ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УДАРНИК

Полезная модель относится к акустическим способом неразрушающего контроля, основанным на возбуждении свободно затухающих упругих колебаний в контролируемом объекте или его части и анализе параметров этих колебаний и может быть использовано в различных отраслях промышленности и испытательной технике.
Преимуществами метода свободных колебаний перед другими низкочастотными методами являются возможность контроля изделий из материалов с малыми модулями Юнга и высокими коэффициентами затухания упругих колебаний (резины, пенопласта и т.п.) и обнаружение дефектов на большей глубине (до 30 мм в пластиках).
Основные способы ударного возбуждения упругих колебаний в контролируемом изделии: 1) механический (электро-механический), 2) пьезоэлектрический, 3) электромагнитно-акустический, 4) газодинамический, 5) оптический. Наиболее применяем первый способ, в качестве возбудителя используют устройства, подвижные системы которых приводятся в движение электромагнитными механизмами. В ударных преобразователях контролируемый объект возбуждается электромагнитным ударником.
Известно устройство для определения дефектов в материалах, содержащее ферромагнитный корпус, размещенный в нем ударник со штоком, наконечник в виде шарового сегмента, сферическая часть которого обращена к ударнику, плоская - к поверхности испытуемого объекта, соленоид закрепленный в корпусе коаксиально ударнику и связанный с источником переменного тока, регистрирующий прибор. На верхней части штока размещен постоянный магнит и возвратная пружина (А,С. №1597688 опубл. 07.10.1990 г, БИ №37).
Недостатками известного устройство является то, что ударник осуществляет удары по наконечнику, соприкасающемуся с контролируемым объектом с частотой 50 гц, в результате чего ударник отскакивает от наконечника, а скорость отскока измеряется электромагнитным датчиком, соединенным со штоком ударника. Это усложняет конструкцию ударника и снижает точность определения дефектов в контролируемом материале, т.к. оно осуществляется не методом свободных колебаний возбуждаемом в нем.
Известно устройство, реализующее способ для неразрушающего контроля многослойных изделий (Патент РФ №2168722 опубл. 10.06 2001 г.), которое состоит из первичного преобразователя, электромагнита, усилителя-формирователя синхроимпульса, формирователя импульса тока электромагнита, измерителя периода ударных импульсов и микрофон
Первичный преобразователь состоит из ферромагнитного корпуса, стального ударника цилиндрической формы, который может свободно перемещаться вдоль вертикальной оси в канале катушки электромагнита, а при отсутствии тока в катушке, он опирается нижним, закругленным для обеспечения центрального точечного удара, торцом на контролируемое изделие таким образом, что центр тяжести ударника находится ниже центральной точки катушки. Помимо катушки в корпусе находится и микрофон.
Устройство работает следующим образом. В исходном положении нижний торец ударника 1 опирается на поверхность контролируемого изделия и его центр тяжести находится ниже центра катушки электромагнита (чтобы ударник не выпадал из полости катушки при отсутствии изделия, его верхняя часть имеет больший диаметр, а нижняя часть полости электромагнита имеет диаметр меньший, чем диаметр верхней части ударника, причем при наличии контролируемого изделия верхняя часть ударника не доходит до нижней части канала катушки, имеющей меньший диаметр). При подаче начального запускающего импульса напряжения на электромагнит ударник втянется в катушку, а затем свободно падая, нанесет удар по поверхности изделия. Ударный импульс приведет к отскоку ударника. Звук от удара улавливается микрофоном, преобразующим его в электрический импульс. Усилитель-формирователь синхроимпульса усиливает этот импульс и по его переднему фронту формирует очень короткий синхронизирующий импульс, поступающий на входы формирователя импульса тока электромагнита и измерителя периода ударных импульсов. Формирователь импульса тока электромагнита при поступлении на его вход синхроимпульса формирует импульс тока электромагнита заданной амплитуды и регулируемой длительности, который поступает на катушку электромагнита. Этот импульс придает ударнику дополнительное ускорение в самом начале его движения вверх. С момента окончания электромагнитного импульса ударник движется вверх по инерции за счет запасенной в нем кинетической энергии, преодолевая силу тяжести. Когда кинетическая энергия полностью перейдет в потенциальную, начнется свободное падение ударника вниз. В дальнейшем процесс будет повторяться, сделавшись автоколебательным. При установившемся режиме колебаний ударника их период перестанет увеличиваться и при ударе по одной и той же точке изделия и постоянстве электромагнитного импульса установятся определенные амплитуда и частота колебательных движений ударника, которые далее будут зависеть только от упругих свойств поверхности контролируемого изделия в точке удара. По изменениям периода колебаний ударника при сканировании поверхности изделия можно судить об изменении упругих свойств, вызываемых наличием в зоне удара внутренних дефектов (пустот, расслоений, некачественных клеевых, сварных или паяных соединений между слоями и т.п.).
Такая конструкция электромагнитного ударника не обеспечивает идентичность силы удара автоколебательного процесса, т.к. возможен перекос положения ударника, залипание его при ударе и деформацию закругленного конца ударника.
0
1
Известен первичный преобразователь ударно - акустического дефектоскопа (патент РФ №2164023 опубл. 27.09.2000 г.), ударная система которого состоит из ударника, выполненного в виде тонкой иглы, ударный конец которой затуплен, а противоположный конец жестко запрессован в ферромагнитный плунжер 2 электромагнита броневого типа, в магнитопроводе которого имеется осевой канал, в котором может свободно перемещаться ударник. Магнитопровод состоит из нижней и верхней частей, свинчиваемых друг с другом. Нижняя часть магнитопровода имеет удлиненный хвостовик. Верхняя часть имеет в крышке отверстие, в котором может свободно перемещаться плунжер. В полости магнитопровода расположена катушка электромагнита, питаемая короткими прямоугольными импульсами напряжения. Плунжер в состоянии покоя удерживается конической пружиной таким образом, что между нижним торцом плунжера и верхним торцом центральной части магнитопровода остается начальный зазор б, превышающий зазор б между ударным концом ударника и верхней плоскостью тела - "посредника", в качестве которого используется стальной шарик с сошлифованным верхним сегментом для получения плоской площадки, по которой наносятся удары. Шарик впаян в центр упругой мембраны, прижимающей шарик к поверхности контролируемого изделия и одновременно выполняющей роль чувствительного элемента индукционного преобразователя механических колебаний, возбуждаемых в изделии, в электрические, для чего мембрана выполняется из ферромагнитного материала. Верхняя часть магнитопровода электромагнита имеет наружную резьбу, на которую навинчивается пластмассовая крышка. Под крышкой помещается шайба из звукогасящего материала (плотная резина), а на дно крышки укладывается демпфер, выполненный из пористой резины. Зазор между верхним торцом плунжера и нижней поверхностью демпфера определяется высотой шайбы.
Приемная система первичного преобразователя, кроме мембраны с впаянным в ее центр шариком, включает тороидальный постоянный магнит с полюсами на плоских поверхностях, магнитопровод и измерительную катушку. Магнитопровод имеет центральное отверстие с резьбой, в которое ввинчивается хвостовик магнитопровода. Его наружная цилиндрическая часть также снабжена резьбой, на которую сверху навинчивается пластмассовый корпус. В верхней части корпуса имеется отверстие для соединительного кабеля.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции электромагнитного ударника, а наличие шарика - посредника, который воспринимает колебания поверхности контролируемого изделия и передает их через мембрану, являющуюся датчиком магнитной измерительной системы.
Однако, такая конструкция ударника не может обеспечить достаточную точность замеров, а при плотном движении плунжера в катушке электромагнита происходит нагрев ударника и. возможна деформация иглы.
По конструкции наиболее близким техническим решением к заявляемому электромагнитному ударнику является электромагнитный ударный механизм (патент РФ №2096610 публ. 20.11.1997 г.), включающий ферромагнитный корпус, в котором размещена индукционная катушка (соленоид), соединенная с источником импульсного тока, якорь ударник, выполненный из двух частей, одна из которых расположенная внутри индуктивной катушки и выполнена из колец из немагнитного материала токопроводящего материала, электрически изолированных друг от друга, вторая часть из ферромагнитного материала. В тыльной части якоря - ударника расположен фланец, на который опирается возвратная пружина. Корпус ударного механизма закрыт с торцов верхней и нижней крышкой. В нижней крышке корпуса посредством шпонки крепится рабочий инструмент (боек), расположенный с зазором под якорем - ударником и имеющий на конце сферическую форму.
Механизм работает следующим образом.
От источника импульсного тока в индукционную катушку подается импульсный ток. Возникающее в катушке переменное электромагнитное поле при пересечении колец возбуждает в них ЭДС индукции, прямо пропорциональное скорости изменения магнитного потока. При этом в кольцах под действием ЭДС возбуждается электрический ток и в соответствии с законом Лоренца возникает сила, действующая на кольца, передающаяся на якорь-ударник, выталкивая его в направлении рабочего инструмента. Одновременно с этим на ферромагнитную часть якоря-ударника действует сила Максвелла, которая при уменьшении рабочего зазора существенно возрастает и продолжает втягивать верхнюю ферромагнитную часть якоря-ударника в катушку и сообщать ему дополнительную кинетическую энергию, в конце рабочего хода нижняя рабочая часть ударника ударяет по рабочему инструменту, постоянно прижатому к поверхности детали. Возврат якоря-ударника в исходное положение осуществляется пружиной. Далее рабочий цикл повторяется. В исходном положении верхняя плоскость токопроводящих колец должна располагаться ниже геометрической поперечной оси индукционной катушки на расстояние не менее одной десятой части длины катушки. Регулирование исходного положения якоря-ударника осуществляется регулировочным винтом.
К недостаткам известного электромагнитного механизма следует отнести то, что ударник вследствие своей конструкция, при движении внутри катушки электромагнита перегревается, т.к. трение достаточно велико. В результате нагрева, возможно прилипание ударника к бойку. Сама форма бойка не является оптимальной, поэтому может влиять на достоверность получаемых, в результате соударения свободных колебаний.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции электромагнитного ударника повышенной надежности, обеспечивающего идентичность ударов в период возбуждения свободных колебаний в контролируемом объекте и исключающей залипание ударника и деформацию бойка.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее корпус, снабженный торцевыми крышками, внутри которого размещен соленоид, соединенный с блоком питания, якорь - ударник, выполненный из двух частей, причем нижняя часть выполнена из немагнитного электрического материала, а верхняя - цилиндрическая из стали, в тыльной части ударника выполнен фланец, на который опирается возвратная пружина внесены изменения, а именно:
- корпус выполнен из немагнитного материала;
- нижняя часть якоря - ударника - боек выполнен из немагнитного закаленного материала в форме усеченного конуса с телесным углом в диапазоне 135 - 165°;
- по всей боковой цилиндрической части ударника выполнены равномерно с определенным шагом продольные проточки;
- в верхней крышке корпуса выполнены специальные отверстия;
Кроме того, использован блок питания постоянного тока, содержащий электролитические конденсаторы, а верхняя крышка корпуса снабжена демпфером из упругого материала.
Применение корпуса из немагнитного материала исключает наводки на него и потери магнитного поля соленоида.
Боек выполнен конусным, т.к. верхняя расширенная часть обеспечивает надежное соединение его с цилиндрической частью якоря - ударника, а сужение его обеспечивает больший зазор между выходным отверстием корпуса и бойком, что улучшает условия вытекания воздуха из полости катушки соленоида и снижает поршневой эффект, тормозящий ударник для разгона. Выполнение его из закаленного материала повышает его прочность и увеличивает срок эксплуатации.
Оптимальная форма бойка с наконечником была выбрана в результате длительных исследований различных форм бойка при соударении его с поверхностью контролируемого объекта (заостренной, плоской, шаровидной с разными значениями радиуса шара, конусной и т.д.). На основании полученных статистических данных была выбрана форма бойка в виде конуса с телесным углом в диапазоне 135-165° с наконечником, обеспечивающим стабильность параметров возбуждающего ударного импульсаот удара к удару.
Продольные проточки на боковой цилиндрической поверхности ударника, выполненные равномерно, например, с шагом 30°, что снижают трение при движении якоря - ударника внутри соленоида, способствуя его охлаждению и облегчает самоочищение внутренней полости его.
В верхней крышке корпуса выполнены отверстия, которые предотвращают торможение ударника из-за «вакуумирования» зоны за ударником в процесса удара и обеспечивает самоочищение устройства.
Использования блока питания постоянного тока для запуска соленоида обеспечивает внутри катушки равномерное и однородное магнитное поле, направленное вдоль ее оси. Использование в блоке питания достаточно мощных и быстродействующих электролитических конденсаторов обеспечивает возможность протекания через соленоид большого разгонного тока без снижения его величины за время действия разгонного импульса.
Для исключения удара ударника о верхнюю крышку корпуса, она снабжена демпфером, который может быть выполнен из любого упругого материала.
Конструкция электромагнитного ударника поясняется следующими иллюстрациями. На фиг.1 приведен общий вид устройства, на фиг.2 показана форма продольных проточек цилиндрической части якоря - ударника, а на фиг.3 - вид сверху на верхнюю крышку корпуса.
На фиг.1 показан корпус 1, выполненный из немагнитного материала, снабженный с торцов крышками 2 и 3, соленоид 4, размещенный внутри корпуса коаксиально по отношению к якорю - ударнику 5, с фланцем 6, возвратная пружина 7, боек 8, демпфер 9, отверстия 10 и поверхность контролируемого объекта 11. На фиг.1 условно показаны продольные проточки 12, блок питания постоянного тока 13 и электролитические конденсаторы 14.
На фиг.2 изображен вид продольных проточек 12, показывающий форму проточек и угол, образованной их стенками и шаг между проточками.
На фиг.3 приведен вид сверху на верхнюю крышку 3 корпуса 1. На нем показано расположение отверстий 10, а также резьбовое отверстие 15 для крепления демпфера 9.
Возможны различные режимы работы электромагнитного ударника. При ручном режиме, когда рабочий непосредственно устанавливает его на контролируемом объекте можно использовать рукоятку, при автоматическом, если требуется перемещение его во-времени может быть использовано специальное устройство, перемещающее электромагнитный ударник по заданной программе.
Независимо от режима, устройство работает следующим образом. После установки лектромагнитного ударника на поверхность контролируемого объекта, включают блок питания 13 и напряжение постоянного тока поступает на соленоид 4. При протекания тока в обмотке соленоида запасается энергия равная:
2
Е=L*I/2 (1), где L - индуктивность соленоида; I - ток соленоида.
0
Индуктивность соленоида определяется по формуле (2) - L=m*n*V - где,
0
m - магнитная проницаемость вакуума; n - количество витков обмотки соленоида;
V - объем соленоида.
Вследствие протекания в витках катушки соленоида постоянного тока, внутри катушки соленоида 4 создается магнитное поле, которое под действием силы Максвелла, втягивает якорь-ударник 5 в катушку соленоида 4, причем по мере втягивания верхней стальной части ударника в катушку соленоида, скорость втягивания увеличивается, а с ней и кинетическая энергия. В конце рабочего хода бойка 8 ударника ударяет по поверхности контролируемого объекту 11, в котором возбуждаются упругие затухающие колебания. По окончанию действия разгонного импульса возвратная пружина 7 приводит ударник в исходное верхнее положение до контакта с демпфером 9. Далее рабочий цикл повторяется. Для получения достоверного результата цикл включает не менее шести ударов.
Из наличия продольных проточек 12 трение при перемещении ударника в катушке соленоида уменьшается, примерно в 2-3 раза, а с учетом их формы площадь контакта каждого сектора ударника уменьшается в 4 раза, что улучшает эффективность всей системы.
Заявляемая полезная модель обладает рядом преимуществ по сравнению с известными техническими решениями, т.к. повышает надежность работы устройства, облегчает его эксплуатацию и обладает большей эффективностью и достоверностью контроля объектов методом свободных колебаний.
В настоящее время, несколько электромагнитных устройств проходят опытно- промышленные испытания, в частности, на железнодорожном транспорте при контроле колесных пар и тележек железнодорожных вагонов.
После анализа результатов испытаний, предполагается использование электромагнитного ударника и в других возможных областях их применения.