СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИЗГИБНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
METHOD OF DETECTING BENDING STRESS

Предлагаемое изобретение относится к области магнитной дефектоскопии в промышленности и на транспорте, в частности, может быть использовано в целях обнаружения избыточных изгибных напряжений в рельсовом пути, в металлических профилях промышленных конструкций, трубопроводах и других протяженных деталей и объектов, непосредственно при их эксплуатации, в том числе, без снятия нагрузки (без разборки), имеющих сечение простой симметричной конфигурации и изготовленных из однородного ферромагнитного материала.
Нормальная эксплуатация рельсов, трубопроводов и других силовых конструкций зависит от состояния материала, в частности, от внутренних механических напряжений в материале, возникающих при изменении условий эксплуатации, окружающей среды, усталости материала, которые в дальнейшем могут привести к различного рода дефектам в материале, а также вызвать, например, не предусмотренные технологией перемещения рельсов железнодорожного пути и строительных конструкций, приводящих к различного рода авариям, например к разрушениям рельсов и конструкций, к выбросам бесстыкового железнодорожного пути [1, 2]. Из многих причин, вызывающих указанные процессы, рассмотрим только те, которые связаны с продольными изгибами протяженных изделий, изготовленных из однородного ферромагнитного материала и имеющих симметричную форму сечения профилей (круг, квадрат, прямоугольник и другие стандартные формы проката).
Существующие способы практического контроля механических напряжений в силовых установках и конструкциях основаны на постоянных наблюдениях, трудоемких и дорогостоящих процедурах по выявлению магнитных аномалий, непосредственно предшествующих появлению дефектов в материале изделия [3, 4, 5]. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ магнитной дефектоскопии [6], но он не учитывает изгибные напряжения в материале изделия, изменяющие магнитные свойства материала.
Предлагаемый способ решает задачу обнаружения изгибных напряжений протяженных деталей, изготовленных из ферромагнитного однородного материала, имеющих симметричную форму сечений профилей, при их эксплуатации в различного рода конструкциях.
Поставленная задача обнаружения изгибных напряжений протяженных деталей решается тем, что намагничивание деталей осуществляют с последовательным образованием двух явно выраженных полюсов магнитного поля на оси симметрии профилей сечений по всей длине исследуемого образца (или путем пропускания по ним тока, создающего требуемое магнитное поле относительно оси симметрии образца). Тогда, при однородности ферромагнитного материала образца магнитная индукция на границах поперечного сечения образца в точках, симметричных друг другу относительно оси симметрии поперечного сечения образца, при отсутствии продольных изгибных напряжений образца будет равной. При возникновении продольных изгибных напряжений в образце происходит следующее: слои в материале образца, обращенные внутрь изгиба, будут сжиматься, а слои в материале образца, обращенные наружу изгиба образца, будут растягиваться, поэтому величина магнитной индукции на границах изделия в этих же точках будет отличаться друг от друга согласно эффекту Виллари [7].
p
c
p
c
г1
г2
п1
п2
В случае положительного эффекта Виллари величина индукции магнитного поля в точке на границе поперечного сечения образца на участке растяжения образца будет больше, а в симметричной ей точке этого же сечения образца относительно оси симметрии на участке сжатия образца будет меньше, чем ранее до возникновения напряжения в образце в обеих точках, т.е. величина индукции магнитного поля в точке поперечного сечения образца при растяжении В будет больше величины магнитной индукции в симметричной ей точке того же сечения образца при сжатии В(В>В). Измеряя величину индукции магнитного поля вдоль длины изделия в характерных (указанных выше) точках, выбираемых в зависимости от профиля сечения изделия, по разности индукций в симметричных точках определяем место (участок) изгибных напряжений в материале изделия, обнаруживаем направление изгиба и оцениваем величину напряжений. При сложных профилях поперечного сечения изделия, например, у рельсов потребуется измерение магнитной индукции в двух парах характерных точек при намагничивании по вертикальной оси симметрии профиля рельсов для создания симметричного магнитного поля с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии профиля рельсов, рис.1. На рисунке 1 указаны две пары характерных точек, лежащих на границе поперечного сечения рельсов, симметричных друг другу относительно оси симметрии сечения, являющейся осью намагничивания; введены следующие обозначения: величина индукции магнитного поля для симметричной пары точек головки рельса B и В, для симметричной пары точек подошвы рельса B и В, где индекс «1» относится к левой части от оси симметрии, индекс «2» к правой части от оси симметрии.
По результатам этих измерений обнаруживаем и оцениваем следующие основные варианты изгибных напряжений:
г1
г2
п1
п2
1) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал растянут, справа - сжат: В>В, B>В или
г
г1
г2
п
п1
п2
δ=В-В>0, δ=B-В>0;
г1
г2
п1
п2
2) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал сжат, справа - растянут: B<В, B<В или
г
г1
г2
п
п1
п2
δ=В-В<0, δ=В-В<0;
г1
г2
п1
п2
г1
п1
г2
п2
3) изгиб рельса в вертикальной плоскости, материал головки рельса растянут, материал подошвы рельса сжат: В=В, В=В, В>В, В>В или
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
δ=В-B>0, δ=В-В>0, δ=δ;
г1
г2
п1
п2
г1
п1
г2
п2
4) изгиб в вертикальной плоскости, материал головки рельса сжат, материал подошвы рельса растянут: В=В, B=В, В<В, В<В или
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
δ=В-B<0, δ=В-В<0, δ=δ.
Комбинированные продольные изгибы рельсов идентифицируются по приведенным выше соотношениям. Моделирование магнитных полей рельсов при намагничивании постоянными магнитами и при пропускании электрического тока по ним подтверждают приведенные соотношения. Для сечений других профилей при моделировании получены аналогичные результаты.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Намагничивание исследуемого объекта осуществляется путем образования двух явно выраженных магнитных полюсов на выбранной оси симметрии профиля поперечного сечения объекта в целях создания симметричного магнитного поля относительно выбранной оси симметрии. Разрешающей способностью магнитометра, привлекаемого к измерениям величины магнитной индукции, определяется потребная степень намагничивания или остаточная напряженность магнитного поля. Длина участка намагничивания исследуемого объекта выбирается таким образом, чтобы в зоне работы датчика магнитометра было получено достаточно сильное однородное магнитное поле, отвечающее чувствительности средств измерения.
Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в возможности обеспечения оперативного выполнения процесса выявления и оценки изгибных напряжений в материале конструкций, с помощью стационарных или мобильных технических средств.
Информационные источники
1. Почему разбиваются поезда. Евразия Вести IX 2003. www.eav.ru.
2. Вериго М.Ф. К вопросу об устойчивости бесстыкового пути под проходящими поездами. Железные дороги мира. №4, 2002. www.css-rzd.ru.
3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В.Клюева. Т.4: В 3 кн. Кн.1. В.А.Анисимов, Б.И.Каторгин, А.Н.Куценко и др. Акустическая тензометрия. Кн.2. Г.С.Шелихов. Магнитопорошковый метод контроля. Кн.3. М.В.Филинов. Капиллярный контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006, - 736 с.: ил.
4. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В.Клюева. Т.6: В 3 кн. Кн.1. В.В.Клюев, В.Ф.Мужицкий, Э.С.Горкунов, В.Е.Щербинин. Магнитные методы контроля. Кн.2. В.Н.Филинов, А.А.Кеткович, М.В.Филинов. Оптический контроль. Кн.3. В.И.Матвеев. Радиоволновой контроль. - 2-е изд. Испр. - М.: Машиностроение, 2006, - 848 с.: ил.
5. Жадобин Н.Е., Лебедев А.И. Магнитоупругие преобразователи в СЭУ. Транспорт Российской федерации, №6, 2006.
6. Степанов А.П., Степанов М.А., Милованов А.И. и др. Способ магнитной дефектоскопии. Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка №2008143039/28(055985).
7. Физическая энциклопедия, http://allphysics.ru.