УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ЛОКАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF INTERNAL LOCAL MECHANICAL STRESSES IN STEEL STRUCTURES

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.
Известно устройство для ультразвуковой диагностики внутренних структур объекта, содержащее корпус, заполненный жидкостью, акустическое фокусирующее устройство, например линзу, преобразователь ультразвуковой энергии, к которому подключен блок возбуждения и блок приема и обработки информации, причем акустическое фокусирующее устройство и преобразователь вмонтированы в корпус и расположены на установленном расстоянии по отношению друг к другу, причем оно снабжено системой угловой ориентации ультразвукового луча относительно оси акустического фокусирующего устройства, устанавливаемого неподвижно относительно контролируемого объекта [патент СССР №860717, МПК G01N 29/04, 1981 г.].
Известное устройство позволяет сканировать внутреннюю структуру объекта и определять пространственные положения неоднородностей и дефектов. Однако с помощью этого устройства невозможно проводить измерения внутренних локальных механических напряжений в конструкционных материалах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является установка для определения механических напряжений в конструкционных материалах, содержащая корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде линзы, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем, и блок приема информации с регистрирующими датчиками, причем внутри корпуса, на противоположной стороне от блока приема информации, расположен элемент крепления, выполненный в виде пресса для исследуемого образца, с возможностью создания в нем механических напряжений, а в торце исследуемого образца установлен ультразвуковой преобразователь, с возможностью пропускания ультразвуковых колебаний вдоль исследуемого образца, на котором установлен сферический элемент, в направлении фокусирующего устройства, сверху на корпусе установлена съемная крышка, на которой с внутренней стороны расположены регулируемые акустические вогнутые линзы, при этом блок приема информации снабжен конусом, закрепленным на крышке корпуса, с возможностью перемещения и регулирования расстояния между регистрирующими датчиками. Регистрирующие датчики блока приема информации, подпружинены со стороны боковых поверхностей блока, а сам блок выполнен с возможностью регулирования по высоте. Между регистрирующими датчиками блока приема информации расположена конусная выемка, взаимодействующая с конусом. Акустические вогнутые линзы с одной стороны имеют гладкую поверхность, а с другой - рифленую, причем линзы в установке расположены рифленой стороной друг к другу, а гладкой поверхностью наружу [патент РФ №2465583, МПК G01N 29/04, 2012 г.].
Известное устройство имеет существенные недостатки, обусловленные тем, что сферический элемент, установленный на плоской поверхности образца, позволяет регистрировать эхо-сигналы от двух внутренних областей образца, которые находятся вблизи фокальной плоскости акустической линзы. При перемещении этой линзы вдоль ее главной акустической оси в направлении образца изменяются размеры указанных двух областей и расстояние между ними вследствие увеличения углов преломления рассеянных ультразвуковых волн на границе сферического элемента и иммерсионной жидкости. Это приводит к значительному увеличению ошибок в определении механических напряжений в конструкционных материалах. Поверхность образца может иметь произвольную форму, отличную от плоскости. Поэтому для образцов, имеющих разные формы, необходимо изготавливать соответствующие сферические элементы, поверхности которых, противоположные сферической, должны сопрягаться с поверхностью образца.
Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций и возможность его использования в условиях промышленного производства.
Это достигается тем, что устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений стальных конструкций, содержащее корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде линз, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем, и блок приема информации с регистрирующими датчиками, согласно изобретению корпус выполнен в виде металлической емкости с расположенными в нем одинаковыми акустическими линзами, ко дну корпуса, с наружной стороны, закреплены приемные пьезопреобразователи, расположенные на фокальной плоскости линз, а в верхней части корпус снабжен стальной пробкой со сферической поверхностью, направленной к акустическим линзам, при этом с наружной стороны пробка имеет глухое отверстие, в котором расположен литиевый цилиндр, верхний конец которого взаимодействует с исследуемой конструкцией, а снаружи он окружен индукционной катушкой, закрепленной в кольце-каркасе, взаимодействующем с дополнительно установленной опорной перекладиной, которая соединена с нижней перекладиной, а блок приема информации снабжен импульсным генератором, двумя широкополосными усилителями, резистором, аналогово-цифровым преобразователем и персональным компьютером.
Литиевый цилиндр снабжен оболочкой из полипропилена.
Кольцо-каркас взаимодействует с опорной перекладиной посредством болтов с пружинами, работающих на сжатие.
Опорная перекладина соединена с нижней перекладиной с помощью штанг.
Нижняя перекладина снабжена по центру рукояткой с поворотным винтом, который ввинчен в консоль, соединенной посредством направляющих стержней со струбцинами, расположенными в периферийной части стальной конструкции и снабженными фиксаторами, на направляющие стержни нанесены миллиметровые шкалы.
Наличие литиевого цилиндра в оболочке из полипропилена, расположенного в глухом отверстии со сферической поверхностью, направленной к акустическим линзам, индукционной катушки, предназначенной для расплавления литиевого цилиндра, опорной перекладины позволяет сопрягать торец литиевого цилиндра с формой поверхности несущей конструкции. А наличие двух широкополосных усилителей, соединенных с двумя приемными пьезопреобразователями, резистора, аналогово-цифрового преобразователя и персонального компьютера позволяет повысить точность измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций и использовать устройство для применения в условиях промышленного производства.
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует причинно-следственная связь.
Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций состоит из акустомеханической установки и электронного устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид устройства для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций; на фиг.2 изображен разрез верхней части устройства; на фиг.3 -  разрез нижней части устройства; на фиг.4 - вид A (фиг.3) устройства; на фиг.5 - блок приема информации.
Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций - общий вид (фиг.1) содержит акустомеханическую установку 1, блок приема информации 2, металлическую емкость 3 с иммерсионной жидкостью 4, в которой расположены две одинаковые собирающие акустические линзы 5, изготовленные из органического стекла. Дно 6 емкости 3 снабжено приемными пьезопреобразователями 8 и 9 с уплотнительными кольцами 10. Рабочие поверхности приемных пьезопреобразователей 8 и 9 установлены на фокальной плоскости системы акустических линз 5. Металлическая емкость 3 (фиг.2) ввинчена в опорную перекладину 11 и закрыта стальной пробкой 12 со сферической поверхностью, направленной к вогнутой сферической поверхности акустической линзы 5. Стальная пробка 12 снабжена уплотнительным кольцом 13. В глухом отверстии стальной пробки 12 находится литиевый цилиндр 14 в оболочке из полипропилена. Болты 15 с пружинами 16 удерживают кольцо 17, являющееся каркасом для индукционной катушки 18. Штанги 19 соединяют опорную перекладину 11 с нижней перекладиной 20 с помощью гаек 21 (фиг.3). В нижнюю перекладину 20 вставлен поворотный винт 22, закрепленный шайбой 23 и гайкой 24. Поворотный винт 22 ввинчен в консоль 25. На поворотном винте 22 установлена рукоятка 26, закрепленная гайкой 27 (фиг.3). Направляющие стержни 28 вставлены в консоль 25 и закреплены гайками 29. На направляющих стержнях нанесены миллиметровые шкалы 30. Струбцины 31 (фиг.2) навинчены на направляющие стержни 28.
Акустомеханическая установка 1 закреплена на конструкции 32 с помощью болтов 33, ввинченных в струбцины 31. На торце конструкции 32 установлен генерирующий пьезопреобразователь 34.
Блок приема информации (фиг.5) содержит генерирующий пьезопреобразователь 34, импульсный генератор 35, приемные пьезопреобразователи 8 и 9, широкополосные усилители 36 и 37, резистор 38, аналогово-цифровой преобразователь 39 и персональный компьютер 40.
Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях работает следующим образом.
Металлическая емкость 3 заполняется иммерсионной жидкостью 4 (фиг.2). При температурах выше 0°C в качестве иммерсионной жидкости служит вода, а при температурах ниже 0°C - н-пентан и другие незамерзающие жидкости с малым затуханием ультразвука. В металлической емкости 3 устанавливаются две одинаковые собирающие акустические линзы 5, изготовленные из органического стекла. Ко дну 6 с уплотнительным кольцом 7 металлической емкости 3 ввинчиваются приемные пьезопреобразователи 8 и 9 с уплотнительными кольцами 10. Рабочие поверхности пьезопреобразователей 8 и 9 устанавливаются на фокальной плоскости системы акустических линз 5. Металлическая емкость 3 (фиг.2) ввинчивается в опорную перекладину 11 и закрывается стальной пробкой 12 со сферической поверхностью и уплотнительным кольцом 13. Литиевый цилиндр 14 в оболочке из полипропилена устанавливается в глухом отверстии стальной пробки 12. Болты 15 вставляются в отверстия опорной перекладины 11. На болты 15 надеваются пружины 16. Болты 15 ввинчиваются в кольцо 17, являющееся каркасом для индукционной катушки 18. Опорную перекладину 11 соединяют с нижней перекладиной 20 с помощью штанг 19 и гаек 21 (фиг.3). В нижнюю перекладину 20 вставляется поворотный винт 22, который закрепляется шайбой 23 и гайкой 24. Поворотный винт 22 ввинчивается в консоль 25, и на поворотный винт 22 устанавливается рукоятка 26, которая закрепляется гайкой 27. Направляющие стержни 28 с миллиметровыми шкалами 30 вставляются в консоль 25 и закрепляются гайками 29. Струбцины 31 (фиг.2) навинчиваются на направляющие стержни 28. Акустомеханическая установка 1 закрепляется на конструкции 32 с помощью болтов 33, ввинченных в струбцины 31. На торце конструкции 32 устанавливается генерирующий пьезопреобразователь 34.
1
2
В начальном положении установки фокус F системы двух акустических линз 5 находится внутри литиевого цилиндра 14 вблизи поверхности конструкции 32 (фиг.2). На индукционную катушку 18 подается переменное напряжение, и литий, имеющий температуру плавления 180°C, плавится вблизи конструкции 32. Вместе с литием происходит плавление полипропилена, температура плавления которого 175°C. Оболочка из полипропилена предохраняет литий от окисления. Затем литиевый цилиндр 14 вдавливается в конструкцию 32 посредством вращения поворотного винта 22 с помощью рукоятки 26 (фиг.3). Торец литиевого цилиндра 14 принимает форму поверхности конструкции 32 (фиг.2). Фокус системы акустических линз 5 перемещается в положение F′. Затем выключается переменное напряжение, подаваемое на индукционную катушку 18. После остывания лития на генерирующий пьезопреобразователь 34 подаются импульсы напряжения с высокочастотным заполнением f и частотой повторения f от импульсного генератора 35 (фиг.5). Продольные ультразвуковые волны распространяются со скоростью V внутри конструкции 32 (фиг.2). Эти волны рассеиваются частицами стали, находящимися во внутренних областях 41 и 42, которые расположены вблизи фокальной плоскости 43 системы акустических линз 5. Рассеянные ультразвуковые волны проходят через литиевый цилиндр 14, стальную пробку 12, иммерсионную жидкость 4, систему акустических линз 5 и регистрируются приемными пьезопреобразователями 8 и 9. При этом ультразвуковые волны, рассеянные от внутренней области 41, регистрируются приемным пьезопреобразователем 8, а волны, рассеянные от области 42, - приемным пьезопреобразователем 9. Скорости продольных ультразвуковых волн в конструкционных сталях составляют от 5850 до 5930 м/с, а в литии - 6000 м/с. Поэтому продольные ультразвуковые волны на границе литий-сталь испытывают малые преломления.
2
2
2
Ультразвуковые эхо-сигналы, регистрируемые приемными пьезопреобразователями 8 и 9, усиливаются широкополосными усилителями  соответственно 36 и 37 (фиг.5), нагруженными на резистор 38, с которого напряжение подается на аналогово-цифровой преобразователь 39. Оцифрованные импульсные сигналы поступают в персональный компьютер 40, который проводит расчет амплитуд и фаз вторых гармоник ряда Фурье последовательности импульсов методом быстрого преобразования Фурье с периодом дискредитации Т=1/f, где f - частота повторения импульсов.
2
1
2
Изменяя частоту повторения ультразвуковых импульсов, достигают значения f=f/2, при котором амплитуды вторых гармоник ряда Фурье не равны нулю, а фазы этих гармоник претерпевают изменение на π радиан. Эта частота f соответствует определенному значению скорости ультразвука V, которая зависит от механического напряжения во внутренней области материала.
2
Размеры внутренних областей 41 и 42, от которых регистрируются эхо-сигналы, и расстояние между этими областями равны, соответственно, размерам рабочих поверхностей приемных пьезопреобразователей 8 и 9, а также расстоянию между ними. При деформировании стали под действием нагрузки не изменяются размеры этих внутренних областей стали и расстояние между ними. Поэтому при фиксированных положениях рабочих поверхностей приемных пьезопреобразователей и расстоянии между ними можно непосредственно измерять зависимость локального механического напряжения σ от частоты повторения f ультразвуковых импульсов.
2
2
2
2
Для определения зависимости механического напряжения σ от частоты повторения ультразвуковых импульсов f необходимо использовать образец стали, имеющий форму цилиндра, при растяжении или сжатии которого в нем возникают однородные напряжения. Из экспериментальных данных находится функция σ=F(f). После чего измеряется частота f во внутренней области конструкции, изготовленной из той же стали и имеющей произвольную форму. По найденной частоте повторения ультразвуковых импульсов f определяется локальное механическое напряжение внутри стальной конструкции, подверженной нагрузкам.
Применение предлагаемого устройства для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях позволит с более высокой точностью измерять величины внутренних локальных напряжений в элементах стальных конструкций, подверженных нагрузкам в условиях промышленного производства.