УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН С КЛАСТЕРОМ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к средствам электромагнитного контроля неэлектрических величин по сигналам, получаемым от взаимодействия объекта контроля с магнитными полями возбуждающих катушек, например, для бесконтактного измерения развития усталостных трещин цилиндрических электропроводящих объектов с концентраторами напряжений.
Известно устройство вихретокового неразрушающего контроля поверхности материалов конструктивных элементов [Патент РФ МПК № G01N 27/90, №2072519, опубликовано 27.01.1997 г.], содержащее гибкую подложку с матрицей компланарных вихретоковых преобразователей. Оси матрицы вихретоковых преобразователей ориентированы перпендикулярно или параллельно поверхности подложки.
Реализованы с минимальным взаимным влиянием полей соседних преобразователей, т.е. с большими расстояниями между преобразователями, что затрудняет их размещение в труднодоступной зоне контроля развития трещины и уменьшает разрешающую способность устройства контроля развивающейся трещины.
Известно устройство для контроля пространственных перемещений, содержащее высокочастотный генератор, блок обработки и регистрации сигналов, преобразователь перемещений, корпус которого выполнен в виде куба из электропроводящего немагнитного материала, в пазах на смежных гранях которого взаимно ортогонально размещен кластер чувствительных элементов в виде нескольких одинаковых катушек индуктивности [Патент РФ МПК №1772600, кл. G01В 7/00, опубликовано 30.01.1992 г.]
Данное устройство не позволяет при одностороннем доступе и больших зазорах реализовать высокую разрешающую способность, т.к. невозможно по длине концентратора напряжений объекта контроля установить большое количество указанных устройств.
Прототипом полезной модели является устройство электромагнитного контроля по вихретоковому способу неразрушающего контроля металлических изделий, заключающемуся в том, что вихретоковый преобразователь включен в резонансный контур автогенератора с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Преобразователь перед контролем устанавливают на бездефектное изделие, и напряжение питания автогенератора изменяют до уровня, соответствующего максимальной амплитуде высокочастотного напряжения на резонансном контуре, и фиксируют напряжение питания на этом уровне. При контроле сканируют кластером параметрических преобразователей поверхность изделия и по изменению режима автогенерации определяют наличие дефекта [Авторское свидетельство СССР №903755, кл. G01N 27/90, опубликовано 07.02.82 г.].
Необходима жесткая пространственная ориентация большого количества вихретоковых преобразователей для реализации контроля развивающейся трещины. Контроль дефектов при вибрациях объекта контроля затруднен ввиду использования нестабильных изменений амплитуды высокочастотного напряжения.
zн
Поставлена задача контроля развития усталостных трещин и повышения разрешающей способности их бесконтактного обнаружения при повышенных начальных зазорах h безопасности между кластером вихретоковых преобразователей и объектом контроля с концентратором напряжений, а также с подавлением влияния мешающих факторов.
м
M
M
M
м
z
z
y
zh
к
тр
y
ZH
K
тр
м
м
м
yн
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство электромагнитного контроля развития усталостных трещин с кластером параметрических преобразователей содержит металлический корпус, на рабочих поверхностях которого установлены параметрические вихретоковые преобразователи, выполненные равномерной намоткой проводников на пластинчатые магнитопроводы с размерами l>>b>>d и зашунтированных конденсаторами. Глубина установочных пазов корпуса равна толщине d магнитопровода, согласно полезной модели, металлический корпус кластера вихретоковых преобразователей выполнен из двух одинаковых разъемных полуколец, линия соединения которых совпадает с нейтральной линией влияния переменных изгибных нагрузок, действующих на объект контроля, расположенного между полукольцами корпуса, на внутренней цилиндрической поверхности каждого полукольца установлены 5 одинаковых преобразователей, длина lм которых равна l=4h, где h=d+h+d+d, d - зазор между проводниками кластера вихретоковых преобразователей и его рабочей поверхностью, h - начальный зазор безопасности между корпусом кластера вихретоковых преобразователей и поверхностью объекта контроля, d - глубина концентратора усталостных напряжений, d - глубина развивающейся трещины на дне концентратора, а ширина катушек вихретоковых преобразователей равна l/4, с двух сторон среднего преобразователя, вдоль длины l, над концентратором напряжений объекта контроля размещены два крайних преобразователя вплотную друг к другу, оси их катушек лежат в плоскости XZ, совпадающей с серединой дна концентратора механических напряжений, с двух сторон среднего преобразователя, по ширине b, на расстоянии h параллельно размещены еще два дополнительных преобразователя. Выходы кластера преобразователей связаны с входами ЭВМ для обработки сигналов и хранения информации.
y
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - сечение в плоскости XZ кластера преобразователей и объекта контроля, на фиг.3 - сечение в плоскости YZ кластера преобразователей и объекта контроля, на фиг.4 - зависимость вносимых параметров преобразователей 6, 9, 10 от поперечных перемещений h, на фиг.5 - характеристики кластера преобразователей, на фиг.6 - выходные характеристики предлагаемого устройства контроля.
OK
ок
OK
ок
м
ок
м
Устройство электромагнитного контроля развития усталостных трещин с кластером преобразователей содержит металлический корпус, выполненный из двух одинаковых разъемных полуколец 1, 2, охватывающих цилиндрический объект контроля (ОК) 3 с концентратором напряжений 4. Ось Y совпадает с осью ОК, оси Х, Z проходят через дно концентратора 4. На внутренней поверхности каждого полукольца выполнены пазы для установки 5 одинаковых накладных преобразователей (ПН). Средний ПН 6 расположен над концентратором 4 в зоне действия наибольших переменных нагрузок. Центр поверхности ПН 6 связан с началом измерительных координат X, Y, Z, параллельных осям ОК. По направлению Х, с двух сторон ПН 6, вдоль длины l, над концентратором напряжений 4 расположены крайние ПН 7 и ПН 8. По направлению Y, с двух сторон ПН 6, вдоль ширины b, расположены дополнительные ПН 9 и ПН 10. Каждый ПН зашунтирован конденсатором. LC-контур определяет частоту ƒ автогенератора (не показаны). Выходы кластера ПН поступают на входы ЭВМ 11 для обработки сигналов и хранения информации.
Устройство работает следующим образом.
ZMex
ZMex
K
K
K
тр
0K
0K
0K
OK
тp
ZH
Стенд для усталостных испытаний содержит двигатель, который через шатунный механизм изгибает ОК с частотой циклов нагружения ƒ и амплитудой перемещения h и создает деформацию поперечного изгиба в цилиндрическом ОК 3 с концентратором напряжений 4 глубиной d и шириной b=2d. Трещина 5, глубиной d, развивается на дне концентратора 4. В плоскости XY соединения полуколец корпуса кластера ПН на поверхности ОК отсутствуют, а в плоскости ZY действуют наибольшие переменные нагрузки, приводящие к развитию усталостной трещины наибольшей глубины d. Внутренний радиус полуколец равен сумме радиуса ОК и зазора h, исключающего механический контакт ОК с корпусом кластера ПН.
м
z
y
zн
к
тр
y
ZH
к
тp
OK
OK
x
yн
6
7
8
9
10
Оси магнитопроводов катушек ПН перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности ОК и параллельны касательной кольцевого концентратора напряжений 4, а потому русла наведенных вихревых токов на дне концентратора 4 будут перпендикулярны направлению развития усталостной трещины. Кроме того для работы с повышенными вносимыми параметрами длина l должна в четыре раза превышать диапазон расстояний h=d+h+d+d, где d - зазор между проводниками кластера ПН и его рабочей поверхностью, h - начальный зазор безопасности между корпусом кластера ПН и поверхностью OK, d - глубина концентратора усталостных напряжений, d - глубина развивающейся трещины на дне концентратора. При симметричном циклическом нагружении усталостная трещина развивается в плоскости XZ с двух сторон ОК и ее наибольшая глубина возникает в зоне наибольших напряжений h=0, где и устанавливается ПН 6. Развивающаяся трещина 5 прерывает нити вихревых токов, наводимых на дне концентратора 4 электромагнитными полями ПН 8, ПН 7, ПН 6. Дополнительные ПН 9 и ПН 10 имеют одинаковое положение по направлению X с ПН 6, а по направлению Y удалены на расстояние h от ПН 6. Сигналы от автогенераторов ƒ, ƒ, ƒ, ƒ, ƒ поступают на входы ЭВМ 11 для обработки и определения глубины трещины.
z
6
7
8
9
10
Работа с устройством начинается с построения градуировочных характеристик. Для этого корпусом кластера ПН, закрепленным на кронштейне инструментального микроскопа охватывается ОК без трещины, закрепленный на предметном столике инструментального микроскопа. ПН 9 и ПН 10 расположены над сплошной поверхностью ОК. Напряжение питания автогенераторов изменяют до уровня, соответствующего максимальной амплитуде высокочастотного напряжения на резонансных контурах ПН 9 и ПН 10. При этом на контурах ПН 8, ПН 7, ПН 6 потери малы, ввиду их расположения над концентратором напряжений с большим зазором h, а потому амплитуда высокочастотного напряжения также велика, что определяет высокую надежность работы автогенераторов при усталостных испытаниях ОК и достоверность использования частотных выходных сигналов ƒ, ƒ, ƒ, ƒ, ƒ устройства контроля.
y
9
10
x
7
8
Для фиксации положений h=О необходимо получить равенство сигналов ƒ=ƒ, а для h=О необходимо равенство сигналов ƒ=ƒ. Характеристики
zн
OK
10
6
запоминаются в памяти ЭВМ 11. При различных значениях h вычисляется разность частот Δƒ=ƒ-ƒ и запоминается в памяти ЭВМ 11 характеристика
ок
Так как все ПН кластера расположены на одном полукольце металлического корпуса, имеющем высокую теплопроводность, то температура оказывает на них одинаковое воздействие, а потому Δƒ не зависит от температуры.
тргр
10
6
ок+тр
zh
Затем, в ходе градуировки, на инструментальный микроскоп устанавливается ОК с усталостной трещиной заданной глубины d и вычисляется разность сигналов ƒ-ƒ=Δƒ при различных h. Выходная характеристика устройства определяется как
zн
трm
трm
трm
zн
Полученная характеристика φ (h, d) запоминается в памяти ЭВМ и используется для оценки крутизны d/Δƒ при различных значениях h.
zмех
zн
ZH1
ZH2
zм
ZHсp
ZH1
ZH2
10
zHcp
тризм
ок+тр
ок
тризм
трm
трm
гр
тризм
В процессе усталостных испытаний ОК с концентратором напряжений заданных размеров вибрирует между полукольцами корпуса кластера ПН с амплитудой перемещения h. При этом зазор h изменяется от h до h. Ввиду малости амплитуды перемещения h и периода измерения, равного времени цикла нагружения ОК используется среднее значение зазора h=(h+h)/2. По известной зависимости (1) и сигналу ƒ определяется h, после чего вычисляется значение Δƒ=Δƒ-Δƒ (фиг.5) и определяется величина d=(d/Δƒ)·Δƒ (фиг.6).
ц
тp
Использование корпуса, состоящего из двух разъемных полуколец 1 и 2 с двумя одинаковыми кластерами ПН позволяет рассмотреть развитие усталостных трещин с противоположных сторон ОК как при симметричном, так и при ассиметричном нагружении ОК. Так как время цикла механических испытаний Т намного превышает период высокочастотных колебаний автогенератора, то использование частотного выходного сигнала устройства позволяет определять d с высокой точностью.