ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к исследованию остаточных технологических напряжений и может быть использована для определения напряженно-деформированного состояния в конструкциях и деталях машин.
Известно устройство для проведения в реальном времени неразрушающих измерений остаточных напряжений в исследуемой зоне объекта с использованием технологии оптической голографической интерферометрии (RU 2002113768 [1]). Устройство содержит оптический модуль, в состав которого входят источник когерентного излучения, голографический интерферометр и регистрирующая среда. В состав устройства входит блок для снятия остаточных напряжений на небольшом участке в пределах исследуемой зоны объекта и средства для закрепления оптического модуля на объекте. Блок для снятия остаточных напряжений выполнен в виде электронного устройства, содержащего питающий электрод, интегрированный в оптический модуль с возможностью перемещения между верхним отведенным положением и нижним положением, соответствующим установлению электрического контакта между указанным питающим электродом и исследуемой зоной объекта для подачи импульса сильного электрического тока к поверхности объекта на небольшом участке в пределах исследуемой зоны. Недостатком известного устройства является его недостаточно высокая точность определения остаточных напряжений. Это связано с тем, что импульс сильного электрического тока осуществляет снятие остаточных напряжений не до конца.
Известно устройство для определения внутренних остаточных напряжений (SU 1711544 [2]). Устройство содержит источник когерентного излучения, полый корпус с отверстием для ввода излучения, узел для позиционирования корпуса с тремя шаровидными опорами, голографический интерферометр с оптической схемой записи голограмм во встречных пучках, установленный в корпусе, и блок создания напряженно-деформированного состояния. Для расширения эксплуатационных возможностей, оно снабжено основанием в виде плиты с центральным отверстием, на одной из поверхностей которой выполнено три углубления для фиксации шаровидных опор корпуса и стержневых опор, предназначенных для установки основания на поверхности объекта и размещенных в плите с возможностью регулирования и фиксации своей длины. Интерферограмма фиксируется на фотопластине. Блок удаления объема металла может устанавливаться на опорное основание взамен голографического интерферометра. Точность вторичной установки интерферометра обеспечивается за счет радиальных пазов и шаровидных опор.
Недостатками такого устройства являются невозможность получения информации в цифровом виде, пригодном для обработки ее на компьютере (информация записывается на стеклянной фотопластине). Вторым существенным недостатком такого устройства является невозможность его функционирования в положении, отличном от такого, в котором стержневые опоры строго вертикальны. Никакого наклона такой интерферометр не допускает. Т.е. касательная к поверхности, проведенная в точке измерения должна быть только горизонтальна. Третий недостаток связан с невозможностью его применения в полевых условиях. Данный интерферометр чувствителен к попаданию малейшей пыли между радиальным пазом и шаровой опорой.
Известно голографическое устройство для определения внутренних остаточных напряжений известное из SU 953438 [3]. Данное устройство содержит блок для создания напряженно-деформированного состояния и измеритель деформации, выполненный в виде голографического интерферометра. Блок для создания напряженно-деформированного состояния и все оптические элементы, составляющие оптическую схему интерферометра, закреплены на корпусе устройства. Регистрация интерферограммы осуществляется с помощью фотопластин.
Недостатками такого устройства являются громоздкость устройства, ограничивающее его применение на реальных конструкциях, сложность в настройке оптической схемы, невозможность установки устройства на поверхности, расположенные не горизонтально и имеющие сложную форму. Жесткость фиксации устройства на исследуемой поверхности обеспечивается за счет острых стальных наконечников-опор и большой массы устройства, обеспечивающей внедрение острых наконечников-опор в исследуемую поверхность. Масса устройства искусственно увеличена для обеспечения жесткости фиксации. Кроме того, жесткая фиксация устройства на изделии не обеспечивает возможность успешного проведения работ при наличии внешней вибрации на исследуемом изделии, что приводит к погрешности в измерениях.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство для определения внутренних остаточных напряжений известное из RU 153777 U1 [4]. Устройство напряжений содержит лазер, установленный на пути его луча светоделитель и объектив, установленный перед средством регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия, а средство регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия выполнено в виде цифровой видеокамеры. Кроме того, устройство содержит снабжено средством его фиксации на поверхности исследуемого изделия, которое выполнено в виде магнитов и инденторов.
Эксплуатация известного прибора в полевых условиях показала, что ему присущи некоторые недостатки, обусловленные конструкцией средства его фиксации на поверхности исследуемого изделия. Снятие прибора с изделия требует приложения силы, превышающей не только его вес, но и силу прижатия магнитов. После прекращения контакта магнитов с исследуемой поверхностью возникал такой импульс, что прибор с ускорением начинал двигаться, что называется "в лоб" исследователю.
Заявляемый в качестве полезной модели прибор для измерения внутренних остаточных напряжений направлен на облегчение процедуры его снятия с поверхности исследуемого изделия.
Указанный результат достигается тем, что прибор для измерения внутренних остаточных напряжений содержащий лазер для формирования интерферограммы, установленный на пути его луча светоделитель и объектив, установленный перед средством регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия, выполненным в виде цифровой видеокамеры содержит и средство для фиксации прибора на исследуемой поверхности изделия, выполненное в виде инденторов и магнитного элемента в виде постоянного отключаемого магнита, подвижно соединенного с корпусом через упругий элемент.
Указанный результат достигается также тем, что упругий элемент выполнен в виде резинового кольца.
Указанный результат достигается также тем, что упругий элемент выполнен в виде одной или нескольких пружин.
Отличительными признаками заявляемого устройства является его снабжение одним магнитным элементом в виде постоянного отключаемого магнита, подвижно соединенного с корпусом через упругий элемент и выполнение этого элемента в виде резинового кольца или одной или нескольких пружин.
Выполнение магнитного элементом в виде постоянного отключаемого магнита позволяет облегчить процедуру снятия прибора с поверхности исследуемого изделия. Конструкция постоянного отключаемого магнита известна из уровня техники (см. например ресурс https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_base или http://altair-co.ru/catalog/otklyuchaemye-magnity/)
Соединение постоянного отключаемого магнита с корпусом через упругий элемент позволяет надежно фиксировать прибор на поверхности сложной формы. Максимальная сила притяжения магнита к поверхности возникает при большой общей площади контакта магнита и поверхности. Если поверхность в зоне контакта не параллельна поверхности магнита, то упругий элемент, через который закреплен магнит к корпусу прибора, позволяет изменить положение магнита в пространстве таким образом, чтобы его контактная поверхность установилась параллельно поверхности, те была обеспечена максимальная сила притяжения магнита. Если в качестве упругого элемента использовать резиновое кольцо, то магнит может изменять свое положение относительно корпуса путем деформации резинового кольца. Такая конструкция более габаритна и менее долговечна, но более дешева, нежели упругий элемент из пружин. Если в качестве упругого элемента использовать одну или нескольких пружин, то конструкция узла крепления магнита к корпусу прибора становится более компактной и более долговечной, но более дорогой и технически сложной.
Сущность заявляемого прибора для измерения внутренних остаточных напряжений поясняется примером реализации и чертежами. На фиг. 1 представлена упрощенно принципиальная оптическая схема устройства (вид спереди) без использования постоянного отключаемого магнита. На фиг. 2 представлен вариант реализации прибора с использованием в качестве упругого элемента нескольких пружин (оптическая схема не показана, т.к. она идентична показанной на фиг. 1). На фиг 3 представлен вариант реализации прибора с использованием в качестве упругого элемента резинового кольца (оптическая схема не показана, т.к. она идентична показанной на фиг. 1)
Устройство для измерения внутренних остаточных напряжений содержит лазер 1 (например, полупроводниковый) для формирования интерферограммы. На пути его луча установлен светоделитель 2 и объектив 3, установленный перед средством регистрации 4 лучей лазера, отраженных от светоделителя 2 и поверхности изделия 5. Средство регистрации выполнено в виде цифровой видеокамеры. Упомянутые элементы закреплены в корпусе 6, устанавливаемом на контактирующих с исследуемой поверхностью инденторах 7. Прибор снабжен постоянным отключаемым магнитом 8, соединенным с корпусом через упругий элемент в виде одной или нескольких пружин 9 (фиг. 2) или резинового кольца 10 (фиг. 3).
Прибор используется следующим образом. На исследуемую поверхность прибор устанавливается на инденторах и включается магнит 8, который преодолевая сопротивление упругих элементов 9 (фиг. 2) или резинового кольца 10 (фиг. 3) надежно фиксирует прибор.
Включается лазер 1, луч которого попадает на светоделитель 2, где происходит его деление на опорный пучок и предметный пучок, который после падения на исследуемую поверхность 5 отражается от нее и попадает на матрицу цифровой видеокамеры 4, фокусируясь на ней с помощью объектива 3. Видеокамера 4 записывает интерферограмму, получаемую за счет наложения опорного и предметного пучков. Далее на поверхности исследуемого объекта с помощью сверла высверливается отверстие диаметром от 2 до 5 мм и глубиной, равной радиусу сверления. Вторично включается лазер и записывается вторая интерферограмма, отличающаяся от первой изменившимся предметным пучком (из-за деформации кромок высверленного отверстия за счет локальной разгрузки остаточных напряжений в соответствии с законом Гука).
После получения двух интерферограмм (до и после сверления) с помощью соответствующего программного обеспечения производится их математическое вычитание друг из друга. Конечным результатом такого действия является интерференционная картина перемещений точек поверхности в окрестностях засверленного отверстия. Расшифровка картины перемещений точек поверхности заключается в определении осей симметрии картины (оси симметрии соответствуют направлению главных напряжений) и подсчету числа интерференционных полос, пересекающих оси симметрии. Пересчет величины перемещений в напряжения осуществляется на основе зависимостей, полученных при решении трехмерной задачи теории упругости для глухого отверстия.