Устройство для виброакустического контроля длинномерных конструкций
DEVICE FOR VIBROACOUSTIC MONITORING OF LONG STRUCTURES

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для оценки повреждений с помощью упругих колебаний длинномерных конструкций.
Известно устройство для акустического контроля изделий, содержащее возбудитель вынужденных упругих колебаний изделия с изменяющейся частотой, а также приемник упругих колебаний с регистратором резонансных частот и вычислителем отклонений данных частот от их паспортных значений /см. а.с. СССР №690878 кл. G01N 29/04, 1977 [1]/.
Недостатком данного устройства является значительная сложность и трудоемкость конструкции и самого процесса контроля, узкая область его применения вследствие необходимости знания для каждого неповрежденного изделия паспортных значений резонансных частот колебаний различных участков изделия.
Известны устройства для акустического вибрационного контроля длинномерных конструкций, содержащие фиксатор локальных зон конструкции, размещенную в центре локальной зоны присоединенную массу, возбудитель вынужденных колебаний присоединенной массы и регистратор амплитуды ее колебаний /см. а.с. СССР №1226303, кл. G01N 29/04, 1986 [2]; а.с. СССР №1396047, кл. G01N 29/04, 1988 [3]/.
Недостатками данных устройств являются низкая производительность, ограниченные функциональные возможности, значительная вероятность повреждения конструкции в процессе контроля. Это объясняется необходимостью перезакрепления при каждом измерении присоединенной массы к новой локальной зоне, а также необходимостью подключения к передвигаемой инерционной массе возбудителя вынужденных колебаний и регистратора амплитуды колебаний. Кроме того, при упругих колебаниях дополнительно нагруженных присоединенной массой дефектных участков многократно увеличиваются динамические нагрузки на эти участки конструкции.
Известно также устройство для виброакустического контроля длинномерных конструкций, содержащее фиксатор локальных зон конструкции, а также разнесенные по разные стороны от контролируемого участка конструкции за пределы области перемещения локальных зон возбудитель вынужденных колебаний и регистратор их амплитуды /см. патент РФ на изобретение №2170426, кл. G01N 29/00, 1999 [4]/.
Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и чрезвычайно узкая область применения. Это объясняется необходимостью использования различных фиксаторов не только при изменении формы сечения контролируемой конструкции, но даже при изменении размеров сечения одной и той же формы. Причем, для выключения локальных зон охватывающие конструкцию участки фиксаторов должны быть изготовлены с высокой степенью точности по плотной посадке, так как данные фиксаторы не позволяют регулировать усилие зажатия конструкции. Кроме того, вышеуказанные фиксаторы практически не работоспособны в конструкциях со сложной формой сечения, и в принципе не работоспособны для конструкций с изменяющейся по длине размерами или Формой поперечного сечения.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для виброакустического контроля длинномерных конструкций, содержащее разнесенные по разные стороны от контролируемого участка конструкции возбудитель вынужденных колебаний и регистратор их амплитуды, а также механизм фиксации локальных зон конструкции, выполненный в виде охватывающей конструкцию катушки возбуждения, установленной на основании с возможностью перемещения вдоль конструкции в пределах контролируемого участка, а также соединенного с катушкой и расположенного непосредственно под ней резервуара, открытого сверху и частично заполненного ферромагнитным порошком /см. патент РФ на изобретение №2241984, кл. G01N 29/00, 29/04, 2003 [5]/, и принятое за прототип.
Недостатками устройства-прототипа являются сравнительно низкие точность контроля и разрешающая способность, а также узкие возможности регулировки. Это объясняется тем, что теоретически ферромагнитный порошок при подаче тока в обмотку катушки находится только в пределах ее осевого отверстия. На практике же из-за наличия магнитных полей выпучивания катушки, причем, зависимости ширины и плотности силовых линий этих полей от амплитуды тока в катушке, а главное – от различия магнитных характеристик самих контролируемых конструкций, характер распределения силовых линий магнитного поля, а, следовательно, и области сосредоточения ферромагнитного порошка, в том числе и за пределами осевого отверстия катушки и концентрация силовых линий магнитного поля могут серьезно изменяться, что ограничивает точность определения координат дефектов и разрешающую способность устройствам, а также предельно сужает возможность регулировки вышеуказанных метрологических параметров контроля в заранее заданных диапазонах.
Сущность изобретения заключается в создании устройства для виброакустического контроля длинномерных конструкций, позволяющего использовать в качестве механизма фиксации локальных зон отработанный по конструкции и много лет выпускаемый станок для намотки рамок электроизмерительных приборов с несколько скорректированной конструкцией опор вращения каркаса рамки, и обеспечить за счет этого повышение точности контроля, его разрешающей способности и расширение возможностей регулировки.
Технический результат - повышение точности контроля и его разрешающей способности, а также расширение возможностей регулировки.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для виброакустического контроля длинномерных конструкций, содержащем механизм фиксации локальных зон конструкции, а также разнесенные по разные стороны от контролируемого участка конструкции возбудитель вынужденных колебаний и регистратор их амплитуды, особенность заключается в том, что возбудитель вынужденных колебаний и регистратор их амплитуды снабжены вводимыми при их включений в контакт с поверхностью контролируемой конструкции щупами, а в качестве механизма для фиксации локальных зон конструкции использован одноручьевой универсальный станок для намотки рамок электроизмерительных приборов с регулируемыми скоростью, шагом и координатами краев намотки, а также натяжением и диаметром наматываемого провода, в котором опоры вращения каркаса рамки выполнение возможностью закрепления на них сменных головок цанговых зажимов для установки в них широкой номенклатуры контролируемых конструкций.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для виброакустического контроля длинномерных конструкций с кинематической схемой используемого в устройстве универсального намоточного станка.
Предлагаемое устройство для виброакустического контроля длинномерных конструкций I любой формы сечения, установленных в подшипниковых опорах вращения 2 с помощью сменных головок 3 цанговых зажимов, рассчитанных на широкую номенклатуру контролируемых конструкций I, содержит механизм фиксации локальных зон конструкции I, а также разнесенные по разные стороны от контролируемого участка конструкции I за пределы области перемещения локальных зон возбудитель вынужденных колебаний последней в виде вибратора 4, подключенного к генератору 5 электрических сигналов, и регистратор амплитуды колебаний в виде датчика перемещений 6 /например, пьезоэлектрического или тензоэлектрического типов/, последовательно подключенного к измерительному усилителю 7, причем, вибратор 4 и датчик перемещений 6 снабжены вводимыми при их включении в контакт с поверхностью контролируемой конструкции I, соответственно, щупами 8 и 9. При этом в качестве механизма для фиксации локальных зон конструкции I использован одноручьевой универсальный станок для намотки рамок электроизмерительных приборов /см. И.М. Ткалин Технология производства электроизмерительных приборов. Л., ʺЭнергияʺ,1970, с. 127, рис. 3-8 [6]/. с регулируемыми скоростью, шагом и координатами краев намотки 10, а также натяжением и диаметром наматываемого на конструкцию. I провода II. Приводной двигатель 12 станка через редуктор 13, один из выходов которого механически соединен через муфту 14 с полуосью 15, запрессованную в осевое отверстие подшипника 16 одной из опор вращения 2, обеспечивает плавную регулировку необходимой скорости намотки, требуемый шаг намотки 10 в зависимости от диаметра наматываемого провода II, снимаемого с отдающей катушки 17, обеспечивается специальной регулировкой редуктора 13, заданное натяжение сматываемого с катушки 17 на конструкцию I провода II задается электромашинным натяжным устройством в виде тормозного двигателя 18 с демпфером, а точная установка координат краев намотки 10 обеспечивается соединенным со вторым выходом редуктора 13 устройством 19 для выставления краев намотки 10, связанным с помощью регулируемого раскладчика 20 со сматываемым проводом II. При этом классическая конструкция универсального намоточного станка [6] переделана, а именно: опоры вращения 2 для закрепления каркаса рамки выполнены массивными и жесткими со специальным резьбовым приспособлением 21 на полуосях 15 для обеспечения возможности закрепления на них сменных головок 3 цанговых зажимов для установки широкой номенклатуры контролируемых длинномерных конструкций I с любой формой поперечного сечения.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Сразу следует указать, что возможны два режима реализации предлагаемого устройства. Первый режим контроля принципиально совпадает со способом, реализованном в устройстве-прототипе [5]. Фиксируют на конструкции I локальную зону, определяемую шириной намотки 10 от начала контролируемого участка /слева/ т.е. заднего фронта намотки 10 до ее переднего фронта. При этом независимо от формы сечения конструкции I практически выключают данный участок из возможной работы данной конструкции на изгиб, что обеспечивают заданным диаметром провода II, необходимой величиной натяжения наматываемого провода, а при необходимости - выполнением намотки 10 в несколько слоев. Правильный подбор вышеуказанных параметров намотки 10 на локальном участке независимо от формы сечения конструкции I и степени дефектов должен обеспечить изгибную жесткость данной зоны с дефектами в худшем случае не меньшую, чем при полном отсутствии на ней дефектов. Последовательно перемещают локальную зону 10, для чего намотку 10 сматывают обратно на отдающую катушку 17, перемещают устройствами 19 и 20 начало намотки участка 10 в ее предыдущий конец, то есть в передний фронт, и потом заново проводят намотку участка 10. В каждом положении локальной зоны 10 вращение конструкции I останавливают, включают возбудитель вынужденных колебаний 4, 5 конструкции I и регистратор амплитуды ее колебаний 6, 7, при этом щупы 8 и 9 вводятся в контакт с поверхностью конструкции, тем самым прикладывают к конструкции I гармоническую силу с постоянной амплитудой и частотой, возбуждая ее вынужденные упругие колебания, и одновременно с противоположной стороны контролируемого участка измеряют амплитуду возбуждаемых вынужденных колебаний и контролируют характер изменения данной амплитуды при перемещении локальных зон 10, вдоль конструкции I. B процессе контроля фиксируют моменты скачкообразного изменения амплитуды измеряемых колебаний и по данному моменту определяют местоположение локальных зон с дефектом. Очевидно, что чем меньше ширина локальной зоны 10, тем больше точность контроля и его разрешающая способность. Данный режим наиболее целесообразно использовать при ожидаемом наличие в конструкции I микродефектов, раковин и т.п. Во втором режиме принцип отличен от первого. Здесь обмотка 10 обратно не сматывается, ширина намотки 10, то есть локальная зона непрерывно расширяется вправо при неизменном ее заднем фронте, и после каждого такого расширения на заданный шаг следует операция по возбуждению вынужденных колебаний и регистрации их амплитуды и фиксации ее изменения. Естественно, чем меньше шаг, то есть приращение ширины намотки 10, тем выше точность и разрешающая способность измерения и контроля. Данный режим целезообразно применять при возможном наличие, например, продольных трещин, причем, контроль позволяет определить не просто факт наличия дефекта, а характер его длины и даже изменения ширины дефекта, то есть трещины. Пусть, например, трещина расширяется вправо. Тогда при движении намоткой 10 /шириной локальной зоны/ вправо и достижении левого края трещины произойдет скачкообразное уменьшение амплитуды регистрируемых колебаний. Далее, при движении локальной зоны вправо вдоль трещины будет происходить дальнейшее плавное уменьшение амплитуды, причем, без скачков, но по нарастающей величине. И, наконец, в момент полного перекрытия намоткой 10 всей трещины по длине, опять скачком произойдет уменьшение амплитуды вынужденнных колебаний. При необходимости проведения контроля с высокой степенью точности для наиболее ответственных конструкций I оба вышеописанных режима можно совместить и провести один за другим при минимально возможной ширине локальных зон в первом режиме и минимальном увеличении ширины приращения локальной зоны при каждом измерении во втором режиме. Принцип действия предложенного устройства ничем не отличается от принципа работы устройств [4] и [5] того же заявителя, и описан в вышеуказанных источниках довольно подробно.
По мнению заявителя, предлагаемое устройство, по сравнению с известным, довольно универсально, позволяет использовать известную и отработанную в течение многих лет конструкцию намоточного станка [6], а также обеспечивает возможность достижения высокой точности контроля и разрешающей способности, причем, достижение этих метрологических параметров может прогнозироваться с заранее заданной степенью достоверности.