УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫЯВЛЯЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАГНИТНЫХ ПОРОШКОВ ДЛЯ МАГНИТОПОРОШКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Полезная модель относится к неразрушающему контролю материала деталей, узлов и соединений с применением магнитопорошковой дефектоскопии и, в частности, к магнитным порошкам-индикаторам и может быть использована в авиационной, космической, автомобильной, судостроительной, станкостроительной и других отраслях машиностроения, а также в энергетической и атомной промышленности и на железнодорожном транспорте для оценки качества магнитных порошков, применяемых для выявления дефектов типа несплошности материала: трещин, волосовин, расслоений, непроваров, закатов, заковов и других.
Известно устройство для определения содержания феррита в материале (RU 2239182 С1, см. приложение), включающее два постоянных магнита и проводящий контур в виде катушки индуктивности, подключенной к регистратору ЭДС индукции. Первые два противоположных полюса постоянных магнитов ориентированы навстречу друг другу и разделены воздушным промежутком. Другие два противоположных полюса магнитов соединены С-образным магнитопроводом, на который намотан проводящий контур в виде катушки индуктивности. Испытываемый материал размещают на штоке, закрепленном на оси электродвигателя с возможностью вращения с постоянной угловой скоростью через воздушный промежуток между полюсами постоянных магнитов в вертикальной плоскости относительно магнитных силовых линий, соединяющих их полюса. При перемещении испытуемого материала между полюсами магнитов происходит его намагничивание, что приводит к изменению магнитной проницаемости промежутка между магнитами. В результате происходит изменение магнитного потока в С-образном магнитопроводе, что приводит к возникновению ЭДС на катушке индуктивности, величина которой пропорциональна содержанию феррита в испытываемом материале. По величине полученного сигнала с использованием градуировочной зависимости определяют содержание феррита в испытуемом материале.
Недостатком устройства является невозможность определения выявляющей способности магнитных порошков.
Известно также устройство для определения содержания феррита в материале (SU 1756813 А1, см. приложение). В этом устройстве испытываемый материал намагничивают в постоянном магнитном поле и регистрируют сигнал изменения ЭДС индукции, наводимый в проводящем контуре. Полученный сигнал детектируют в однополярный импульс, усиливают, интегрируют и содержание феррита в материале определяют с помощью градуировочной кривой по интегральной величине однополярного импульса. Однако это устройство не может быть использовано для оценки выявляющей способности магнитных порошков для магнитопорошковой дефектоскопии.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является прибор МФ-10СП для количественной оценки чувствительности магнитных индикаторов (порошков и суспензий) для магнитопорошкового контроля деталей (см. приложение). Принцип действия прибора основан на использовании модели магнитного поля дефекта в контрольном образце. Образец состоит из двух пришлифованных друг к другу ферромагнитных пластин, на стыке которых образуется искусственный дефект в виде тонкой щели - «трещины». Под образцом расположены обмотки, создающие в нем магнитное поле. При нанесении на образец суспензии над дефектом накапливается магнитный порошок, образуя валик, по длине которого определяют чувствительность порошка. Однако оценка чувствительности порошка этим прибором не точна. Это обусловлено тем, что длина валика порошка, оседающего над искусственным дефектом, помимо его магнитных свойств, в большой степени зависит от вязкости дисперсионной среды суспензии, степени его коагуляции и других факторов.
Целью изобретения является разработка устройства для повышения точности и объективности определения выявляющей способности магнитных порошков, предназначаемых для использования в качестве магнитных индикаторов при магнитопорошковой дефектоскопии, на количественной основе, и для выбора оптимальных порошков для применения при магнитопорошковом контроле деталей.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что совокупность блоков, объединенных в единое устройство, позволяет в автоматическом режиме при конкретных режимах магнитопорошкового контроля деталей с учетом индукции магнитных порошков при данном режиме контроля, дисперсности (размеров частиц) порошков определять силу, с которой частицы порошков притягиваются в область стандартной минимальной трещины (раскрытием 0,001 мм), обнаруживаемой при максимальной чувствительности магнитопорошкового контроля. Указанная сила - это показатель чувствительности порошков, которая определяется предлагаемым устройством.
На фиг.1 показана схема устройства для определения выявляющей способности магнитных порошков. На фиг.1 обозначено: 1 - автотрансформатор; 2 - намагничивающая обмотка; 3, 4 - измерительные обмотки; 5 - корпус катушки; 6 - трубка с исследуемым порошком 7; 8 - блок интегратора; 9 - усилитель; 10 - вычислительный блок; 11 - цифровой индикатор; 12 -
вход сигнала напряженности магнитного поля в намагничивающей катушке 2; 13 - клеммы входного напряжения; 14 - блок намагничивания; R1 - резистор напряженности магнитного поля; R2 - резистор задатчика исходных значений параметров; R, С - резистор и конденсатор интегратора; е - ЭДС на измерительной обмотке; qB - выходной сигнал интегратора; В - сигнал магнитной индукции исследуемого магнитного порошка; К - коэффициент исходных значений параметров.
Устройство для определения выявляющей способности магнитных порошков содержит (фиг.1): автотрансформатор 1, намагничивающую обмотку 2, измерительные обмотки 3, 4, корпуса 5 катушек, трубку 6 с исследуемым магнитным порошком 7, блок интегратора 8, усилитель 9, вычислительный блок 10, цифровой индикатор 11, намагничивающий блок 14, R1, R2, R - резисторы, С - конденсатор.
Автотрансформатор 1 предназначен для установки напряженности магнитного поля в намагничивающей катушке 2. Измерительные катушки 3 и 4 намотаны на немагнитные трубки 5 и соединены встречно, поэтому при отсутствии в них трубки с магнитным порошком напряжение на них равно нулю. После внесения в одну из измерительных катушек трубки 6 с исследуемым магнитным порошком 7 на измерительных обмотках возникает ЭДС е. Выход измерительных катушек соединен с блоком интегратора 8, а выход интегратора через усилитель 9 соединен с вычислительным блоком 10, который соединен с цифровым индикатором 11. Вычислительный блок 10 соединен с резистором напряженности магнитного поля R1 через вход 12 и с потенциометром (резистором) R2 задатчика исходных данных.
Работа предлагаемого устройства состоит в следующем.
В трубку 6 насыпают и уплотняют исследуемый порошок 7, которую вставляют в корпус 5 одной из измерительных катушек (3 или 4). Автотрансформатором 1 устанавливают ток в намагничивающей катушке 2, которым обеспечивается заданная напряженность магнитного поля в соответствии с режимом намагничивания конкретных деталей, которые требуется подвергать магнитопорошковому контролю (магнитометр с датчиком Холла, например, типа МФ-23И, для измерения напряженности магнитного поля в намагничивающей катушке на фиг.1 не показан). При этом на выходе измерительных катушек возникает ЭДС е
где ω - количество витков в измерительной катушке;
s - площадь сечения магнитного порошка в трубке 6;
q=-ωs.
ЭДС е подается на вход интегратора 8. После интегрирования получается напряжение qB, а после усилителя 9 эта величина преобразуется в значение индукции В. Сигнал В поступает на вычислительный блок 10. В вычислительный блок также поступают сигналы напряженности магнитного поля через вход 12, снимаемый резистора R1, и сигнал К, формируемый с использованием
потенциометра (резистора) R2. Этот сигнал пропорционален по величине
д
д
В вычислительном блоке 10 вычисляется сила притяжения частицы радиусом r при напряженности магнитного поля дефекта Н и градиенте поля dH/dt на основе известной формулы
которая в данном случае имеет вид
3
где (4πr)/3=V - объем частицы;
r - радиус частицы.
В последней формуле единицей в скобках можно пренебречь. Тогда получим
где
2
2
3
Размерность: К [А]; В [кг/(сА)]; Н [А/м]; V [м].
2
В результате решения в вычислительном блоке получается значение силы F=(К В)/Н [(кг м/с], то есть F [Ньютон].
Вычислительный блок выполняет вычисления с учетом заложенных в его памяти магнитных параметров минимальных выявляемых трещин (раскрытием 1 мкм), то есть с учетом максимальной чувствительности магнитопорошкового контроля. Для трещин раскрытием 1 мкм напряженность и градиент магнитного поля дефекта составляют соответственно 44 А/см и .
Результаты вычислений подаются на индикаторный блок, на котором высвечивается значение рассчитанной силы притяжения частиц порошка магнитным полем минимальной выявляемой трещины, что характеризует выявляющую способность магнитного порошка.
Пример использования устройства.
Задача: Определить, какой магнитный порошок из двух имеющихся в наличии целесообразно применить при выполнении магнитопорошкового контроля деталей - рычагов поворота лопастей несущего винта вертолета.
Материал рычагов: сталь 40ХНМА, 40Х2НМА.
r
с
тн
Магнитные характеристики этих сталей: остаточная индукция В составляет 1,15 Тл, коэрцитивная сила Н - 12 А/см, напряженность технического насыщения Н - 136 А/см.
В наличии имеются магнитные порошки следующих двух типов: черный МИНК-020АМ и черный кемеровский ТУ 6-36-0158-00165-1009-93. Их дисперсность (средний размер частиц) указана в таблице 1.
Таблица 1.
Тип магнитного порошка
Средний размер частиц, мкм
Черный порошок МИНК-020АМ
15
Черный порошок ТУ 6-36-0158-00165-1009-93
10
Необходимо определить, какой из этих магнитных порошков более целесообразно использовать при контроле рычагов поворота лопастей несущего винта вертолета. Испытание порошков выполняют в следующем порядке:
1. Размещают устройство для определения выявляющей способности магнитных порошков на столе так, чтобы на расстоянии от его блоков менее 1 метра не было больших железных масс, переменных магнитных полей (например, мощных трансформаторов, электрических двигателей и т.п.). Подключают устройство к сети переменного тока.
2. Размещают образец первого из исследуемых порошков - магнитного порошка МИНК-020АМ в намагничивающем блоке устройства. Включают устройство и прогревают в течение 15-20 мин.
3. Определяют режим намагничивания контролируемых деталей. Установлено, что с учетом указанных выше магнитных характеристик сталей контроль рычагов поворота лопастей целесообразно проводить в приложенном магнитном поле при напряженности 57 А/см.
4. С помощью автотрансформатора в намагничивающей катушке задают напряженность поля, соответствующую условиям проведения контроля рычагов поворота лопастей, то есть 57 А/см. (Этой напряженности магнитного поля соответствует ток в намагничивающей катушке, равный 1,5 А).
5. С помощью потенциометра R2 устанавливают исходные данные для вычислений.
6. В вычислительном блоке выполняются вычисления по заложенной в нем программе, соответствующей формуле: F=(К В)/Н.
-9
7. После проведения вычислений на индикаторный блок подается вычисленное значение силы, с которой частица порошка притягивается в область дефекта - 1,947×10 Н.
-10
8. В аналогичном порядке проводят испытания второго магнитного порошка - ТУ 6-36-0158-00165-1009-93. В результате вычислений на индикаторном блоке высвечивается значение рассчитанной силы притяжения частиц порошка ТУ 6-36-0158-00165-1009-93 магнитным полем дефекта, равное 4,109×10 H.
Вывод: По результатам испытаний для контроля рычагов поворота лопастей несущего винта вертолета, изготовленного из стали 40ХНМА, предпочтительней использовать магнитный порошок МИНК-020АМ, частицы которого имеют большее значение силы притяжения магнитным полем дефекта, то есть обладают более высокой выявляющей способностью.
Пример выполнения полезной модели.
2
Изготовлен действующий макет устройства для определения выявляющей способности магнитных порошков для магнитопорошковой дефектоскопии. Задатчик напряженности магнитного поля представляет собой автотрансформатор мощностью 1500 В·А, с помощью которого градуируется по току напряженность магнитного поля (А/см) в намагничивающей катушке. В блоке намагничивания образца магнитного порошка установлены три электрические катушки: намагничивающая и две измерительных. Намагничивающая катушка изготовлена из медного провода сечением 1 мм. Катушка 10-слойная. Количество витков 2800. Длина катушки 35 мм, внутренний диаметр 10 мм. Активное сопротивление катушки 3,5 ом. В трубку внутренним диаметром 8 мм помещают образец магнитного порошка, насыпанного и уплотненного в немагнитную трубку, например, в медную. Порошок перемагничивается магнитным полем тока, текущего по намагничивающей катушке, с частотой 50 Гц. Измерительные катушки изготовлены из медного провода сечением 1 мм. Катушки однослойные. Количество витков в каждой катушке 200. Длина катушек 25 мм, активное сопротивление 4 ом. С этих катушек снимается напряжение, пропорциональное интенсивности магнитного поля, создаваемого в образце магнитного порошка. Это напряжение подается в интегратор, затем в усилитель.
Интегратор содержит емкость и резистор. Усилитель собран по двухтактной схеме на триодах с температурной стабилизацией и высоким постоянством коэффициента усиления. При настройке устройства чувствительность усилителя регулируется с помощью переменного сопротивления 300 ком. При испытаниях магнитных порошков чувствительность усилителя не изменяется. В устройстве использованы аналоговый вычислительный блок с фиксированной схемой набора решающих элементов и цифровой электроизмерительный прибор с непрерывно-дискретным преобразователем измеряемых величин. Между всеми блоками устройства имеется взаимосвязь, выходное напряжение предшествующего блока является входным напряжением последующего.
Таким образом, проведенная и обоснованная совокупность признаков предлагаемого устройства является необходимой и достаточной для решения задачи определения выявляющих свойств магнитных порошков. Использование предлагаемой полезной модели будет способствовать повышению достоверности и эффективности обнаружения опасных дефектов материала стальных деталей, узлов, конструкций и предотвращению их внезапного разрушения при эксплуатации изделий техники.