and normal waves in sheets, tubes and rods, made mainly of ferromagnetic material, methods and tools for control and diagnosis of such hardware. The analysis of the existing theoretical, model and experimental researches, methods and means of non-contact electromagnetic-acoustic control of metal products is carried out, their shortcomings and possibilities of application for further improvement of methods and means of control and diagnostics of metal products are defined. The prospects of development and use of new types of EMAP are determined. The prospects of using Rayleigh, Lamb and normal type waves for defectoscopy and diagnostics have been established. The high economic efficiency of using electromagnetic-acoustic transducers for control of sheets, pipes and rods made mainly of ferromagnetic material is confirmed. A mathematical model of electromagnetic-acoustic conversion of electromagnetic energy into acoustic, mainly for ferromagnetic metals, has been developed, which contains interconnected wave equation, Maxwell’s equation and generalized Ohm’s law in differential form. The mathematical model comprehensively takes into account the characteristics of the electromagnetic-acoustic transducer, the parameters of the excited signals and the properties of the investigated material. Based on the established connections, conceptual approaches to solving the problem of designing EMA transducers for the excitation of ultrasonic vibrations are formulated. The initial positions necessary and sufficient for finding the characteristics of the displacements of elastic oscillations excited by the method of electromagnetic-acoustic transformation are determined. It is established that the increase in the size of the high-frequency coil of the converter leads to a narrowing of the excited frequency band, in which there is an effective conversion of electromagnetic energy into the energy of torsional ultrasonic vibrations. Mathematical modeling of the electromagnetic-acoustic transducer for excitation of torsional non-dispersive elastic oscillations in tubular ferromagnetic products is carried out taking into account the characteristics of the transducer, properties of the object of research and mutual arrangement of EMAP and the product. taking into account all the factors influencing the design of the transducer. The solution of the general differential equation is found by determining the values of electromagnetic fields in the region between the excitation coil of the converter and the tubular product. The wave characteristic of the source of the alternating magnetic field EMAP is determined. Algorithms for signal conversion have been developed, which are implemented in the process of receiving and registering ultrasonic waves in metals by the electromagnetic method. Theorems on the induced magnetic flux for nonferromagnetic metals and ferromagnets are proved. On the basis of these theorems mathematical models of processes of registration of ultrasonic waves by the electromagnetic way are constructed. The solution of the differential equation of forced torsional oscillations in an electrically conductive ferromagnetic rod (tube), pre-magnetized in the circumferential direction, is found in the form of an expression for the linear density of external torques. An expression is obtained for calculating the amplitudes of rotation angles of cross sections in the front of a propagating traveling non-dispersing torsional wave due to absolute sensitivity, interference loss coefficient and torsional wave excitation efficiency loss factor due to eddy currents (skin effect). The expression takes into account the full set of geometric and physico-mechanical properties of the material of the hollow ferromagnetic rod, coils and the central conductor of electric current, which allows you to design electromechanical transducers taking into account the characteristics of controlled tubular hardware. Expressions for the calculation of force factors that occur during electromagnetic excitation of ultrasonic waves in a conductive axially magnetized skin layer of a ferromagnet are defined explicitly. The increase in the mechanical stiffness of the pre-magnetized ferromagnet due to the associated action of elastic forces and magnetic interaction forces between the poles of the domains in the deformable thin layer of the ferromagnet (ΔE effect) is estimated. The limits at which the ΔE effect can be ignored in practical calculations are determined. Based on the estimates of the numerical values of the ΔE-effect, the method of sequential approximations to solve the boundary value problem of converting a highfrequency electromagnetic field into an elastic wave field in the microthick layers of ferromagnetic metals. The paper shows that the main contribution to the physical transformation of the electromagnetic field into ultrasonic oscillations is made by ponderomotor forces of the electromagnetic field and Joule forces, which correspond to elastic deformations resulting from the direct magnetostrictive effect in the microthick layer of ferromagnetic metal. It is established that with the optimal choice of the value of the constant field of magnetization, the Joule forces are four orders of magnitude greater than the ponderomotor forces created by the electromagnetic field. The inverse relationship between the frequency of the electromagnetic field and the thickness of the skin layer of the ferromagnetic material in which the conversion takes place, allows layer-by-layer control and determine the physical and elastic properties of the material by changing the frequency of the current supplying the sensor. The radially oriented Joule forces in the axially magnetized thin surface layer of the ferromagnet at frequencies of the order of one megahertz are almost thirty times greater than the axially oriented forces, ie, are dominant in the formation of ultrasonic high-frequency oscillations. During the work the models of generator and amplifier on the basis of power IGBT transistors for power supply of high-frequency electromechanical converters intended for use as a part of measuring, control and diagnostic equipment are developed and the variant of practical realization of generator of powerful radio pulses of current provides in the inductor of the high-frequency electromechanical converter currents up to 450 A in the frequency range 1...3 MHz with the duration of the packet power pulse 1...20 periods of filling the frequency used. It is shown that GPRS provides a significant increase in current in the high-frequency coil when powering the resonant EMA converter, thus increasing the conversion factor of electromagnetic energy into high-frequency mechanical in electrically conductive, electrically conductive and ferromagnetic products and materials. The concept of construction of high-frequency pulse amplifiers with adjustable parameters, intended for use in contactless ultrasonic control systems and in installations using the method of magnetic nuclear resonance or electronic paramagnetic resonance in human studies, as well as in measuring devices is substantiated. A circuit solution for creating a powerful high-frequency amplifier of the probing signal to power the EMA converter, which provides a sufficient voltage on the generating winding of the sensor to excite the acoustic signal in a large gap between the EMAP and the control object. In the course of the dissertation the physical bases of creation of contactless ultrasonic frequency sensors transforming a high-frequency regulated electromagnetic field into a field of elastic oscillations in the volume of a microthick layer of an electrically conductive ferromagnet which is dynamically deformed taking into account connectivity of elastic and magnetic properties of nanostructured and film materials using ultrasonic waves. The role of the internal magnetic field in the process of forming the level of the electric signal at the output of the transducer-receiver of ultrasonic waves is determined. It is shown that ignoring the fact of the existence of an internal magnetic field can lead to an increased (tens of times) assessment of the level of the output electrical signal of the electromagnetic transducer. The set of the stated principles and methods forms a theoretical basis of calculation of converters of electromagnetic type in the modes of excitation and reception of ultrasonic waves in ferromagnetic metals and in metals of nonferromagnetic group. The possibility of detecting defects with a depth of 0.1…1.2 mm on the surface and below the surface by pulses of ultrasonic surface waves, which are excited and received by electromagnetic-acoustic transducers at distances up to 8 m, depending on the surface of the product with a flat or curved surface, at ultrasonic frequencies of oscillations in the range of 0.2…1 MHz, the duration of the probing packet pulses of 6-8 periods of the frequency of filling with high-frequency current up to 200 A in the EMAP coil. It is shown that defects under the surface of metal products can be detected at depths greater than the value of the Rayleigh wavelength. 12 methods of ultrasonic control and 14 designs of electromagnetic-acoustic transducers which allow to carry out detection of defects of sheets, pipes and cores of small diameter are developed. A physico-mathematical model of a bushing electromagnetic-acoustic transducer for excitation (reception) of torsional non-dispersive elastic oscillations has been developed. The basis of the model consists of two coils oppositely connected by a magnetic field and the source of the magnetic field in the form of a conductor with current. The developed model takes into account the influence of the geometric dimensions of the coils of the converter and the product, their mutual location, as well as the physical and mechanical characteristics of the material of the investigated metal product. Converters of this type are intended for quality control, diagnostics, measurement of physical and mechanical characteristics of material of tubular metal products.en
dc.language.isouk-
dc.publisherНаціональний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"uk
dc.subjectдисертаціяuk
dc.subjectелектромагнітно-акустичний перетворювачuk
dc.subjectприйомuk
dc.subjectзбудженняuk
dc.subjectультразвукові коливанняuk
dc.subjectкрутильні хвиліuk
dc.subjectхвилі Релеяuk
dc.subjectхвилі Лембаuk
dc.subjectпідвищення чутливостіuk
dc.subjectсила Лоренцаuk
dc.subjectпондеромоторна силаuk
dc.subjectгенератор потужних радіоімпульсів струмуuk
dc.subjectelectromagnetic-acoustic transduceren
dc.subjectreceptionen
dc.subjectexcitationen
dc.subjectultrasonic oscillationsen
dc.subjecttorsional wavesen
dc.subjectRayleigh wavesen
dc.subjectLamb wavesen
dc.subjectsensitivity increaseen
dc.subjectLorentz forceen
dc.subjectponderomotor forceen
dc.subjectgenerator of powerful current radio pulsesen
dc.titleРозвиток методів та засобів для електромагнітно-акустичного контролю стрижневих, трубчастих та листових металовиробівuk
dc.title.alternativeDevelopment of methods and tools for electromagnetic and acoustic control of rod, tubular and sheet metal productsen
dc.typeThesisen
thesis.degree.nameдоктор технічних наукuk
thesis.degree.levelдокторська дисертаціяuk
thesis.degree.discipline05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовинuk
thesis.degree.departmentСпеціалізована вчена рада Д 64.050.09uk
thesis.degree.grantorНаціональний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"uk
thesis.degree.advisorСучков Григорій Михайловичuk
thesis.degree.committeeMemberГурин Анатолій Григоровичuk
thesis.degree.committeeMemberСучков Григорій Михайловичuk
thesis.degree.committeeMemberКостюков Іван Олександровичuk
dc.subject.udc620.179.16-
Appears in Collections:05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин"

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
tytul_dysertatsiia_2021_Pliesnetsov_Rozvytok_metodiv.pdfТитульний лист, анотації, зміст683,02 kBAdobe PDFView/Open
literatura_dysertatsiia_2021_Pliesnetsov_Rozvytok_metodiv.pdfСписок використаних джерел399,93 kBAdobe PDFView/Open
vidhuk_Taranenko_Iu_K.pdfВідгук2,42 MBAdobe PDFView/Open
vidhuk_Lopatin_V_V.pdfВідгук11,19 MBAdobe PDFView/Open
vidhuk_Zashchepkina_N_M.pdfВідгук3,35 MBAdobe PDFView/Open
Show simple item record  Google Scholar



Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.