Ультразвуковой катящийся преобразователь для неразрушающего контроля
ULTRASONIC ROLLING TRANSDUCER FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии различных изделий, в том числе в труднодоступных (ограниченных) местах, ультразвуковым теневым методом.
Ультразвуковые катящиеся преобразователи позволяют проводить теневой контроль без использования контактной жидкости. Излучающий цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь формирует ультразвуковые волны в контролируемом изделии, а приемный цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь принимает эти волны с противоположной стороны контролируемого изделия.
Известен ультразвуковой катящийся преобразователь (SU 1259177 А1, G01N 29/04, 23.09.1986), содержащий скобу с упорами, связанный с ней вал, полый ролик, установленный на валу с возможностью вращения, масленую прослойку между роликом и мягким протектором, пьезоэлемент с направляющей, упруго связанный с валом в направлении, перпендикулярном его оси, через пружину, и узел упругой подвески, установленный между скобой и валом, а также, узел управления прижатия пьезоэлемента, выполненный в виде перекладины с винтами, установленной в полости вала и связанной с направляющей пьезоэлемента.  Недостатком данного ультразвукового катящегося преобразователя является сложность его конструкции и наличие масла между роликом и протектором, которое в случае разрушения ролика может попасть на контролируемый материал изделия.
Известен ультразвуковой катящийся искатель (SU 934358 А1, G01N 29/04, 07.06.1982), содержащий ось, расположенный на ней преобразователь ультразвуковых колебаний и обод с эластичным протектором, установленный коаксиально с осью, с возможностью скольжения, поверхность оси сопряжена с внутренней поверхностью обода.  Недостатком данного ультразвукового катящегося искателя является сложность его конструкции и наличие контактной жидкости в зазоре между осью и ободом эластичного протектора, которая может попасть на контролируемый материал изделия.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является ультразвуковой катящийся преобразователь (SU 1392493 А1, G01N 29/04, 30.04.1988), который содержит П-образный корпус, снабженный центрирующими шайбами, полый цилиндрический пьезоэлемент с протектором, установленный с возможностью вращения вокруг собственной оси между боковыми стенками корпуса, скользящие токосъемники, установленные на боковых стенках корпуса и на пьезоэлементе, включающие стержневые элементы с шаровидным контактирующим концом и подпружиненные к ним пластинчатые элементы. Недостатком указанного ультразвукового катящегося преобразователя, взятого в качестве прототипа, является сложность его конструкции и возможность пропадания электрического контакта между скользящими токосъемниками, установленными на боковых стенках корпуса и на пьезоэлементе в процессе длительной эксплуатации.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является упрощение конструкции преобразователя, а также повышение надежности электрического контакта между вращающимся цилиндрическим пьезоэлементом и скользящими токосъемниками преобразователя.
по предложению
Указанный технический результат достигается тем, что предложен ультразвуковой катящийся преобразователь для неразрушающего контроля, содержащий П-образный корпус, полый цилиндрический пьезоэлемент, протектор, установленный с возможностью вращения вокруг собственной оси, скользящие токосъемники, установленные в корпусе, корпус, выполненный из стали, является разъемным в плоскости, проходящей через плоскость вращения пьезоэлемента, и состоит из двух частей, которые изолированы между собой посредством электроизолирующей прокладки, при этом в одной из частей корпуса установлен разъем с проводами, соединяющимися с каждой из частей корпуса для электрического снабжения токосъемников из сплава на основе меди, установленных внутри соосных отверстий корпуса и электрически соединенных с пьезоэлементом, при этом между пьезоэлементом и протектором установлен и жестко присоединен к ним тонкостенный цилиндр из инструментальной углеродистой стали. Для изготовления корпуса ультразвукового катящегося преобразователя используют сталь аустенитного или перлитного класса. Части корпуса соединены между собой электроизолированным болтовым соединением. Тонкостенный цилиндр присоединен к пьезоэлементу при помощи клеевого соединения. В качестве клеевого соединения используют эпоксидный клей. В качестве эластичного материала с низким коэффициентом затухания ультразвуковых волн для изготовления протектора используют силикон, полиуретан или латекс. Рабочая частота преобразователя находится в диапазоне от 0,2 до 5 МГц. В качестве изолирующего состава для покрытия корпуса снаружи используют эмаль ЭП 919.
На фигуре 1 представлен преобразователь, сечение в плоскости, проходящей через ось вращения: 1 - изделие, 2 - протектор, 3 - тонкостенный металлический цилиндр, 4 - цилиндрический пустотелый пьезоэлемент, 5 - фторопластовая заглушка, 6 - скользящие токосъемники, 7 - провод, 8 - корпус, 9 - электроизолирующая прокладка, 10 - разъем с проводами.
На фигуре 2 представлен преобразователь, вид снизу: 2 - протектор, 5 - фторопластовые заглушки, 6 - скользящие токосъемники, 8 - корпус, 11 - электроизолированное болтовое соединение.
На фигуре 3 представлен внешний вид преобразователя: а - фронтальный вид, б - вид сбоку, в - вид снизу.
Ультразвуковой катящийся преобразователь содержит корпус 8, который состоит из двух частей и является разъемным в плоскости, проходящей через плоскость вращения пьезоэлемента 4. Корпус 8 выполнен из стали перлитного или аустенитного класса, например, марок Ст3, Ст20, 08Х18Н10Т, 12Х18НОТ. Части корпуса 8 соединяются между собой электроизолированным болтовым соединением 11. Между частями корпуса также расположена прокладка 9 из электроизолирующего материала, например, резины. В одну из частей корпуса 8 установлен разъем 10, соединенный проводами отдельно к каждой из частей корпуса 8 для электрического снабжения токосъемников. На цилиндрический пустотелый пьезоэлемент 4 зафиксирован при помощи клея, например, эпоксидного, металлический тонкостенный цилиндр 3, защищающий пьезоэлемент 4 от механических повреждений и обеспечивающий простую замену протектора 2. Протектор 2, выполненный из эластичного материала с низким коэффициентом затухания ультразвуковых волн, например, силикона, полиуретана, латекса, акустически связан с металлическим тонкостенным цилиндром 3. С двух сторон цилиндрического пустотелого пьезоэлемента 4 расположены фторопластовые заглушки 5, имеющие соосно скользящие токосъемники 6, электрически соединенные проводами с наружным и внутренним электродами цилиндрического пустотелого пьезоэлемента 4. Скользящие токосъемники 6, выполненные в виде стержней из сплава на основе меди, например, латуни, обеспечивают хорошее качение внутри соосных отверстий металлических частей корпуса 8. Части металлического корпуса 8 снаружи покрыты изолирующем составом, например, эмалью ЭП 919, что обеспечивает их электроизоляцию.
Ультразвуковой катящийся преобразователь работает следующим образом. От внешнего источника (генератора ультразвукового дефектоскопа) через разъем с проводами 10 и части корпуса 8 проходит электрический ток  к скользящим токосъемникам 6, возбуждающий пьезоэлемент 4. Пьезоэлемент 4 преобразует электрические сигналы в импульсы ультразвуковых колебаний, которые через металлический цилиндр 3 и протектор 2 передаются на контролируемую поверхность изделия 1. Вращательное движение пьезоэлемента 4 обеспечивается за счет скользящих токосъемников 6, расположенных во фторопластовых заглушках 5 и проходящих внутри соосных отверстий металлических частей корпуса 8. В процессе контроля преобразователь, вращаясь, катится по поверхности изделия 1, вступая с ним в акустический контакт, стабильность которого гарантируется деформацией протектора 2. Пьезоэлемент 4 при этом излучает ультразвуковые колебания частотой в диапазоне от 0,2 до 5 МГц, что обеспечивает возможность проведения ультразвукового контроля большинства известных материалов с различными акустическими свойствами. Данные колебания, пройдя через поверхность изделия 1, поступают на соосно установленный другой аналогичный преобразователь (не показан). В этом преобразователе происходит трансформация принятых ультразвуковых колебаний в электрический сигнал, параметры которого несут информацию о качестве контролируемой поверхности изделия 1. Электрический сигнал принимается усилителем ультразвукового дефектоскопа. Скользящий контакт способствует концентрации механического усилия и разрыву окисных пленок, что обеспечивает надежность электрического контакта. Кроме того, за счет антифрикционных свойств латуни механический контакт сталь-латунь обеспечивает хорошее качение цилиндрического пустотелого пьезоэлемента внутри соосных отверстий половин корпуса 8 катящегося преобразователя.
В случае необходимости разборка ультразвукового катящегося преобразователя осуществляется следующим образом: отворачивают болтовое соединение 11 и разъединяют две части корпуса 8, так чтобы не нарушить провода, идущие через разъем 10. Затем вынимают из соосных отверстий частей корпуса 8 валы-электроды, вместе с фторопластовыми заглушками 5 и цилиндрическим пустотелым пьезоэлементом, находящимся внутри металлического цилиндра 3. При необходимости на этом этапе можно заменить изношенный протектор 2, не повреждая цилиндрический пустотелый пьезоэлемент 4, защищенный тонкостенным металлическим цилиндром 3. Кроме того, на этом этапе также можно установить другой узел цилиндрического пустотелого пьезоэлемента, например, имеющий другую рабочую частоту, и произвести сборку преобразователя в обратном порядке. В ходе работы узла электрического контакта его выработки практически не наблюдается.
Согласно вышеуказанной конструкции преобразователь имеет следующие габаритные размеры: ширина - 22 мм, высота - 38 мм и длина - 24 мм, которые меньше, чем у серийно выпускаемых преобразователей, что позволяет проводить ультразвуковой контроль теневым методом в труднодоступных участках изделий 1. Конструкция по заявленному изобретению обеспечивает возможность быстрой разборки и сборки преобразователя. Использование в конструкции преобразователя защитного металлического тонкостенного цилиндра 3 обеспечивает возможность замены эластичного протектора 2 по мере его износа без вывода из строя пьезоэлемента 4, что повышает ремонтопригодность преобразователя.
Таким образом, заявленный преобразователь может широко использоваться для ультразвукового контроля теневым методом различных изделий с целью поиска внутренних дефектов.