УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR COLLISIONAL FLAW DETECTION OF MATERIALS

Устройство относится к области дефектоскопии, в частности к устройствам неразрушающего контроля различных материалов, и может быть использовано для дефектоскопии как самих материалов, так и изделий из них (металлические трубы и конструкции, листовой материал и т.д.).
Известно средство для дефектоскопии, в котором реализуется метод свободных колебаний, содержащее ударник-вибратор, возбуждаемый электромагнитом, приемник с пьезоэлементом и усилитель с индикатором (Ланге Ю.В., Устинов Е.Г. Низкочастотный акустический дефектоскоп АД - 60С, Дефектоскопия, 1989, №1, с.12-15).
Недостатками данного устройства являются относительно низкая чувствительность, а также значительный уровень шума, возникающего при работе устройства, неудобство работы при ручном сканировании.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является устройство для ударной дефектоскопии, содержащее корпус, размещенный в нем ударник и электронный блок с усилителем и индикатором (Патент РФ №2167419 по кл. G01N 29/04 от 12.29.1998 г.).
Недостатком данного устройства является относительно низкая чувствительность, обусловленная тем, что чувствительность зависит от плотности и надежности контакта между ударником и поверхностью исследуемого изделия. Кроме того, устройство содержит приводной элемент для обеспечения ударных воздействий на испытуемый материал с определенной частотой, что усложняет конструкцию самого устройства.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении чувствительности устройства, упрощении конструкции, обеспечении возможности контролировать не только слоистые материалы и снижении веса и габаритов.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для ударной дефектоскопии, содержащем цилиндрический корпус с расположенным в нем ударником, электронный блок с усилителем и индикатор, ударник выполнен в виде стержня, свободно охватываемого пружиной растяжения, один конец которой жестко закреплен в верхней части стержня, а другой - на стенке корпуса, при этом в нижней части корпуса соосно со стержнем свободно расположен съемный подпружиненный боек, контактируемый с нижней торцевой поверхностью стержня, в верхней части корпуса расположена втулка с возможностью регулировки и фиксации ее относительно корпуса, в нижней части втулки закреплены ручки для фиксации стержня во взведенном положении, в верхней части стержня также закреплены ручки, причем в верхней части втулки выполнены продольные пазы для свободного перемещения ручек при взводе пружины растяжения, на верхней поверхности стержня жестко закреплен датчик измерения силы удара, электронный блок снабжен компьютерным устройством, генератором эталонного сигнала, аналого-цифровым преобразователем и чувствительными датчиками, при этом входы усилителя соединены с чувствительными датчиками и датчиком измерения силы удара, выход усилителя соединен с аналого-цифровым преобразователем, а компьютерное устройство снабжено программным блоком, входы которого соединены соответственно с чувствительными датчиками, датчиком измерения силы удара, а выход программного блока соединен с генератором эталонного сигнала, выход которого соединен со входом компаратора компьютерного устройства, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход компаратора соединен со входом анализатора сигнала компьютерного устройства, при этом выход анализатора сигнала соединен с индикатором компьютерного устройства.
На фиг.1 представлен общий вид ударника устройства для ударной дефектоскопии материалов.
На фиг.2 представлена схема электронного блока устройства для ударной дефектоскопии.
На фиг.3 представлены осциллограммы электрических сигналов датчиков, устанавливаемых на контролируемом изделии.
Устройство для ударной дефектоскопии содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещен ударник в виде стержня 2, охватываемого пружиной растяжения 3, один конец которой жестко закреплен в верхней части стержня, а другой - на стенке корпуса при помощи винтов 4 и 5. В нижней части корпуса соосно со стержнем расположен съемный подпружиненный боек 6, контактируемый с нижней торцевой поверхностью стержня 2. В верхней части корпуса расположена втулка 7 с возможностью регулировки и фиксации по высоте относительно корпуса. Это достигается тем, что втулка на стержне крепится разъемно при помощи резьбового соединения, а фиксация положения втулки осуществляется при помощи гайки 8.
В нижней части втулки закреплены ручки 9 для фиксации стержня во взведенном положении, а в верхней части стержня также закреплены ручки 10, причем в верхней части втулки выполнены продольные пазы 11 для свободного перемещения ручек при взводе пружины растяжения и пазы 12 для фиксации стержня. Нижняя часть корпуса снабжена фланцем 13, устанавливаемым на испытуемый материал через упругий (резиновый) элемент 14. На верхней торцевой поверхности стержня жестко закреплен датчик 15 для измерения силы удара бойка 6 о поверхность испытуемого изделия.
Электронный блок содержит компьютерное устройство 16, генератор эталонного сигнала 17, усилитель 18, аналого-цифровой преобразователь 19 и чувствительные датчики 20 и 21. Компьютерное устройство содержит компаратор 22, анализатор сигнала 23, программный блок 24 и индикатор 25. Входы усилителя соединены с чувствительными датчиками 20 и 21 и с датчиком измерения силы удара 15. Выход усилителя соединен с аналого-цифровым преобразователем, а выход программного блока соединен с входом генератора эталонного сигнала, выход которого соединен с входом компаратора, другой вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, причем выход компаратора соединен со входом анализатора сигнала, а выход его с индикатором.
Предложенное устройство для ударной дефектоскопии использует локальный метод свободных колебаний, основанный на ударном возбуждении в контролируемом объекте свободно затухающих упругих колебаний и анализе их спектра. Признаком дефекта служит изменение спектра по сравнению со спектром в бездефектных зонах материала или изделия.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы фланец 13 устанавливается на плоскость или поверхность испытуемого материала или изделия. Установка осуществляется таким образом, чтобы боек 6 находился над зоной, по которой будет осуществлен удар ударником устройства. Для взведения пружины 3 ручку 10 поднимают вверх по пазам 11, осуществляя растяжение пружины 3 и подъем стержня на определенную величину h, обуславливаемую требуемым значением силы удара по поверхности материала. После этого поворотом ручки 10 на 90° осуществляется фиксация стержня 2 во взведенном состоянии в пазах 12. Освобождение стержня 2 осуществляется поворотом ручки в противоположную сторону и выводом ее из пазов 12 до момента касания упоров ручки в пазах 11. Запасенная во время растяжения пружины 3 энергия передается на стержень 2 и через его нижнюю поверхность - на боек 6, который ударяет по поверхности исследуемого материала.
В начальный момент касания бойка с поверхностью материала в результате ударного нагружения образуются волны, которые распространяются по длине исследуемого образца. Временная зависимость амплитуды таких волн и их амплитудно-частотная характеристика зависит от силы удара бойка, упругих свойств его материала, свойств исследуемого материала и нарушения его структуры (наличие дефектов).
Для исключения возможности повторных ударов бойка 6 по испытуемому изделию боек подпружинен и находится на расстоянии «N» от ударяемой поверхности. Указанное расстояние выбирается либо при помощи гайки, закрепленной в нижней части корпуса, либо толщиной упругой прокладки.
Возможные повторные удары между торцами стержня и бойка передают через амортизирующий слой 14 незначительные колебания, которые не вносят существенного влияния на характеристики исследуемых динамических процессов.
Датчик 15, установленный на верхней части стержня 2, позволяет определять максимальное ускорение (силу), развиваемое на бойке в момент удара по изделию.
При помощи датчика 21, установленного рядом с зоной удара, регистрируются начальные сигналы на испытуемом изделии (кривая 1 на фиг.3). С датчика 20, установленного на контролируемом расстоянии, снимаются сигналы, показанные на фиг.3 (кривая 2). По горизонтальной оси показано время в миллисекундах, по вертикальной оси - ускорения датчика-пьезоакселерометра. При помощи различных типов бойков, отличающихся материалом и формой, можно формировать различные характеристики ударных волн и колебаний в испытуемом изделии.
Полученные с датчиков сигналы передаются на усилитель 18, блок 19 и блок 22, в котором происходит сравнение с эталонным сигналом, подаваемым от генератора эталонных сигналов 17 с дальнейшей передачей в анализатор сигнала 23. Указанные действия выполняются при помощи программного блока 24 и окончательный сигнал поступает на индикатор 25 компьютерного устройства 16.
По полученным осциллограммам можно определить время распространения волны до места дефекта и ее скорость, а следовательно, и место нахождения дефекта.
Предложенное устройство компактно, не сложно в эксплуатации и не является громоздким. Использование одиночных ударов повышает чувствительность за счет исключения, по отношению к известным, дополнительных средств для анализа сложного спектра сигналов, включающих колебания под действием ударных волн в материале и колебаний самого ударника.