Способ определение локальных внутренних напряжений в конструкционных материалах

© A.B. Серебренников, 2014

УДК 621.87.

А.В. Серебренников

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Разработан ультразвуковой способ определения локальных внутренних механических напряжений в конструкционных материалах, пригодный для диагностики и мониторинга ответственных деталей и узлов горных машин. Предложен способ измерения скорости ультразвука в локальных областях элементов горного оборудования. По скорости ультразвука в указанных областях определяются механические напряжения. Сконструирована экспериментальная установка для регистрации эхо-сигналов от внутренних локальных областей конструкций, подверженных внешним нагрузкам. Зарегистрированы эхо-сигналы ультразвуковых волн от внутренних областей образцов (Сталь-3), направленных перпендикулярно распространению ультразвуковых импульсов, генерируемых пьезопреобразователем. Полученные результаты являются весомым вкладом в разработку устройства для определения локальных внутренних напряжений в ответственных конструкциях горных машин, а именно, стрелы, рукояти экскаватора и т.п.

Ключевые слова: дефекты металлоконструкций горных машин, методы и приборы неразрушаюшего контроля, ультразвуковой способ определения напряжений.

Введение.

Актуальной проблемой при эксплуатации горного оборудования, находящегося под большими нагрузками, является определение локальных внутренних механических напряжений в ответственных конструкциях. Как показывает практика, надёжность и ресурс оборудования определяются в основном зонами концентрации напряжений, в которых уровень фактических напряжений может достигать предела текучести и выше.

Концентраторы напряжений, обусловленные конструкцией изделия, т.е. наличием отверстий, резких переходов от более толстого к тонкому сечению, механических надрезов и др., создают силовое поле, расчет которого можно провести для только простых форм металлических конструкций, используя теорию упругих деформаций [1, 2]. Кроме то-

го, концентрации напряжений возникают материалах в областях внутренних дефектов и неоднородно-стей, а также в зонах устойчивых полос скольжения дислокаций, обусловленных действием рабочих нагрузок. Расчет напряжений вокруг микродефектов чрезвычайно сложен и имеется небольшое количество работ, в которых проведен численный расчет внутренних напряжений в материале для случая плоской деформации, созданной пространственной структурой дислокаций [3]. В работах [4-6] исследованы механизмы зарождения микротрещин от внутренних напряжений в конструкционных сталях. Предложена кинетическая модель [7] замедленного разрушения закаленной стали, описывающая зависимость времени до зарождения трещины от остаточных внутренних микронапряжений, сопротивления сколу, уровня прило-

Рис. 1. Трещина нижнего пояса стрелы экскаватора ЭШ-10.70 № 142

женного локального напряжения и температуры испытаний.

Анализ экспертиз промышленной безопасности горного оборудования проведенных ПЭО «Горное бюро» в Сибирском федеральном университете, а также Центром технической диагностики ОАО «СУЭК Красноярск» показал, что напряженное состояние ответственных металлоконструкций горных машин приводит к образованию трещин. На экскаваторах ЭКГ-5А наиболее часто наличие трещин отмечается на стреле, двуногой стойке, нижнего пояса поворотной платформы в районе тихоходной ступени редуктора поворота. На экскаваторах ЭКГ-8И трещины встречаются на стреле, подкосах, поворотной платформы, крепления «постели» верхнего рельса. На шагающих экскаваторах ЭШ-10.70 отмечены трещины на стреле (рис. 1), нижнем поясе поворотной платформы, стакане крепления оси рычага механизма шагания.

Отмеченные дефекты влияют на работоспособность, как отдельной горной машины, так и в целом комплекса горных машин, например, экс-каваторно-автомобильного.

Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом

различных физических методов и средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии. Все более широко используются методы и средства измерения механических напряжений в элементах конструкций работающих механизмов. В связи с этим обстоятельством на первый план выходят методы технической диагностики, включающей неразрушающий контроль напряженно-деформированного состояния конструкционного материала.

Все известные способы и приборы - тензометрические, рентгеновские, магнитные и ультразвуковые - не позволяют определять внутренние локальные напряжения в слоях материала, расположенных на расстояниях более нескольких миллиметров от поверхности. В настоящее время нет практически реализуемого способа определения локальных внутренних механических напряжений по глубине сечения конструкционных материалов, деталей механизмов, резьбовых соединений и сварных швов. Эти механические напряжения могут достигать критических значений, при которых снижается прочность материалов и происходит их разрушение. Поэтому необходим мониторинг состояния внутренних структур изделий ультразвуковым методом, не разрушающим конструкционный материал. В предлагаемой работе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих регистрировать механические напряжения в ответственных конструкциях горных машин.

Моделирование распространения ультразвуковых волн в конструкционных материалах.

Рис. 2. Схема установки для определения локальных внутренних напряжений в конструкционных материалах по скорости ультразвука

Рис. 3. Зависимость частоты повторения импульсов /2, при которой фаза второй гармоники изменяется на п радиан, от скорости ультразвука V с шагом 1 м/с

Известно, что скорость ультразвука в твердых веществах зависит от механического напряжения [8]. Ультразвуковой способ определения внутренних механических напряжений в конструкционных материалах описан в патенте РФ [9]. Схема установки (рис. 2) состоит из исследуемого образца материала 1, ультразвукового преобразователя 2, сферическо-

го сегмента 3, двух перемещаемых собирающих двояковогнутых акустических линз 4 и 5, имеющих общую главную акустическую ось 6, и двух пьезоэлектрических датчиков 7 и 8, регистрирующих ультразвуковые колебания. Все элементы помещены в иммерсионную жидкость 9. Импульсы ультразвуковых колебаний 10, генерируемые ультразвуковым преобразователем 2 в образце, распространяются в направлении, перпендикулярном главной акустической оси линз 6. Указанная установка позволяет получать ультразвуковые эхо-сигналы от двух напряженных областей 11 и 12 исследуемого образца, находящихся в фокальной плоскости 13 линзы 4 и в фокальной плоскости 14 линзы 5, в которой расположены пьезоэлектрические датчики 7 и 8.

В предлагаемом способе измерения скорости ультразвука [10] импульсы ультразвуковых колебаний с частотой заполнения П пропускают через конструкционный материал. Приемные пьезоэлектрические датчики 7 и 8, расположенные в иммерсионной жидкости, регистрируют последовательность ультразвуковых эхо-сигналов, отраженных частицами, находящимися во внутренних областях 11 и 12 материала. Последовательность импульсов напряжения раскладывают во временной ряд Фурье по периоду повторения Т2. Изменяя частоту повторения ультразвуковых импульсов (!2 =

1/Т2), достигают такого значения !2, при котором амплитуды гармоник ряда Фурье не равны нулю, а фазы этих гармоник претерпевают изменение на п радиан. Эта частота !2 соответствует определенному значению скорости ультразвука V, которая зависит от механического напряжения во внутренней области материала.

Для моделирования процесса прохождения ультразвуковых импульсов через образец (материал - сталь марки Ст. 3) и расчетов эхо-сигналов был выбран ультразвуковой импульс с формой, близкой к реальной. Расчеты проводили с помощью программы МаШеша^са 7. Частота заполнения импульса составляла П = 5-106 Гц, длительность импульса — пять полных колебаний с периодом Т1 = 1Д1, время релаксации т = 2,5Т1, коэффициент затухания 5 = 2-106 с-1.

Проведен расчет зависимости частоты повторения импульсов !2, при которой фаза второй гармоники изменяется на п радиан, от скорости ультразвука V с шагом 1 м/с (рис. 3). Полученная зависимость линейна: !2 = 24183,6 + 56,9558v. При увеличении скорости ультразвука на 1 м/с частота !2 изменяется на 57 Гц.

Размеры двух внутренних областей материала, от которых регистрируются эхо-сигналы, и расстояние между этими областями равны, соответственно, размерам рабочих поверхностей приемных пьезоэлектрических датчиков и расстоянию между этими датчиками. При деформировании материала под действием нагрузки не изменяются размеры внутренних областей материала и расстояние между ними. Поэтому при фиксированных положениях рабочих поверхностей приемных пьезоэлектрических датчиков и расстоянии между ними можно непосредственно измерять зависимость локального механического на-

пряжения о от частоты повторения ультразвуковых импульсов /2 [11].

Для определения зависимости механического напряжения о от частоты повторения ультразвуковых импульсов /2 необходимо использовать образец материала, имеющего форму цилиндра, при растяжении или сжатии которого в нем возникают однородные напряжения. Из экспериментальных данных находится функция о = Р (/2). После чего, измеряется частота /2 во внутренней области конструкции, изготовленной из того же материала и имеющую произвольную форму. По найденной частоте повторения ультразвуковых импульсов /2 определяется локальное механическое напряжение внутри конструкции, подверженной нагрузками.

Результаты экспериментов по регистрации эхо-сигналов в направлении перпендикулярном распространению ультразвука в стали-3 Цель данного экспериментального исследования состояла в том, чтобы выяснить возможность регистрации дифрагированных ультразвуковых волн в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука в исследуемых образцах.

Установка для измерения дифракции ультразвуковых волн [12] содер-

аля измерения дифракции ультразвуковых волн

Рис. 4. Экспериментальная установка

1

в)

б/

Рис. 5.

Рис. 5. Сигналы, полученные от дифрагированных ультразвуковых волн в стали при распространении ультразвуковых импульсов в стальном прямоугольном параллелепипеде

жит корпус 8, заполненный водой (рис. 4). В корпусе расположен образец 1. На торцовой поверхности исследуемого образца установлен генерирующий пьезоэлектрический преобразователь 2 с возможностью пропускания ультразвуковых колебаний вдоль исследуемого образца, а также сферический элемент, выполненный из того же материала, что и исследуемый образец. Сферический элемент обращен полусферой к собирающим двояковогнутым акустическим линзам 4 и 5 с возможностью перемещения его вдоль исследуемого образца с помощью шпилек 3 и пропускания ультразвуковых колебаний в направлении акустических двояковогнутых линз. На корпусе 8 сверху находится металлическая рама 9, на которой закреплена металлическая скамья 7. Линзы расположены на одной общей главной акустической оси, имеют с одной стороны сферическую поверхность, а с другой стороны -поверхность с переменными радиусами кривизны. Причем линзы расположены поверхностями с переменными радиусами кривизны навстречу друг к другу, а сферическими поверхностями - наружу. Они закреплены на металлической скамье 7 с

возможностью перемещения вдоль общей главной акустической оси посредством перемещения скоб. Пьезоэлектрический преобразователь 6, регистрирующий дифрагированные ультразвуковые волны от образца 1, можно перемещать вдоль вертикальной оси.

Установка работает следующим образом. В корпус 8 наливают воду таким образом, чтобы скрылись акустические двояковогнутые линзы 4 и 5. Импульсы ультразвуковых колебаний в исследуемом образце 1 генерируют пьезоэлектрическим преобразователем 2 и пропускают в направлении, перпендикулярном общей главной акустической оси линз 4 и 5. Импульсы ультразвуковых волн рассеиваются от внутренней области исследуемого образца 1, находящейся в фокальной плоскости первой линзы 4.

Поскольку скорость ультразвуковых волн в исследуемом образце значительно больше, чем их скорость в воде, передающей ультразвуковые колебания, то на границе исследуемого образца 1 и воды указанные волны испытывают значительное преломление. Сферический элемент, изготовленный из того же материала, что и исследуемый образец, уменьшает углы преломления ультразвуковых волн на поверхности исследуемого образца 1. Рассеянные ультразвуковые волны проходят через первую 4 и вторую 5 линзы, расположенные в воде, и регистрируются пьезоэлектрическим преобразователем 6.

Для регистрации дифрагированных ультразвуковых волн [13] использовался следующий рабочий режим ультразвукового дефектоскопа УСД-60: амплитуда напряжения, подаваемого на генерирующий пьезоэлектрический преобразователь, составляла 200 В; частота заполнения импульсов - 5 МГц; количество полных колебаний в импульсе - 5; частота следования импульсов - 2000 Гц; усиление -87 дБ. Стальной образец в форме прямоугольного параллелепипеда помещался в пенопластовый контейнер с боковым отверстием для стального сферического сегмента. На главной акустической оси системы линз устанавливались ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и ось симметрии сферического стального сегмента, расположенного на боковой поверхности стального образца с генерирующим пьезоэлектрическим преобразователем на верхнем торце этого образца. Рабочая поверхность регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и вертикальная ось, проходящая через ось симметрии генерирующего пьезоэлектрического преобразователя устанавливались на расстояниях, равных фокусному расстоянию 27 см каждой линзы от соответствующих главных плоскостей линз (рис. 5, а).

Затем устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см ниже этой акустической оси. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 5, б). После этого устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см выше этой акусти-

ческой оси, и также в импульсном режиме проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн (рис. 5, в).

Из рис. 5 а, б, в видно, что устойчиво зарегистрированы сигналы, полученные от дифрагированных ультразвуковых волн в стали при распространении ультразвуковых импульсов в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука или в направлениях, близких к этому направлению. Причем амплитуды этих сигналов в несколько раз превосходят амплитуды случайных помех.

Заключение

Результаты экспериментов показали возможность регистрации рассеянных ультразвуковых волн в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука в исследуемых образцах Стали-3. Были зарегистрированы сигналы, полученные от дифрагированных и рассеянных ультразвуковых волн, соответственно, в воде и стали при распространении ультразвуковых импульсов в перпендикулярном или близком к этому направлению распространения ультразвука. Это позволяет использовать способ определения локальных внутренних механических напряжений, в котором измеряется время прохождения ультразвуковых импульсов между двумя внутренними областями образца, находящимися в фокальной плоскости одной акустической линзы, с помощью двух пьезоэлектрических преобразователей, расположенных в фокальной плоскости другой акустической линзы.

Измеряя частоту повторения /2 ультразвуковых импульсов, при которой происходит скачок фазы на п радиан, можно определять локальные внутренние напряжения в конструкционном материале, находящимся по нагрузкой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: т.3, 9-е изд., перераб. и доп., М.: Машиностроение, 2006, 936 с.

2. Дунаев П.Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин: учеб. пособие для техн. спец. вузов, 9-е изд., М.: Издательский центр «Академия», 2006, 496 с.

3. Белай О.В., Киселев С.П. Расчет полей внутренних напряжений для плос-кодеформированного состояния упругого тела с дислокациями. Ж. «Прикладная механика и техническая физика», 2004, т. 45, №6, с.с. 116-123.

4. Любимова Л.Л., Ташлыков А.А., Макеев А.А., Заворин А. С., Артамонцев А.И., Лебедев Б.В. Изменение внутренних напряжений в сечениях котельных труб при пластическом деформировании. Ж. «Известия Томского политехнического университета», 2006, т. 309, №6, с.с. 114119.

5. Розенштейн И.М. Особенности хрупкого разрушения сварных стальных конструкций. Ж. «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», 2007, т. 73, №3, с.с. 53-57.

6. Апасов А.М., Апасов А.А., Козлов Э.В. Разрушение нитроцементирован-ной стали. Ж. «Известия Томского политехнического университета», 2013, т. 323, №2, с.с. 72-76.

7. Шиховцов А.А., Мишин В.М. Кинетика и микромеханика замедленного разрушения стали. Ж. «Фундаментальные исследования», 2013, №4, с.с. 858-861.

8. Ермилов И.Н., Ланге Ю.В. Не-разрушающий контроль. Т. 3. Ультразвуковой контроль: Справочник. — М.: Машиностроение, 2004. — 860 с.

9. Пат. 2455637 Рос. Федерация, МПК в 01 N 29/04. Ультразвуковой способ определения внутренних механических напряжений в конструкционных материалах/ В.Ё. Серебренников, И.И. Демченко, А.В. Серебренников, В.И. Ми-гунов. — № 2011109192/28; заявл. 11.03.2011; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19.

10. Пат. 2464556 Рос. Федерация, МПК в 01 N 29/00. Способ измерения скорости ультразвука/ В.Ё. Серебренников, И.И. Демченко, А.В. Серебренников, В.И. Мигунов. — № 2011124273/28; заявл. 15.06.2011; опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29.

11. Серебренников А. В., Демченко И.И., Серебренников В.Л. Способ определение локальных внутренних напряжений в конструкционных материалах. «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований», 2013, №5, с.с. 162-163.

12. Пат. 2465583 Рос. Федерация, МПК в 01 N 29/04. Установка для определения механических напряжений в конструкционных материалах/ В.Ё. Серебренников, И.И. Демченко, А.В. Серебренников, В.И. Мигунов. — № 2011124425/28; заявл. 16.06.2011; опубл. 27.10.2012, Бюл. № 30.

13. Серебренников В. Л., Демченко И.И., Серебренников А.В. Исследование дифракции ультразвука для определения внутренних локальных напряжений в конструкционных материалах. Ж. «Известия высших учебных заведений. Горный журнал», 2013, №4, с.с. 143-151. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Серебренников Андрей Владимирович - инженер кафедры горных машин и комплексов. Сибирский федеральный университет, е-шаИ: silver1974@live.ru

UDC 621.87

THE METHOD FOR DETERMINING LOCAL INTERNAL STRESSES IN STRUCTURAL MATERIALS

Serebrennikov A.V., Engineer, e-mail: silver1974@live.ru Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia

The ultrasonic method of local internal mechanical tension determination in constructional materials is developed. The method is suitable for diagnostics and control of responsible details and parts of mining machineries. The method of ultrasound speed measurement in local areas of elements of mining equipment is offered. Mechanical tension is determined by ultrasound speed at the specified areas. The experimental device for registration of echo signals from internal local areas of external load elements is designed. Echo signals of ultrasonic waves from the internal areas of samples (Steel-3) directed perpendicular to diffusion of ultrasonic impulses, generated by a piezo-transducer, are registered. Findings are powerful contribution for development of the device for determination of local internal tension in responsible elements of mining equipment, namely, arrows, excavator handles, etc.

Keywords: defects of the metalwork of mining machinery, methods and devices of nondestructive control, ultrasonic method of tension determination.

REFERENCES

1. Anur'ev V.I. Spravochnikkonstruktora-mashinostroitelya (Reference Design-Machinist), t.3, 9-e izd., pere-rab. i dop., Moscow: Mashinostroenie, 2006, 936 p.

2. Dunaev P.F., Lelikov O.P. Konstruirovanie uzlovidetaleimashin (Construction units and parts of machines), ucheb. posobie dlya tekhn. spets. vuzov, 9-e izd., Moscow: Izdatel'skii tsentr «Akademiya», 2006, 496 p.

3. Belai O.V., Kiselev S.P. Raschet polei vnutrennikh napryazhenii dlya plos-kodeformirovannogo sostoy-aniya uprugogo tela s dislokatsiyami (Calculation of internal stress fields for a plane kodeformirovannogo state of an elastic body with dislocations), Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika, 2004, vol. 45, No.6, pp. 116-123.

4. Lyubimova L.L., Tashlykov A.A., Makeev A.A., Zavorin A.S., Artamontsev A.I., Lebedev B.V. Izmenenie vnutrennikh napryazhenii v secheniyakh kotel'nykh trub pri plasticheskom deformirovanii (Changing the internal stresses in the cross sections of boiler tubes during plastic deformation), Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo uni-versiteta, 2006, Vol. 309, No. 6, pp. 114-119.

5. Rozenshtein I.M. Osobennosti khrupkogo razrusheniya svarnykh stal'nykh konstruktsii (Features of brittle fracture of welded steel structures), Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov, 2007, Vol. 73, No.3, pp. 5357.

6. Apasov A.M., Apasov A.A., Kozlov E.V. Razrushenie nitrotsementirovan-noi stali (Destruction carbonitrided steeltion), Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2013, Vol. 323, No. 2, pp. 72-76.

7. Shikhovtsov A.A., Mishin V.M. Kinetika i mikromekhanika zamedlennogo razrusheniya stali (Kinetics and micromechanics delayed fracture of steel), Fundamental'nye issledovaniya, 2013, No.4, pp. 858-861.

8. Ermilov I.N., Lange Yu.V. Nerazrushayushchii kontrol'. T. 3. Ul'trazvukovoi kontrol' (Non-destructive testing. T. 3. Ultrasonic Inspection Handbook), Spravochnik, Moscow: Mashinostroenie, 2004, 860 p.

9. Serebrennikov V.L., Demchenko I.I., Serebrennikov A.V., Migunov V.I. Patent 2455637 Ros. Federat-siya, MPK G 01 N 29/04. Ul'trazvukovoi sposob opredeleniya vnutrennikh mekhanicheskikh napryazhenii v kon-struktsionnykh materialakh (Ultrasonic determination of a method of mechanical internal stresses in structural materials), No. 2011109192/28; zayavl. 11.03.2011; opubl. 10.07.2012, Byul. No. 19.

10. Patent 2464556 Ros. Federatsiya, MPK G 01 N 29/00. Sposob izmereniya skorosti ul'trazvuka (A method for measuring the velocity of ultrasound), № 2011124273/28; zayavl. 15.06.2011; opubl. 20.10.2012, Byul. No. 29.

11. Serebrennikov A.V., Demchenko I.I., Serebrennikov V.L. Sposob opredelenie lokal'nykh vnutrennikh napryazhenii v konstruktsionnykh materialakh (Method definition of local internal stresses in structural materials), Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovanii», 2013, No5, pp. 162-163.

12. Serebrennikov V.L., Demchenko I.I., Serebrennikov A.V., Migunov V.I. Patent 2465583 Ros. Federat-siya, MPK G 01 N 29/04. Ustanovka dlya opredeleniya mekhanicheskikh napryazhenii v konstruktsionnykh materi-alakh (Setting to determine the mechanical stresses in the construction materials № 2011124425/28; zayavl. 16.06.2011; opubl. 27.10.2012, Byul. No.30.

13. Serebrennikov V.L., Demchenko I.I., Serebrennikov A.V. Issledovanie difraktsii ul'trazvuka dlya opre-deleniya vnutrennikh lokal'nykh napryazhenii v konstruktsionnykh materialakh (Diffraction study of ultrasound to determine the local internal stresses in the construction materials), Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal, 2013, No.4, pp. 143-151.