СПОСОБ ОЦЕНКИ ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
METHOD OF ESTIMATING MARGIN OF SAFETY OF ARTICLES DURING USE

Изобретение относится к области исследований, в ходе которых, непосредственно в процессе эксплуатации, оценивается работоспособность подвергающихся воздействию рабочей нагрузки изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, путем определения и сравнения их прочностных характеристик.
Известен традиционный в инженерной практике способ определения прочностных характеристик, предлагаемый классическим курсом «Сопротивления материалов», согласно которому свойство изделия сохранять длительную работоспособность определяется величиной коэффициента запаса прочности, рассчитываемого отношением величин допускаемого и рабочих напряжений для стандартизированных по форме и материалу изделий. База рекомендаций курса «Сопротивления материалов» представлена огромным объемом результатов лабораторных исследований, сложившейся и оправдавшей себя на практике методикой проведения этих исследований. Однако при общепризнанной эффективности известный способ ограничен необходимостью проведения исследований в условиях стационара, не всегда дающих возможность смоделировать одновременное сочетание в лабораторных условиях всего многообразия физических факторов, оказывающих влияние на работоспособность изделия в процессе эксплуатации. Яркую иллюстрацию этому соображению представляет пример сложного динамического состояния рельсов железнодорожной транспортной системы, чаще всего являющегося причиной аварий на железнодорожном транспорте в результате разрушения рельсов, выбросов бесстыкового пути и т.д. [1, 2].
Предлагаемый способ решает задачу определения прочностных характеристик изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, непосредственно в процессе эксплуатации, с обеспечением перемещения исследовательско-измерительной аппаратуры вдоль объекта исследования, в том числе в процессе выполнения им рабочих функций.
К решению поставленной задачи привлечена информация о проявлении магнитных аномалий, т.н. эффект Виллари [3], выраженных изменением величины магнитной индукции в локальных зонах объектов исследования, в зависимости от напряженного состояния изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, намагниченность которых определяется условиями эксплуатации или осуществляется принудительно, с возможностью формирования и обнаружения местных магнитных аномалий.
р
с
р
с
В ходе лабораторного моделирования, осуществленного в соответствии с методикой курса «Сопротивление материалов», с использованием рельса в качестве объекта исследования, обнаружено, что 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). Измерением величины индукции магнитного поля вдоль длины изделия в характерных (указанных выше) точках, выбираемых в зависимости от профиля сечения изделия, по разности индукций в симметричных точках, определяются локальные зоны появления и возрастания напряжений в материале изделия при изгибе, в соответствии с направлением изгиба, и оценивается величина этих напряжений.
г1
г2
п1
п2
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. 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 обнаружены и оценены следующие основные варианты напряжений, возникающих при изгибе рельса:
г1
г2
п1
п2
1) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал растянут, справа - сжат: B>В, B>В или
г
г1
г2
п
п1
п2
δ=В-В>0, δ=В-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=B-В<0, δ=B-В<0;
г1
г2
п1
п2
г1
п1
г2
п2
3) изгиб рельса в вертикальной плоскости, материал головки рельса растянут, материал подошвы рельса сжат: B=В, B=В, B>B, В>В или
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
δ=B-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: B=В, B=В, B<B, В<В или
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
δ=B-B<0, δ=В-В<0, δ=δ.
Комбинированные продольные изгибы рельсов идентифицируются по приведенным выше соотношениям.
Результаты лабораторного моделирования свидетельствуют, что накопление информации о точном соответствии характеристик напряженного состояния изделия и характера проявления в нем при этом местных магнитных аномалий является чисто технической задачей с предсказуемым результатом исследований в виде таблиц строгого соответствия исследуемых параметров физического состояния объектов исследования. Т.е. прочностная характеристика - коэффициент запаса прочности, рассчитываемая отношением допускаемого и рабочего напряжений, становится взаимозаменяемой с характеристикой, рассчитанной как отношение между нормируемой (эталонной для данного объекта) величиной изменения магнитной индукции в характерных точках профиля сечения исследуемого объекта и рабочим значением этой величины для данной формы напряженного состояния изделия.
Назовем эту характеристику коэффициент изменения магнитной индукции. Согласно эффекту Виллари, этот коэффициент несет ту же самую смысловую нагрузку, что и коэффициент запаса прочности в сопромате.
С учетом изложенного, предлагаемый способ оценки запаса прочности изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, подвергающихся воздействию рабочей нагрузки, заключается в том, что показания исследовательско-измерительной аппаратуры, представленной комплектом магнитометров, перемещающихся вдоль объекта наблюдения, получают в виде величин изменения магнитной индукции для характерных точек сечения исследуемого изделия, которые сравнивают с нормируемыми (эталонными), сосредоточенными в компьютерной базе данных. По величине отношения между нормируемой (эталонной для данного объекта) величиной изменения магнитной индукции и рабочим значением этой величины для данной формы напряженного состояния объекта исследования судят о располагаемом коэффициенте запаса прочности.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом:
- предшествующий этап работ формирует базу данных, в которой сосредоточена информация о соответствии значений напряженности магнитного поля и механических напряжений для эталонных образцов изделий при различных формах нагружения;
- объект исследования подвергают намагничиванию (с помощью постоянных магнитов или путем пропускания тока по изделию) или определяют характеристику его магнитного поля, в случае его естественной намагниченности, обусловленной условиями эксплуатации (например, рельс);
- выделяют характерные точки профиля сечения исследуемого изделия, для которых будут определяться величины изменения магнитной индукции (в нашем примере выбран рельс как объект со сложной формой профиля);
- вдоль объекта наблюдения перемещают комплект магнитометров, показания которых, с помощью микропроцессорной техники, регистрируются, сравниваются, обрабатываются до получения параметра, по величине которого судят о располагаемом коэффициенте запаса прочности изделия.
Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в возможности получения и накопления информации о динамическом состоянии изделия в каждый рабочий момент, на участке любого отрезка времени эксплуатации, за весь исследуемый период эксплуатации.
Источники информации
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. 2002. №4, www.css-rzd.ru.
3. Физическая энциклопедия. http://allphysics.ru.