УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
ULTRASONIC METHOD OF DETERMINATION OF INTERNAL MECHANICAL STRESSES

Изобретение относится к области контроля механических напряжений в твердых материалах и может быть использовано для определения внутренних напряжений в рельсах бесстыкового пути, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.
1
2
Известен акустический способ определения внутренних механических напряжений в твердых материалах, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений. Излучающим преобразователем вводят два импульса ультразвуковых колебаний продольных волн и два импульса ультразвуковых колебаний поперечных волн под разными углами α и α и принимают двумя приемными преобразователями прошедшие через объект импульсы на расстояниях  и  от излучающего преобразователя, а величину напряжения σ определяют по формуле:
T
L
где β, β - акустоупругие коэффициенты для поперечных и продольных волн в исследуемом материале;
, , ,  - времена прохождения ультразвуковых импульсов разных типов волн и по разным путям;
- отношение расстояний от излучающего преобразователя до второго и первого приемных преобразователей.
1
Кроме того, угол α ввода ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн устанавливают равным 45°, а величину напряжения σ определяют по формуле:
Приемные преобразователи устанавливают один от другого на расстоянии из условия равенства времени прохождения ультразвуковых колебаний продольных волн по дальнему пути времени прохождения ультразвуковых колебаний поперечных волн по кратчайшему пути.
s1
s2
s1
s2
В точке ввода излучающего преобразователя вводят дополнительно импульсы колебаний поверхностной волны в направлении приемных преобразователей, измеряют времена t и t пробега импульсов поверхностной волны до приемных преобразователей, а величину L отношения расстояний определяют из соотношения L=t/t (патент РФ №2057330, G01N 29/00, приоритет от 25.02.1994 г., опубл. 27.03.1996 г.), принятый за аналог.
Недостатком данного способа является то, что в приемных преобразователях в случае разного акустического контакта возрастает погрешность результатов измерений. Кроме того, невозможно осуществить одним излучателем ввод двух пар ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн под двумя разными углами.
В патенте РФ №2057330 рассматриваются две продольных и две поперечные волны, вводимых во вторую среду. Причем продольные и поперечные волны распространяются под одним углом. Для этого также необходимы два датчика, работающих в режиме излучения.
Известен ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что излучающим преобразователем в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемным преобразователем прошедшие сигналы, измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине внутренних механических напряжений. Кроме того, приемным преобразователем дополнительно принимают трансформированные поперечные волны от падающих на исследуемый объект продольных волн и трансформированные продольные волны от падающих на исследуемый объект поперечных волн, измеряют времена прохождения этих волн в нагруженном и ненагруженном объекте, определяют изменение времени задержки прошедших сигналов (их разность), а величину напряжения определяют по формуле
T
где β - акустический коэффициент для поперечной волны в нагруженном объекте;
T
τ - время задержки поперечной волны в нагруженном объекте;
L
Δτ - изменения времени задержки продольных волн в нагруженном и ненагруженном объекте;
LT
Δτ - изменение времени задержки продольных волн, трансформированных в поперечные волны, в нагруженном и ненагруженном объекте;
T
α - угол ввода поперечной волны в нагруженном объекте.
Кроме того, используют приемный и излучающий преобразователи с углом ввода продольных ультразвуковых колебаний, равным 18° (патент РФ №2601388, G01N 29/04, приоритет от 09.12.2014 г., опубл. 27.06.2016 г. Бюл. №18), принят за прототип.
Недостатком данного способа является то, что при изменении высоты исследуемого объекта (рельса) место приема сигнала максимальной амплитуды принимаемым преобразователем изменяется, так как смещается акустическая ось отраженных сигналов, что вносит погрешность при определении времени распространения сигнала в исследуемом объекте, а следовательно, и погрешность в определение внутренних механических напряжений.
При разработке заявляемого способа была поставлена задача повышения точности определения механического напряжения за счет уменьшения влияния высоты объекта.
1
2
3
Поставленная задача решается за счет того, что в ультразвуковом способе определения внутренних механических напряжений, заключающемся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений, при этом прошедшие через объект импульсы принимают одним прямым раздельно-совмещенным преобразователем и тремя наклонными приемными преобразователями, размещенными на одной оси на расстояниях S, S и S от излучающего преобразователя, определяемых по формулам:
L
T
где Н - высота объекта контроля, м; α, α - углы ввода продольных и поперечных волн излучающего наклонного преобразователя соответственно. Причем время прохождения этих волн измеряют в нагруженном и ненагруженном объектах, а величину напряжения σ определяют по формуле:
T01
T1
где τ, τ - времена распространения сигнала поперечной волны от излучающего преобразователя до первого приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;
T03
T3
τ, τ - времена распространения сигнала поперечной волны от излучающего преобразователя до третьего приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;
LT02
LT2
τ, τ - времена распространения сигнала трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;
LT2
-1
k - акустоупругий коэффициент трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя, МПа.
Высота объекта контроля (Н) определяется по формуле:
Lпр
Lпр
где C - скорость продольной ультразвуковой волны в объекте контроля под прямым раздельно-совмещенным преобразователем, м/с; τ - время распространения продольной ультразвуковой волны в объекте контроля под прямым раздельно-совмещенным преобразователем, нс.
пр
нак
1
2
3
На чертеже приведена схема прозвучивания при ультразвуковом способе определения внутренних механических напряжений в твердых материалах, которая содержит: ИП - излучающий и принимающий продольную (L) ультразвуковую волну прямой раздельно-совмещенный преобразователь; И - излучающий продольную (L) и поперечную (T) ультразвуковые волны наклонный преобразователь с углом ввода продольной ультразвуковой волны 18°; П, П, П - принимающие ультразвуковые волны наклонные преобразователи с углами ввода продольной ультразвуковой волны 18°.
Способ реализуется следующим образом.
1,
2
3
1
2
3
L
Преобразователи П П, П устанавливают в точки А, В, С на расстоянии S, S, S от излучающего преобразователя И при условии, что угол ввода продольной волны преобразователя И α известен, а угол ввода поперечной волны в нагруженном объекте постоянный и находится по формуле:
1
2
3
нак
Расстояния S, S, S определяют по формулам (1), (2), (3) для нахождения места наилучшего приема сигналов поперечной (Т), трансформированной (LT) и продольной (L) волн соответственно как на исследуемом, так и на ненагруженном объектах, находящихся в одном температурном режиме.
L1
T1
LT1
L2
T2
LT2
L3
T3
LT3
В точке А измеряются времена прихода продольной (L), поперечной (T) и трансформированной (LT) волн (τ, τ, τ). Такие же измерения проводят в точках В и С, при этом получают значения τ, τ, τ, τ, τ, τ.
Lпр
1
2
3
1
2
3
При изменении высоты объекта Н преобразователем ИП регистрируется изменение времени распространения продольной волны τ и меняются расстояния между излучающим преобразователем И и принимающими преобразователями П, П, П на соответствующие величины ΔS, ΔS, ΔS.
Lпр
пр
Высоту объекта Н определяют через измерение времени распространения продольной волны τ прямого раздельно-совмещенного преобразователя ИП при заданной скорости продольной ультразвуковой волны (L).
T1
LT2
T3
T01
LT02
T03
LT2
В каждой точке приема А, В и С измеряются времена прихода поперечных и трансформированных волн τ, τ и τ соответственно для исследуемого нагруженного объекта и τ, τ и τ для ненагруженного объекта. Внутренние механические напряжения σ в исследуемом объекте определяют по формуле (4). Предварительно экспериментально определяется k.
Пример 1.
тензо
Осуществляли определение внутренних механических напряжений σ в термоупрочненном рельсе Р65 высотой 180 мм, созданных нагружающим гидравлическим стендом (патент РФ №154503, МПК Е01В 29/20, 29/46. Устройство для создания растягивающего или сжимающего напряжения в рельсе / Глухов Б.В., Курбатов А.Н., Тенитилов Е.С., Степанова Л.Н. - Опубл. 27.08.2015, Бюл. №24). Одновременно измерялись напряжения σсертифицированной микропроцессорной многоканальной тензометрической системой ММТС-64.01 (свидетельство RU.C.34.007.A №44412) класса точности 0,2. Для измерения напряжений в исследуемом рельсе наклеивались тензодатчики типа ПКС (свидетельство RU.C.28.007.A №30935) с сопротивлением R=200 Ом, базой L=12 мм, коэффициентом тензочувствительности К=2,12. Тензодатчики наклеивались вдоль приложенной нагрузки посередине шейки рельса с двух сторон.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Lпр
Lпр
1
2
3
1
2
3
T1
T3
LT2
T01
T03
LT02
LT2
2
акуст
-1
На поверхность катания головки нагружаемого исследуемого рельса и ненагруженного его аналога устанавливались по одному прямому раздельно-совмещенному преобразователю ИП (П112-2,5-12) и по четыре наклонных преобразователя (П121-2,5-18-002) один из которых был излучающим преобразователем И, а три других принимающими преобразователями П, П, П (см. чертеж). Предварительно на все преобразователи наносили контактную смазку. Угол ввода продольной ультразвуковой волны наклонных преобразователей равен 18°. Излучающий преобразователь И устанавливали так, чтобы его акустическая ось была направлена встречно акустическим осям принимающих преобразователей П, П, П, а сами наклонные преобразователи находились на одной оси на расстояниях S, S и S от излучающего преобразователя И соответственно. Эти расстояния рассчитывали по формулам (1), (2), (3). Для этого задавали скорость продольной ультразвуковой волны (C) прямого раздельно-совмещенного преобразователя ИП равной 5910 м/с, а осциллографом TDS-2014 измеряли время распространения продольной волны (τ). Рассчитывали расстояния S, S и S от излучающего преобразователя И до принимающих преобразователей П, П, П, которые составили соответственно 61 мм, 89 мм, 117 мм. Осциллографом TDS-2014 в каждой точке приема А, В и С принимающих преобразователей измеряли времена прихода сигналов от поперечных (τ, τ) и трансформированных (τ) волн, соответственно для нагруженного исследуемого рельса и τ, τ, τ для ненагруженного его аналога. Экспериментально определили k - акустоупругий коэффициент трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя П, находящегося в точке В, который равен -0,0000114 МПа. Результаты измерения временных параметров ультразвуковых волн на различных ступенях нагружения подставлялись в формулу (4) и рассчитывали значения напряжений σ.
тензо
акуст
Определялась относительная погрешность между напряжениями σ, измеренными тензометрической системой ММТС-64.01, и напряжениями σ. Результаты расчетов приведены в таблице.
Расчетные значения напряжений в рельсе, полученные с использованием предложенного способа определения внутренних механических напряжений, подтверждаются данными, полученными экспериментально с использованием сертифицированной тензометрической системы ММТС-64.01. Относительная погрешность не превышает 2%, что допустимо при проведении промышленных испытаний на железной дороге.