СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЗАТЯЖКИ СТАЛЬНОГО БОЛТА ИЛИ ШПИЛЬКИ
METHOD OF CONTROLLING LEVEL OF TIGHTNESS OF STEEL BOLT OR STUD

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано в машиностроительной отрасли при сборке узлов и деталей корпусных изделий.
Известен способ контроля уровня затяжки стального болта (шпильки) [авторское свидетельство СССР №463019, G01L 5/24, опубл. 1975 г.], основанного на применении упругого элемента, устанавливаемого между фланцем и гайкой (или головкой болта). Величину возникающего при затяжке осевого усилия в стержне стального болта (шпильки) контролируют по изменению диаметра упругого элемента, который измеряется устройством с ценой деления не менее 0.001 мм.
Для практической реализации этого способа требуется организация массового производства упругих элементов разных типоразмеров со строго выдержанными механическими параметрами. С другой стороны, применение упругого элемента при сборке корпусных изделий приводит к увеличению их себестоимости.
Наиболее близким решением является способ [Бобренко В.М., Рудаков А.С. Исследование усилий в резьбовых соединениях акустическим тензометрированием. - Дефектоскопия, 1986, №7, с.11-14], заключающийся в измерении скорости акустической волны, распространяющейся в стержне стального болта или шпильки и основанный на линейной зависимости изменения скорости акустической волны от величины одноосных механических напряжений в области упругой деформации металла.
Сущность способа заключается в том, что изменение механического напряжения в стержне стального болта или шпильки приводит к изменению времени пробега ультразвуковых волн в металле, при этом в области упругой деформации металла увеличение времени пробега акустической волны прямо пропорционально механическому напряжению [Анисимов В.А., Каторгин Б.И., Куценко А.Н. и др. Акустический контроль усилий затяжки разъемных соединений жидкостных ракетных двигателей нового поколения. - Контроль. Диагностика, 2002, №4, с.13-25].
Однако известное техническое решение имеет следующие недостатки:
1. Способ требует наличия стандартного образца и применим лишь для контроля уровня затяжки нового стального болта или шпильки.
2. Имеются ограничения для линейных размеров стального болта или шпильки (например, отношение диаметра к длине стержня стального болта должно быть не более 0.6) и места контроля (контроль возможен лишь с торцов стального болта или шпильки).
Задачей изобретения является повышение эффективности контроля уровня затяжки стального болта или шпильки за счет повышения чувствительности способа и расширения номенклатуры контролируемых болтов.
Поставленная задача решается способом контроля уровня затяжки стального болта или шпильки, заключающимся в том, что на контролируемой поверхности стержня стального болта или шпильки полюсом намагничивающего устройства стержневого типа создают локальную область с остаточной намагниченностью металла, измеряют нормальную составляющую напряженности поля остаточной намагниченности над серединой этой локальной области и по измеренному параметру магнитного поля определяют по предварительной, экспериментально полученной зависимости величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки.
Отличие заявляемого изобретения заключается в том, что на контролируемой поверхности стержня стального болта или шпильки полюсом намагничивающего устройства стержневого типа создают локальную область с остаточной намагниченностью металла, измеряют нормальную составляющую поля остаточной намагниченности над серединой этой локальной области и по измеренному значению магнитного поля определяют величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки.
Эти отличительные признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».
При анализе известных технических решений не обнаружено сведений о создании на стержне стального болта или шпильки локальной области с остаточной намагниченностью металла, измерении нормальной составляющей поля остаточной намагниченности над серединой этой локальной области и определении по измеренному значению магнитного поля величины механического напряжения стержня стального болта или шпильки.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Сущность способа контроля уровня затяжки стального болта или шпильки заключается в следующем.
Если стержень стального болта или шпильки предварительно намагнитить постоянным магнитным полем и приложить к нему растягивающее механическое напряжение, то остаточная намагниченность металла будет монотонно уменьшаться (разрушение остаточной намагниченности) примерно по линейному закону в области упругой деформации металла и переходить в пологую часть, стремясь к некоторому минимальному значению в области упругопластической и пластической деформации металла. Начало перехода в пологую часть будет соответствовать максимально возможному уровню затяжки стального болта или шпильки. Соответственно будет уменьшаться напряженность магнитного поля рассеяния над поверхностью стержня стального болта или шпильки (поле остаточной намагниченности).
Измеряя напряженность поля остаточной намагниченности над поверхностью стержня стального болта или шпильки, на основе предварительно полученных зависимостей напряженности магнитного поля от механического напряжения металла, можно косвенно оценить величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки при его затяжке.
Представленные чертежи иллюстрируют заявленный способ. На фиг.1 представлен график зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от величины механического напряжения, на фиг.2 представлена зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от момента силы в разных частях стержня стального болта.
ro
Предлагаемый способ контроля уровня затяжки стального болта или шпильки осуществляется следующим образом. На любой, доступной для контроля поверхности стержня (торец, боковая поверхность) незатянутого стального болта или шпильки создают область с остаточной намагниченностью металла J, для чего на поверхность стержня последовательно устанавливают и плавно удаляют полюс намагничивающего устройства, изготовленного из постоянных магнитов.
ro
Установив над серединой намагниченной области стержня стального болта или шпильки преобразователь магнитного поля, измеряют нормальную составляющую напряженности поля остаточной намагниченности металла H, которая прямо пропорциональна остаточной намагниченности металла:
где TF - топографический фактор, зависящий от размеров а, b полюса намагничивающего устройства и координат точки измерения магнитного поля x, y, z.
При затяжке стального болта или шпильки в стержне происходит увеличение продольного растягивающего механического напряжения, которое приводит к монотонному уменьшению величины остаточной намагниченности металла, аналитически описываемой формулой:
r
ro
co
o
s
s
o
-7
где J(σ) - остаточная намагниченность металла при механическом напряжении σ≠0, J, H - остаточная намагниченность и коэрцитивная сила металла в ненапряженном состоянии (σ=0), µ=4π 10 Гн/м - магнитная постоянная, λ - магнитострикция насыщения, B - магнитная индукция насыщения, B - магнитная индукция металла, соответствующая минимуму магнитострикции.
Соответственно монотонно будет уменьшаться и напряженность поля остаточной намагниченности металла (фиг.1), которая описывается аналитической зависимостью, получаемой на основе формул (1), (2):
Величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки определяют следующим образом:
r
способ 1: измеренную величину поля остаточной намагниченности H подставляют в уравнение (3), и, решая его, находят соответствующее значение механического напряжения σ;
способ 2: значение механического напряжения стержня стального болта или шпильки определяют по предварительно экспериментально полученной зависимости напряженности поля остаточной намагниченности стержня от механического напряжения растяжения (или момента силы при затяжке) стального болта или шпильки (фиг.1, фиг.2).
Пример конкретного выполнения
Способ контроля уровня затяжки стального болта или шпильки был апробирован на образце стального болта длиной стержня 200 мм и диаметром 16 мм.
Полюс стержневого постоянного магнита подносился и далее плавно удалялся от поверхности металла стального болта. Диаметр полюса постоянного магнита был равен 18 мм, магнитное поле около полюса доводило металл до технического насыщения. Напряженность нормальной составляющей поля остаточной намагниченности этой области измерялась магнитометром, наибольшая погрешность измерения которого не превышала 5%.
Увеличение механического напряжения стержня стального болта (затяжка стального болта) осуществлялось с помощью динамометрического ключа, позволяющего создавать наибольший момент силы 150 Нм, при этом дискретность изменения момента силы была равна 10 Нм.
На фиг.2 показана экспериментально полученная зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от момента силы при затяжке стального болта в разных частях стержня - на торцевой и на боковой поверхностях (в средней части стержня).
2
Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла на торце стального болта от момента силы М при затяжке (фиг.2) описывается уравнением (достоверность аппроксимации R=0,9889):
2
Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла на боковой поверхности стержня стального болта описывается уравнением (достоверность аппроксимации R=0,9917):
Постоянные коэффициенты при переменной М в формулах (4), (5) отличаются друг от друга не более чем на 4%, что свидетельствует об одинаковом наклоне кривых, полученных для разных точек стержня стального болта.
Это обстоятельство является свидетельством одинакового изменения внутреннего механического напряжения в стержне стального болта в области упругой и упругопластической деформации металла, независимо от места измерения, и является основанием для контроля механического напряжения стального болта или шпильки на любой, практически доступной точке поверхности стержня.
Статистическая обработка экспериментально измеренных данных показала, что наибольшая погрешность косвенной оценки момента силы (механического напряжения) при затяжке стального болта на основе напряженности поля остаточной намагниченности не превышает 3-5% в области упругопластической деформации металла.
Таким образом, использование предлагаемого способа контроля уровня затяжки стального болта или шпильки обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
1. Предложенное техническое решение не требует наличия стандартного образца и применимо для контроля уровня затяжки стальных болтов или шпилек практически всех типоразмеров.
2. Контроль механического напряжения стального болта или шпильки возможен на любой, практически доступной точке поверхности стержня.