УСТРОЙСТВО 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.
Недостатками такого устройства недостаточно высокая чувствительность.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство для измерения внутренних остаточных напряжений направлено на повышение чувствительности.
Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения внутренних остаточных напряжений содержащее 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. При этом упомянутые элементы закреплены на плите, устанавливаемой на контактирующих с исследуемой поверхностью стойках с возможностью поступательного и вращательного перемещения плиты относительно исследуемой поверхности.
Отличительным признаком заявляемого устройства является размещение всех элементов оптической схемы на плите, устанавливаемой на контактирующих с исследуемой поверхностью стойках с возможностью поступательного и вращательного перемещения плиты относительно исследуемой поверхности.
Экспериментально было установлено, что если обеспечить наклон оптической плоскости интерферометра (лазер для формирования интерферограммы, установленный на пути его луча светоделитель и средство регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия представляют собой интерферометр) относительно исследуемой поверхности изделия, то чувствительность прибора повышается в 2-3 раза по сравнению с прототипом, в котором оптическая плоскость интерферометра находится под прямым углом к исследуемой поверхности. Это объясняется тем, что в этом случае интерферометром фиксируется перемещение точек поверхности как по нормали к поверхности, так и в плоскости самой поверхности. Геометрическая сумма перемещений в двух плоскостях превышает величину нормальных перемещений, фиксируемых при классической установке интерферометра. Кроме того, поворот плиты и перемещение ее осей по пазам опоры позволяет проводить исследование напряженного состояния на поверхностях сложной формы, например на угловых швах. Т.е. указанные выше вращение и перемещение в пазах позволяют сфокусировать и создать заданный угол относительно тех областей поверхности, направить на которые жестко закрепленный на опорах интерферометр, (как в прототипе), не представляется возможным.
Сущность заявляемого устройства для измерения внутренних остаточных напряжений поясняется примером реализации и чертежом на котором представлена упрощенно принципиальная схема устройства (вид спереди и сбоку). Стрелками показаны направления перемещения плиты относительно исследуемой поверхности.
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 на плите 6, устанавливаемой на контактирующих с исследуемой поверхностью стойках 7 с возможностью поступательного и вращательного перемещения плиты относительно исследуемой поверхности. Для обеспечения вращения плиты она снабжена осями 8, которые перемещаются поступательно по пазам 9, выполненным в стойках. Для фиксации стоек на исследуемой поверхности они снабжены инденторами 10.
Устройство функционирует следующим образом. На исследуемую поверхность устанавливается устройство таким образом, чтобы та точка на исследуемой поверхности, где намечается проведение исследования остаточных напряжений, попала в зону освещения предметного луча от лазера 1. Эта же точка должна находиться в поле зрения цифровой видеокамеры 4. Кроме того, обеспечивается такое расположение устройства относительно исследуемой поверхности, чтобы угол наклона плиты 6 к исследуемой поверхности оказался равен 45 градусов, что обеспечивает максимальную чувствительность интерферометра. Наклон и одновременная фокусировка обеспечивается за счет поворота плиты 6 относительно стоек 7 при одновременном перемещении осей 8 по пазам 9.
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 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.