СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
METHOD OF DETERMINING MECHANICAL STRESS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в деталях конструкций из ферромагнитных материалов.
Известен способ определения механических напряжений в ферромагнитных изделиях, заключающийся в измерениях магнитоупругим датчиком в точках на исследуемой поверхности (А.с. СССР №1543255, МПК 8 G01L 1/12 от 17.05.1988 г., опублик. 15.02.1990 г., БИ №6).
Этот способ реализуется ручной установкой магнитоупругого датчика на изделие с произвольным прижатием датчика к исследуемой поверхности, что приводит к следующему недостатку: снижению точности и воспроизводимости результатов измерений, полученных как одним оператором-измерителем, так и, в большей мере, сменными операторами-измерителями.
Наиболее близким по технической сущности является определение механических напряжений с помощью устройства, содержащего магнитопровод, прижимаемый к контролируемой поверхности подпружиненной пластиной (А.с. СССР №1569602, МПК 8 G01L 1/12 от 12.05.1988 г., опублик. 7.06.1990 г., БИ №21).
Недостаток этого устройства в том, что оно работоспособно лишь в узких зазорах, а уровень давления магнитопровода на изделие зависит от ширины зазора: чем уже зазор, тем выше давление и наоборот. Точность измерений при этом снижается из-за непостоянства и неконтролируемости условий прижатия.
Технический результат: повышение точности и воспроизводимости результатов измерений в любом пространственном положении путем исключения погрешности, вносимой неконтролируемым давлением магнитоупругого датчика на изделие.
Технический результат достигается за счет того, что один конец кронштейна, состоящего из шарнирно-сочлененных звеньев, жестко заделывают, а на втором конце через подпружинивающее устройство устанавливают магнитоупругий датчик, уровень давления магнитоупругого датчика на изделие контролируют по шкале давлений, которое задают в интервале от 10000 до 40000 Па, причем напряжения со значениями ниже 0,5 предела пропорциональности материала изделия измеряют при давлении из верхней половины интервала, а напряжения со значениями выше 0,5 предела пропорциональности - при давлении из нижней половины интервала.
На основании патентного поиска, проведенного по доступным источникам информации, отличительных признаков, указанных в формуле изобретения, не обнаружено.
В связи с этим данное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».
Пример. Определяли остаточные напряжения в стыковом сварном соединении двух пластин из стали Ст3 размерами 200×100×10 мм каждая. Чертеж в упрощенном варианте показывает устройство, реализующее заявляемый способ.
На контролируемый образец 1 устанавливали магнитоупругий датчик 2, закрепленный в глухом нижнем отверстии обоймы 3. В верхнее отверстие обоймы 3 вставляли шток 4. Шток 4, посредством работающей на сжатие пружины 5, упруго взаимодействует с обоймой 3. Верхний конец штока 4 помещали в стакан 6 с возможностью перемещения в нем при вращении регулировочного винта 7. Стакан 6 фиксировали винтом 8 в направляющем кольце кронштейна 9. Кронштейн с шарнирным соединением звеньев (на чертеже не показан) должен устойчиво обеспечить любые пространственные положения стакана 6. На шток 4 нанесена шкала-указатель 10 величины создаваемого датчиком 2 на образец 1 давления в паскалях (Па). Вся конструкция разборная.
Способ осуществляли следующим образом. В исходном состоянии шарниры кронштейна не зафиксированы, регулировочный винт 7 в верхнем положении, винт 8 не затянут. Общую для стакана 6, штока 4, обоймы 3, датчика 2 ось совмещали с точкой контроля на поверхности образца 1. В таком положении шарниры кронштейна жестко фиксировали, стакан 6 винтом 8 закрепляли в кольце 9 кронштейна. За счет вращения регулировочного винта 7 шток 4 создавал давление датчика 2 на образец 1. Величину давления регистрировали по шкале 8. По достижении давления в интервале от 10000 Па до 40000 Па (для различных случаев, см. пояснения ниже) вращение регулировочного винта 7 прекращали. Магнитоупругим датчиком 2 производили измерение уровня остаточных напряжений в данной точке поверхности образца. Датчик 2, вместе с обоймой 3, вращали при этом вокруг собственной оси.
Для перехода к измерениям в следующих точках образца 1, обойму 3 с датчиком 2 отжимали в направлении штока 4. Между датчиком 2 и образцом 1 возникает воздушный зазор, а общую ось штока 4, обоймы 3 и датчика 2 совмещали с очередной точкой контроля. Уровень давления датчика 2 на поверхность образца 1 оставляли при этом неизменным.
Влияние уровня давления датчика 2 в зоне контакта с образцом 1 на точность измерений и особенности эксплуатации датчика 2 отражает таблица.
Таблица
Уровень давления датчика на образец, Па.
Факторы, влияющие на точность измерений.
Точность измерений
Износ (истирание) торца датчика
Устойчивость к возможным помехам на поверхности образца (неоднородность шероховатости, переменная толщина слоя окраски или окалины, наличие пыли, масел, следов сварочных брызг и т.д.)
<10000
Не проявляется
Низкая
Низкая
10000
Незначительный
Удовлетворительная
Удовлетворительная (для напряжений меньше 0,5 предела пропорциональности); высокая (для напряжений больше 0,5 предела пропорциональности).
25000
Допустимый
Удовлетворительная (для напряжений меньше 0,5 предела пропорциональности); высокая (для напряжений больше 0,5 предела пропорциональности).
Высокая при любых уровнях напряжений.
40000
Значительный
Высокая
Высокая при любых уровнях напряжений, с постепенным снижением из-за износа торца датчика в процессе эксплуатации.
>40000
Недопустимый
-
-
Сведения, занесенные в таблицу 1, получены эмпирически на базе 5000 измерений. Использовали магнитоупругий датчик с базой измерения 5 мм, площадью рабочего торца 200 мм. Торец датчика защищен от износа (истирания) полимерной пленкой толщиной 0,3 мм. По мере истирания пленки зазор между полюсами магнитопроводов датчика и поверхностью образца сокращается. Это приводит к изменению характеристик датчика, в частности, к возрастанию чувствительности. Последнее понижает точность измерений, так как до их начала производили снятие статической характеристики (тарировку) датчика с пленкой полной толщины.
На основании приведенных в таблице данных, измерения напряжений в стыковом сварном образце проводили при давлении магнитоупругого датчика на образец в интервале от 10000 до 40000 Па. Напряжения в периферийных по отношению к сварному шву зонах образца с уровнем ниже 0,5 предела пропорциональности для стали Ст3 измеряли при давлении датчика из верхней половины интервала. Вблизи сварного шва уровень напряжений выше 0,5 предела пропорциональности, поэтому давление датчика задавали из нижней половины интервала во избежание быстрого износа торца датчика.
Положительный эффект предлагаемого способа состоит в возможности точного определения опасного уровня напряжений в ответственных конструкциях. Это позволяет принять меры к предотвращению их разрушения. Кроме того, заявляемый способ увеличивает рабочий ресурс магнитоупругих датчиков.