Устройство для контроля трещин в крепежных элементах и валах с резьбой с помощью вихретоковых преобразователей

Полезная модель относится к неразрушающему контролю изделий. Полезная модель предназначена для входного контроля изделий на наличие трещин и других дефектов крепежных элементов и валов с резьбой и для контроля усталостных трещин указанных деталей во время эксплуатации.
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 входного контроля всех видов несплошностей и для контроля усталостных трещин во время эксплуатации в объекте контроля (далее по тексту - ОК), имеющих резьбовую часть, из токопроводящих материалов с большой производительностью труда. Применение устройства позволяет выявить усталостные трещины, поперечные закалочные трещины, волосовины и другие типы несплошностей, выходящие на поверхность или залегающие на небольшой глубине. Предлагаемое устройство может быть изготовлено для любого вида крепежной, кинематической или специальной резьбы. 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 несколько звеньев из немагнитного и нетокопроводящего материала, жестко соединенные между собой с помощью направляющих планок, в которые установлены накладные вихретоковые преобразователи (далее по тексту ВП).
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. Звенья могут раздвигаться по направляющим планкам и фиксироваться в нужном положении. Направляющая планка 4 имеет вертикальное ребро для придания дополнительной вертикальной жесткости - вертикальная и горизонтальная жесткость необходима для соосности звеньев. В каждом звене установлены один или более ВП (см. Фиг. 3 и 4 - элемент 7). Каждый ВП подпружинен пружиной 8 для плотного касания щупа 6 с ОК - 5. Жесткость пружины должна обеспечивать плотное касание, но не сильное давление.
Звено с резьбой является основным. Количество дополнительных звеньев без резьбы зависит от соотношения длин резьбовой и гладкой частей ОК. На Фиг. 5 и 6 показан принцип, по которому считается количество дополнительных звеньев для гладкой части ОК. В то время, как звено 1 пройдет расстояние L1 по резьбе, звенья 2 и 3 пройдут гладкую часть ОК с перекрытием.
Для быстрой установки ОК в рабочее положение контроля звенья со стороны установки ОК должны иметь конические поверхности ( Фиг. 7 ). Чтобы не повредить торцевую поверхность магнитопровода ВП, на время установки ОК в рабочее положение контроля магнитопровод должен быть убран ( задвинут ) в тело звена ( см. Фиг. 8 и 9 ).
Контроль шпилек, имеющих гладкую часть, производится за два прохода с двух сторон - Фиг. 10 и 11. Контроль только резьбовой части ОК проводится одним основным звеном с резьбой.
Для контроля конической поверхности вала устройство должно иметь звено с наклонным ВП - см. Фиг. 12 и 13. Для контроля галтельных частей вала устройство должно иметь звено с поворотным ВП - см. Фиг. 14 и 15. Чтобы исключить ложные сигналы, магнитопровод не должен влотную подходить к сопряжению конусной части вала и цилиндрической ( галтельной части вала и цилиндрической ) - см. Фиг. 16. В случае, если сопряжение небольшое ( как в случае сопряжения цилиндрической части болта и головки - Фиг. 17 ) применимо простое неповоротное звено - 2.
В случае, если резьба ОК крупная и шаг сканирования в гладкой части ОК получается больше, чем требуемая чувствительность, в дополнительном звене без резьбы устанавливается два или более ВП. При установке 2-х ВП, как показано на Фиг. 18, шаг сканирования становится равным d/2.
Чтобы исключить ложные сигналы при контроле сложного профиля резьбовой части ОК необходимо предусмотреть насадку из немагнитного нетокопроводящего материала на торцевую поверхность щупа ( Фиг. 19 ) для контроля канавки резьбы. Насадка, повторяющая по профилю форму резьбы выровняет щуп в канавке. Чтобы исключить ложные сигналы от «краевого эффекта» на выступе резьбы, также требуется насадка, соответствующая профилю выступа витка резьбы ( Фиг. 20 ). Такие насадки одновременно выполняют защитную функцию рабочей поверхности щупа от износа.
Если имеется ОК с очень крупной резьбой, для контроля стенок профиля одного витка может потребоваться несколько ВП. На Фиг. 21 показано размещение 6-ти ВП в одной плоскости звена, перпендикулярной продольной оси ОК.. На Фиг. 22, 23 и 24 показаны три ВП для контроля впадины и одной боковой стороны профиля витка крупной кинематической резьбы. В случае крупной резьбы кроме защитной насадки на рабочую поверхность требуется вставка ( на Фиг. 22 - элемент 13 ), повторяющая профиль канавки витка, для того, чтобы точно определять место касания поверхности витка для каждого ВП.
Во время контроля усталостных трещин в ОК без полной разборки изделия могут быть случаи работы в стесненных условиях, когда ОК находится между ребер жесткости, в углублении и т. п. Конструкцию устройства можно сделать такой, чтобы она в плане    ( вид с торца шпильки или вала ) не превышала размеры гайки. Тогда в любое место, куда может быть закручена гайка, может быть помещено устройство для контроля. На Фиг. 25 и 26 показан вариант, когда корпус ВП помещен вдоль ОК. На Фиг. 27 показано положения щупа в рабочем положении. На Фиг. 28 показан щуп при установке устройства в рабочее положение в задвинутом положении , чтобы не повредить рабочую поверхность щупа. Двухпозициооный переключатель 9 показан условно.
В стесненных условиях может потребоваться компактный вариант устройства, имеющего кроме звена с резьбой дополнительные звенья для контроля гладкой части ОК. На Фиг. 29, 30, 31 и 32 показан вариант устройства с двумя звеньями, в которых ВП расположены вдоль ОК.
Основное применение устройства предполагается для входного контроля крепежных элементов и валов с резьбой.
Во многих случаях устройство позволяет осуществлять контроль усталостных трещин в ОК без полной разборки изделия. На Фиг. 33 и Фиг. 34, как пример, представлен узел крепления крышки гидротурбины. Без ущерба для несущей способности механизма с одной шпильки можно снять гайку и шайбу. Таким образом можно провести контроль предлагаемым устройством последовательно всех шпилек. Шум от работающего агрегата и соседних турбин не мешает работе электромагнитного датчика.
При частичной разборке механизма в случае, если шпилька имеет гладкую часть, контроль проводится по схеме, показанной на Фиг. 35 и 36.
Компьютерным моделированием легко установить минимально достаточное количество звеньев и ВП для любого изделия. Если достаточно одного звена с одним ВП, то устройство может служить датчиком для стандартного (у одного прибора - один датчик) существующего вихретокового дефектоскопа. Если устройство имеет несколько ВП, то, используя стандартный дефектоскоп, контроль можно производить за несколько проходов, либо каждое звено подсоединять к своему прибору. При наличии большого количества ВП и необходимости быстро делать контроль требуется переработать стандартную схему вихретокового дефектоскопа. 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.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 изображена конструкция устройства из одного звена с резьбой для контроля резьбовой части ОК и двух дополнительных звеньев для контроля гладкой части ОК, где обозначено:
1 - звено с резьбой,
2 - дополнительное звено без резьбы
3 - дополнительное звено без резьбы
4 - направляющая планка
5 - ОК,
Звенья могут раздвигаться вдоль направляющих планок и фиксироваться в необходимом положении. Устройство фиксации условно не показано.
На Фиг. 2 показан разрез А-А вдоль оси ОК ( вид сверху ), где обозначено:
6 - щуп
7 - вихретоковый преобразователь
8 - пружина ВП ( прижимает ВП к ОК в рабочем положении ).
Направляющая планка условно не показана. ВП может перемещаться в направлении поперек ОК и подпружинен пружиной 8 для плотного касания с ОК - 5. Зазор между ферромагнитным сердечником ВП и ОК обеспечивается защитным колпачком, одетым на сердечник. Колпачок условно не показан.
На Фиг. 3 показан разрез звена 1 с внутренней резьбой, соответствующей внешней резьбе ОК - 5. Звено имеет два ВП. Один ВП установлен для контроля впадины резьбы (основания резьбы). Другой ВП установлен для контроля вершины резьбы.
На Фиг. 4 показан разрез звена 3 для контроля гладкой части ОК.
На Фиг. 5 и 6 показан принцип, по которому считается количество дополнительных звеньев для гладкой части ОК. На Фиг. 5 - начальное положение контроля: звенья раздвинуты вдоль направляющих планок и зафиксированы в таком положении, что в то время, как звено 1 пройдет расстояние L1 по резьбе, звенья 2 и 3 пройдут гладкую часть ОК с перекрытием. На Фиг. 6 - конечное положение звеньев при контроле: расстояния L1-2 и L2-3 - зоны перекрытий участков контроля звеньев.
На Фиг. 7 толстыми линиями показаны внутренние конические поверхности для быстрой установки ОК в рабочее положение контроля. ОК при установке в звено 3 может быть не соосен внутреннему отверстию звена 3. По конической поверхности звена 3 ОК будет направлен в отверстие звена 3. Так как диаметр внутреннего отверстия звена 3 больше диаметра ОК, то при установки ОК в звено 2 ОК может быть на соосен внутреннему отверстию звена 2. По конической поверхности звена 2 ОК будет направлен в отверстие звена 2. Аналогично при установке ОК в звено 3 ось ОК может не совпадать с осью резьбового отверстия звена 1. По конической поверхности звена 3 ОК будет направлен в резьбовое отверстие звена 3.
На Фиг. 8 показано положение ВП в нерабочем положении, где обозначено:
9 - двухпозиционный переключатель ( показан условно ).
На время установки ОК в рабочее положение контроля ВП задвинут в тело звена, чтобы не повредить выступающий щуп.
На Фиг. 9 показано положение ВП в рабочем положении. Щуп выдвинут в отверстие звена.
На Фиг. 10 показан контроль левой части резьбы и гладкой части шпильки. Направляющая планка устройства условно не показана. На Фиг. 10 ОК вкручивается в устройство справа налево.
На Фиг. 11 показан контроль правой части резьбы шпильки, имеющей гладкую часть. Направляющая планка устройства условно не показана. На Фиг. 11 ОК вкручивается в устройство слева направо. Контроль только резьбовой части ОК проводится одним основным звеном 1 с резьбой.
На Фиг. 12 и 13 показано звено с наклонным ВП для контроля конической части вала, где обозначено:
10 - механизм поступательной подачи ВП.
Угол наклона ВП должен соответствовать углу конусности: щуп должен быть перпендикулярен поверхности конуса. Информация с данного ВП должна сниматься только в пределах конусной части. Длину участка для работы данного звена задать по соответствующему количеству витков в резьбовой части ОК. После прохождения щупом рабочего участка конусной части необходимо отключить ВП, чтобы не было ложных сигналов у мест сопряжений конусной части вала с цилиндрической частью.
Чтобы в положении ВП, как на Фиг. 12, не было сильного давления на торцевую поверхность магнитопровода от сжатой пружины следует предусмотреть механизм 10 поступательной подачи ВП. На Фиг. 12 и 13 механизм 10 показан условно в виде поршня. Движение механизма должно быть согласовано движением звена 1 по резьбовой части вала (с шагом резьбы). Звено 1 с резьбой условно не показано.
На Фиг. 14 и 15 показано звено с поворотным ВП для контроля галтельной части вала. Угол наклона ВП требуется согласовать с движением звена 1 по резьбовой части вала (с шагом резьбы ). По мере прохождения щупом галтельной части вала ВП должен поворачиваться, чтобы щуп всегда был перпендикулярен поверхности галтельной части в точке касания. Звено 1 с резьбой условно не показано.
На Фиг. 16 показано положение ВП при контроле конусной и галтельной части вала, где обозначено:
а - нерабочая зона конусной части вала для касания щупом
b - нерабочая зона галтельной части вала для касания щупом
В конусной части вала предусмотреть нерабочую зону для щупа расстоянием “а” ( в галтельной части - “b” ). Расстояния “а” и “b” должны обеспечивать контроль всей поверхности без пропусков, в то же время исключая ложные сигналы. Расстояния определить компьютерным моделированием.
На Фиг. 17 показано сопряжение гладкой части болта с головкой болта, где обозначено:
с - длина сопряжения.
Щуп не должен заходить в зону сопряжения поверхностей, чтобы исключить ложные сигналы. Для сопряжения с большим радиусом компьютерным моделированием определить возможность использования неповоротного звена. Если сопряжение больше, чем зона контроля, то работу проводить по схеме, как для галтельной части ОК на Фиг. 14 и 15.
На Фиг. 18 показано звено без резьбы с двумя ВП в одном поперечном сечении, где обозначено:
d - шаг резьбы.
При установке двух ВП в одном поперечном сечении шаг сканирования в гладкой части ОК становится равным d/2. В зависимости от шага резьбы и требуемой чувствительности компьютерным моделированием определить минимальное количество ВП. Звено с резьбой условно не показано.
На Фиг. 19 показана насадка на рабочую част щупа ВП, где обозначено:
11 - насадка на рабочую часть щупа,
12 - контур профиля резьбы,
Насадка 11, повторяя форму профиля канавки витка, позволяет щупу точно находится в точке рабочего положения.
На Фиг. 20 показана насадка для вершины резьбы, где обозначено:
На витке слева щуп ВП, сместившийся за счет люфта, создаст ложные сигналы из-за краевого эффекта. Насадка, повторяющая форму профиля вершины резьбы, выровняет симметричное положение щупа.
На Фиг. 21, 22, 23 и 24 показан вариант крупной кинематической резьбы, где обозначено:
13 - вставка, повторяющая профиль канавки витка.
Для крупной резьбы, чтобы перекрыть для контроля всю поверхность профиля витка, может потребоваться несколько ВП. На Фиг. 21 показано размещение 6-ти ВП в одной плоскости. На Фиг. 22, 23 и 24 показаны три из 6-ти ВП для контроля впадины резьбы и одной боковой поверхности.
На Фиг. 25 показан вариант расположения ВП вдоль объекта контроля, чтобы уменьшить габариты ВП в плоскости перпендикулярной оси ОК, где обозначено:
14 - пружина.
На Фиг. 26 показан вид в плане на звено с резьбой в начальном положении контроля ОК.
На Фиг. 27 показан узел А ( для Фиг. 25 ) в рабочем положении щупа ВП, где обозначено:
15 - шарниры магнитопровода.
На Фиг. 28 показан узел А ( для Фиг. 22 ) в нерабочем положении щупа ВП.
Двухпозиционный переключатель 9 положения щупа показан условно. Пружина 14 дает возможность сместится корпусу ВП вверх, когда происходит переключение щупа из одного устойчивого положения двухпозиционного переключателя в другое (положения переключателя «включено / выключено»).
На Фиг. 29 показан вариант из двух звеньев, в которых ВП расположены вдоль ОК, где обозначено:
16 - отверстие для следующего дополнительного звена.
Направляющие планки условно не показаны.
На Фиг. 30, 31 и 32 показаны разрезы для Фиг. 29.
На Фиг. 29 звенья 1 и 2 расположены близко друг к другу. Чтобы выступающая часть звена 2, в которой расположен корпус ВП - 7, не мешала близкому расположению звеньев 1 и 2 в звене 1 предусмотрено отверстие 16, в которое проходит звено 2. Такое же отверстие 16 имеется в звене 2 на случай, если требуется присоединение следующих дополнительных звеньев.
На Фиг. 33 представлен узел крепления крышки гидротурбины в сборе, где обозначено:
17 - статор гидротурбины,
18 - ротор гидротурбины,
19 - гайка,
20 - шайба.
Усталостная трещина находится под первым самым нагруженным витком гайки и при снятой гайке доступна для контроля.
На Фиг. 34 при снятых гайке и шайбе устройство установлено на шпильку для контроля. Витки шпильки показаны условно крупно. Размер устройства показан по отношению к шпильке условно крупно. В стесненных условиях принят вариант с ВП, расположенным вдоль ОК.
На Фиг. 35 и 36 (вид сверху) показана установка устройства на шпильку, где обозначено:
21 - щуп с изогнутым магнитопроводом,
22 - корпус механизма, в который вкручена шпилька (для примера так выглядит шпилька моторного блока при частичной разборке),
В случае, если крышка блока снята, у шпильки видно гладкую часть. В этом случае контроль проводится с дополнительным звеном без резьбы. Если условия не стесненные, то удобнее пользоваться звеньями с ВП, расположенными перпендикулярно ОК. Чтобы не было мертвой зоны для контроля в основании ОК, щуп 21 следует изогнуть, как на Фиг. 35.