Устройство для магнитного контроля поперечных трещин крепежных элементов и валов с резьбой из ферромагнитных материалов с помощью эффекта Холла

Полезная модель относится к магнитной дефектоскопии. Полезная модель предназначена для входного контроля усталостных трещин, поперечных закалочных трещин и других поперечных дефектов крепежных элементов и валов с резьбой и для контроля усталостных трещин указанных деталей во время эксплуатации.
Наиболее эффективным методом контроля трещин при входном контроле является магнитопорошковый метод. Однако для резьбы магнитопорошковый метод является мало подходящим. Так как сложный профиль резьбы создает поле рассеяния, то в конце процесса контроля индикации над дефектами могут быть скрыты полосками ложных индикаций. В результате наблюдение приходится вести во время накопления порошка, что снижает производительность труда.
Аналогом применения эффекта Холла является контроль магнитными дефектоскопами с измерительными преобразователями с датчиками Холла. Ручной контроль с помощью измерительных преобразователей (зондов, щупов) предполагают большую трудоемкость контроля.
Ближайшим аналогом к предлагаемому техническому решению по принципу работы является Сканер типа «Скоба» для контроля наружной резьбы для вихретокового дефектоскопа «Константа ВД1» [Дефектоскопы вихретоковые Константа ВД1. Свидетельство об утверждении типа средств измерений. RU.C.27.001.A №39937]. Известный прототип не обеспечивает контроля гладкой части болта или вала. В описании прототипа отмечено, что он предназначен для контроля только метрической резьбы. Прототип не рассчитан для массового или сплошного контроля.
Целью предлагаемого технического решения является создание устройства для магнитного контроля ОК с резьбой с помощью эффекта Холла с большой производительностью труда для входного контроля изделий и для контроля усталостных трещин во время эксплуатации.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено для любого вида крепежной, кинематической или специальной резьбы. Продольное намагничивание ОК и установка датчика Холла поперек ОК позволяет выявить усталостные трещины, поперечные закалочные трещины и другие поперечные дефекты.
Устройство позволяет производить одновременный контроль в резьбовой и в гладкой частях ОК. Устройство позволяет повысить производительность труда при входном контроле изделий. Так как фиксация дефекта осуществляется прибором без участия человека, устройство позволяет автоматизировать процесс проведения входного контроля изделий. Устройство позволяет во многих случаях осуществлять контроль усталостных трещин в ОК во время эксплуатации без полной разборки изделия.
Устройство представляет собой одно или (в зависимости от ОК) несколько звеньев из немагнитного материала, в которые установлены датчики Холла, жестко соединенные между собой с помощью направляющей планки. Датчики Холла ориентированы поперек оси ОК.
Конструкция устройства представлена на Фиг. 1. Звено 1 имеет внутреннюю резьбу, соответствующую внешней резьбе ОК. Дополнительные звенья без резьбы (на Фиг. 1 - звенья 2 и 3) имеют внутренние отверстия, через которые свободно перемещается ОК. Одно из звеньев (на Фиг. 1 - это звено 3) жестко соединено с направляющей планкой 4, другие звенья (на Фиг. 1 - это звенья 1 и 2) могут раздвигаться по планке и фиксироваться в нужном положении. Направляющая планка имеет вертикальное ребро для придания дополнительной вертикальной жесткости - вертикальная и горизонтальная жесткость необходима для соосности звеньев.
Расстояния L2 и L3 устанавливаются таким образом, что в то время, как звено 1 проходит расстояние L1 по резьбе, звенья 2 и 3 проходят гладкую часть ОК с перекрытием (Фиг. 2 и Фиг. 3).
Звено с резьбой является основным. Количество дополнительных звеньев без резьбы зависит от соотношения длин резьбовой и гладкой частей ОК - за время прохождения основным звеном резьбовой части ОК другие звенья должна с перекрытием пройти всю гладкую часть ОК.
Для крупной резьбы, для галтельной части валов (Фиг. 4) или в местах сопряжения гладкой части болта с головкой необходимо установить пакет датчиков Холла для большей информативности - Фиг. 4, 5 и 6.
Контроль шпилек, имеющих гладкую часть, производится за два прохода с двух сторон - Фиг. 7 и 8.
Контроль только резьбовой части ОК проводится одним основным звеном с резьбой.
В случае, если резьба крупная, в звеньях без резьбы установить несколько датчиков Холла в одном поперечном сечении, чтобы увеличить частоту контролируемых “дорожек” в гладкой части ОК - Фиг. 9.
Минимальное количество датчиков Холла в звеньях с резьбой для крупной резьбы, в звеньях без резьбы для галтельных частей и сопряжений легко определить компьютерным моделированием в пакете COMSOL Multiphysics.
Намагничивание в стационарных условиях технологичнее делать с помощью соленоида для быстрой смены ОК.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 изображена конструкция устройства из одного звена с резьбой и двух дополнительных звеньев для контроля гладкой части ОК, где обозначено:
1 - звено с резьбой,
2, 3 - дополнительные звенья без резьбы,
4 - направляющая планка
Звено 3 жестко соединено с направляющей планкой. Звенья 1 и 2 могут раздвигаться вдоль планки и фиксироваться в необходимом положении. Устройство фиксации условно не показано.
5 - датчик Холла,
6 - ОК,
7 - соленоид,
8 - магнитная цепь показана условно.
На Фиг. 2 и 3 показан принцип, по которому считается количество дополнительных звеньев для гладкой части. На Фиг. 2 - начальное положение контроля: звенья раздвинуты так, что в то время, как звено 1 пройдет расстояние L1 по резьбе, звенья 2 и 3 пройдут гладкую часть ОК с перекрытием. На Фиг. 3 - конечное положение звеньев при контроле: расстояния L1-2 и L2-3 - зоны перекрытий участков контроля звеньев..
На Фиг. 4 (звено 2) и Фиг 5 показан вариант нескольких датчиков Холла для галтельной части вала или сопряжения гладкой части болта с головкой.
На Фиг. 6 показан вариант нескольких датчиков Холла для крупной резьбы.
На Фиг. 7 и 8 показан вариант контроля шпильки, имеющей гладкую часть. Фиг. 7 - контроль левой части резьбы и гладкой части. Фиг. 8 - контроль правой части резьбы.
На Фиг. 9 показан вариант размещения двух датчиков Холла в одной поперечном сечении:
9 - «дорожки» в гладкой части ОК, по которым проходят датчики Холла
а - шаг резьбы,
а/2 - при двух датчиках Холла в одном поперечном сечении дополнительного звена «дорожки» в 2 раза чаще, чем при одном датчике.
Звено с резьбой условно не показано.
На Фиг. 10, 11 показан узел крепления крышки гидротурбины.
6 - ОК, шпилька в рабочем положении (резьба показана условно крупно),
10 - крышка гидротурбины,
11 - фланец статора,
12 - статор турбины,
13 - гайка,
14 - место развития усталостной трещины под первым самым загруженным витком гайки в положении со снятой гайкой доступно для контроля.
Магнитная цепь замкнута через деталь статора и фланец статора.
На Фиг. 12, 13 показан вариант контроля анкерного болта.
15 - шайба,
16 - плита базы колонны,
17 - раствор и бетон фундамента (показаны условно)
18 - зазор между анкерным болтом и плитой базы колонны заполнить магнитной суспензией для уменьшения потерь магнитного потока в магнитной цепи.
Место развития усталостной трещины под первым самым загруженным витком гайки в положении со снятой гайкой доступно для контроля - 14. Магнитная цепь замкнута через плиту базы колонны.
На Фиг. 14, 15, 16 показан вариант контроля шпильки при частичной разборке механизма:
19 - крышка моторного блока,
20 - моторный блок.
Фиг. 14 - узел в сборе.
Фиг. 15 - крышка блока снята, устройство занимает начальное положение при контроле.
Фиг. 16 - конечное положение звеньев при контроле. Полная длина шпильки, в которой возможно образование усталостных трещин, доступна для контроля.
Магнитная цепь замкнута через моторный блок, в который ввинчена шпилька.
Основное применение устройства предполагается для входного контроля крепежных элементов и валов с резьбой.
Во многих случаях устройство позволяет осуществлять контроль усталостных трещин в ОК во время эксплуатации. На Фиг. 10 и Фиг. 11, как пример, представлен узел крепления крышки гидротурбины. В Стандарте предприятия ОАО «РусГидро» в таких случаях рекомендован визуальный и УЗК контроль [Неразрушающий контроль крепежных элементов ответственных узлов гидроагрегатов. Методические указания. СТО РусГидро 02.03.107-2013, Стандарт организации, УДК, ОКС, Издание официальное. Москва 2013]. Оба вида контроля не позволяют проводить контроль в условиях работающего производства. В конкретном случае (узел гидротурбины СШГЭС) крышка крепится 80-ю шпильками. Без ущерба для несущей способности механизма с одной шпильки можно снять гайку и таким образом провести контроль предлагаемым устройством последовательно всех шпилек. Шум от работающего агрегата и соседних турбин не мешает работе магнитного датчика. Вибрация (знакопеременные нагрузки) от работы машин способствуют выявлению усталостных трещин.
Таким же образом поочередно можно проводить контроль анкерных болтов фундаментов.
При частичной разборке механизма в случае, если шпилька имеет гладкую часть, контроль проводится по схеме, показанной на Фиг. 14, 15 и 16.
Звенья устройства имеют небольшие габариты, поэтому в любых местах, куда может быть закручена гайка (между ребер жесткости, в углубления и т.п.), предлагаемое устройство позволит провести обследование технического состояния ОК.
Компьютерным моделированием легко установить минимально достаточное количество звеньев и датчиков Холла для любого изделия. Если достаточно одного звена с одним датчиком, то устройство может служить датчиком для стандартного (у одного прибора - один датчик) существующего прибора магнитного контроля. Если устройство имеет несколько датчиков Холла, то, используя стандартный прибор, контроль производить за несколько проходов, либо каждое звено подсоединять к своему прибору. При наличии большого количества датчиков и необходимости быстро делать контроль требуется переработать стандартную схему прибора магнитного контроля. Все датчики устройства через мультиплексор подсоединятся к одному прибору. Программное обеспечение переписывается таким образом, чтобы сплошной поток информации от мультиплексора разделялся на отдельные потоки и сравнение с контрольными образцами делалось отдельно по каждому потоку.