ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УСТАЛОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим датчикам накопленной усталости при циклическом нагружении, и может быть использована при измерениях количества циклов и значений деформаций и напряжений, действовавших на исследуемой поверхности детали.
3
Известен тензометрический датчик усталости деталей, содержащий чувствительный элемент и подложку, соединенные связующим, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен из тройного сплава висмута, теллура и сурьмы. Чувствительный элемент получают путем термического испарения в вакууме на диэлектрическую подложку металлических электродов, полупроводниковой пленки из тройного сплава BiTeSb и токопроводов. Для выявления усталостных повреждений и измерения усталостной долговечности элементов конструкций тензометрический датчик усталости прикрепляют к этому элементу. В процессе циклической деформации контролируемого элемента конструкции происходит смещение энергетических уровней полупроводниковой пленки и, как следствие, изменение электрического сопротивления датчика. При этом зависимость изменения сопротивления датчика от числа циклов нагружения и амплитуды деформации устанавливается экспериментально. С помощью этой зависимости, контролируя изменение электрического сопротивления датчика, можно судить о числе циклов нагружения и о возникновении повреждений и усталостной долговечности конструкции («Тензометрический датчик усталости деталей» по авторскому свидетельству СССР №976290, класс МПК G01B 7/18 по заявке №3215532/25-28 от 05.12.80 года; авторы - Э.А. Абдуллаев, Б.А. Атакулов, А.Я. Афузов, Э.И. Билялов; опубликовано 23.11.82 в Бюллетене №43).
3
Известен датчик для контроля усталости элемента конструкции, изготовленный из металлического материала, электрическое сопротивление которого изменяется под действием воспринимаемой циклической нагрузки, отличающийся тем, что датчик изготовлен из аморфного материала. Аморфный металлический материал получают при охлаждении металлического расплава со скоростью, большей критической. Датчик из аморфного материала закрепляют на поверхности элемента конструкции, например наклеивают, и включают в электроизмерительную цепь. В процессе усталостного нагружения контролируемого элемента конструкции изменяется структура аморфного материала датчика, и он изменяет свое электрическое сопротивление. Зависимость изменения сопротивления датчика от числа циклов нагружения и амплитуды деформации устанавливается экспериментально. С помощью этой зависимости, контролируя изменение электрического сопротивления датчика, можно судить о числе циклов нагружения или об уровне возникающих напряжений, а в итоге - об остаточной долговечности конструкции («Датчик для контроля усталости элемента конструкции» по авторскому свидетельству СССР №945743, класс МГП G01N 3/32 по заявке №3215163/25-28 от 08.12.80 года; авторы - В.Ф. Новиков, В.В. Насонов; заявитель - Тюменский им. Ленинского комсомола индустриальный институт; опубликовано 23.07.82 в Бюллетене №27).
Существенными признаками данных аналогов являются наличие закрепляемого на диэлектрической подложке токопроводящего чувствительного элемента, электрическое сопротивление которого изменяется под действием воспринимаемой циклической нагрузки.
Недостатком существующих аналогов является их высокая стоимость изготовления малыми партиями, связанная с применением редких материалов, трудоемких технологий и использованием специального оборудования. Это затрудняет возможность изготовления датчиков усталости и применения их на малых предприятиях в условиях единичного или мелкосерийного производства.
Наиболее близким к заявленной полезной модели по технической сущности является датчик усталости ДУ-1, выполняемый из тензометрической константановой фольги, которая широко известна и изготавливается в промышленных объемах. Изготовление датчиков усталости производится по существующей технологии изготовления тензодатчиков. Отличие состоит в том, что используется константановая фольга толщиной 5 мкм, которую отжигают в вакууме при температуре 550-700°C. Зависимость изменения сопротивления датчика от числа циклов нагружения и амплитуды деформации устанавливается экспериментально. С помощью этой зависимости, контролируя изменение электрического сопротивления датчика, можно судить о числе циклов нагружения или об уровне возникающих напряжений, а в итоге - об остаточной долговечности конструкции (О.З. Галкина, В.П. Булычева «Датчики усталости». В кн.: Электротензометрия: Материалы к краткосрочному семинару. - Л.: Изд-во ЛДНТП, 1975. - С. 26-28).
Существенными признаками прототипа являются наличие закрепляемого на диэлектрической подложке токопроводящего чувствительного элемента, электрическое сопротивление которого изменяется под действием воспринимаемой циклической нагрузки, причем в качестве материала для изготовления чувствительного элемента используется константановая фольга, изготавливаемая в промышленных объемах, доступная и недорогая.
Недостатком прототипа является его низкая чувствительность к относительно малым циклическим деформациям и напряжениям. Так, при амплитуде циклической деформации 0,001 относительных единиц (что соответствует амплитуде циклических напряжений в стальной детали 200 МПа) изменение электрического сопротивления после 100 тысяч циклов нагружений составляет всего около 0,3%. Однако такие и меньшие уровни циклических деформаций и напряжений характерны для многих металлоконструкций и деталей, в частности, сельскохозяйственной техники. Для измерения малых изменений электрических сопротивлений требуется применение омметров повышенной точности и высокой стоимости, что делает использование таких датчиков экономически нецелесообразным.
Цель полезной модели - расширение арсенала тензометрических датчиков усталости деталей и получение недорогих и простых в изготовлении датчиков с достаточно высокой чувствительностью к малым величинам циклических деформаций и напряжений.
Для достижения указанной цели в предлагаемом тензометрическом датчике усталости деталей, содержащем закрепленный на диэлектрической подложке токопроводящий чувствительный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется под действием воспринимаемой циклической нагрузки, чувствительный элемент выполнен из сплава олова с 1,9…3,1% сурьмы.
Суть полезной модели состоит в использовании при изготовлении чувствительного элемента датчика сплава олова с сурьмой, в котором количество сурьмы составляет 1,9…3,1%. Фольга из такого сплава широко известна, изготавливается в промышленных объемах, является доступной и недорогой. В результате обеспечивается простота изготовления, дешевизна и достаточно высокая чувствительность тензометрического датчика усталости деталей при контроле относительно малых величин циклических деформаций и напряжений.
Техническим результатом полезной модели является расширение арсенала технических средств для контроля усталости деталей, позволяющих судить о числе циклов нагружения или об уровне возникающих напряжений, а в итоге - об остаточной долговечности конструкций.
При проведении патентных исследований не обнаружены технические решения, раскрывающие сущность заявленного технического решения, следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию «новизна».
На фиг. 1 изображен общий вид тензометрического датчика. На фиг. 2 показаны кривые зависимости относительного изменения электрического сопротивления датчика от числа циклов и величины деформации.
Датчик содержит непроводящую электрический ток подложку 1, на которой закреплен чувствительный элемент 2. Средняя часть чувствительного элемента представляет собой токопроводящую узкую полоску, которая уложена петлями и образует решетку тензометрического датчика. На краях датчика эта полоска расширяется, образуя площадки, на которые устанавливаются щупы омметра при контроле датчика. С помощью этих же площадок тензометрический датчик может быть припаян в электрическую измерительную цепь. Для проведения контроля усталости детали 3 тензометрический датчик приклеивается на ее поверхности (фиг. 1).
Датчик выполняется следующим образом. Берут оловянную фольгу толщиной 20 мкм по ГОСТ 18394-73 и наклеивают ее на бумажный лист. Согласно ГОСТ 18394-73, оловянная фольга изготавливается из сплава, состоящего из олова с присадкой сурьмы. Добавка 1,9…3,1% сурьмы устраняет появление так называемой «оловянной чумы», сохраняя при этом высокую пластичность и химическую стойкость получаемого сплава. После высыхания клея, из фольги вырезают и удаляют полоски для обеспечения зазоров между соседними витками токопроводящей полоски датчика.
Бумажный лист, используемый в качестве подложки, должен быть достаточно мягким и толстым с тем, чтобы обеспечить целостность датчика после вырезания и удаления из фольги участков между витками токопроводящей полоски. Применяемый клей должен обеспечивать прочность соединения и гибкость получаемого датчика, что необходимо при его наклеивании на изогнутые поверхности исследуемых деталей. В проведенных опытах для подложки использовались альбомные листы для рисования, а при наклеивании - клей «Момент-1». После высыхания клея поверхность фольги размечалась с помощью булавки и металлической линейки: отмечались края подлежащих удалению полосок фольги между будущими витками токопроводящей полоски датчика. Затем по намеченным булавкой наколкам проводилось сверление, причем диаметр отверстий равен ширине подлежащих удалению полосок. После этого каждая пара отверстий, задающая края удаляемой полоски, соединялась двумя параллельными разрезами фольги, выполняемыми с помощью скальпеля и металлической линейки. Разрезы проводились по касательной к отверстиям так, чтобы получалась полоска фольги постоянной ширины. Подготовленные к удалению полоски подцеплялись с помощью булавки и пинцета и удалялись. Изготовленные таким образом датчики имели ширину токопроводящей полоски 0,75 мм, которая состояла из 9 петель длиной 55 мм каждая, а номинальное электрическое сопротивление датчиков было равным 4,2 Ом.
Изготовление чувствительного элемента тензометрического датчика может быть выполнено известным методом травления. При этом поверхность фольги, не подлежащая травлению, защищается краской (нитроэмалью).
Для изготовления тензометрического датчика усталости деталей может быть применена существующая технология серийного производства фольговых тензорезисторов. При этом используется лаковая подложка, копирование по фотошаблонам с применением защитой светочувствительной эмульсии и травление, обеспечивающие высокую стабильность, точность, низкие трудоемкость и стоимость изготовления датчиков.
Для выявления усталостных повреждений и измерения параметров циклического нагружения элементов конструкций тензометрический датчик усталости прикрепляют к этому элементу. При циклических деформациях датчика в материале его чувствительного элемента происходит накопление дислокаций кристаллической решетки, которые приводят к образованию микротрещин, затем - макротрещин и разрушению. Все это приводит к увеличению электрического сопротивления датчика вплоть до момента обрыва его токопроводящей полоски. Причем, чем больше величина амплитуды циклических деформаций или напряжений, тем быстрее происходит увеличение сопротивления датчика.
На фиг. 2 приведены зависимости относительного изменения сопротивления ΔR/R от числа циклов нагружения N контролируемой детали при разных амплитудах деформации ее поверхности ε и симметричном цикле нагружения. Сплошными линиями отмечены результаты, полученные при использовании предлагаемого устройства, а пунктирными линиями указаны данные применения устройства-прототипа. На выносках к этим кривым отмечены величины амплитуд деформаций ε.
Из графика следует, что чувствительность предлагаемого тензометрического датчика усталости деталей (сплошные кривые) на порядок выше чувствительности датчиков усталости, выбранных в качестве прототипа (пунктирные линии). В частности, если при амплитуде деформаций ε=0,001 относительных единиц изменение электрического сопротивления в датчике-прототипе составило около 0,3% после 100 тысяч циклов нагружений, то в предлагаемом датчике даже при несколько меньших деформациях ε=0,00072 электрическое сопротивление возросло на 12,6% после всего 7 тысяч циклов. Кривая, построенная для предлагаемого датчика при ε=0,00046 располагается вблизи кривой, построенной для датчика-прототипа при ε=0,004, что также отличается на порядок. Даже при весьма малых деформациях ε=0,00016 увеличение электрического сопротивления предлагаемого датчика составило 9,6% всего после 21 тысячи циклов нагружения.
Тензометрический датчик усталости деталей может быть применен следующими способами. Если контролируемая деталь работает при известных и стационарных величинах переменных деформаций, то периодически измеряя электрическое сопротивление датчика, наклеенного на деталь, устанавливается (с помощью калибровочных кривых, представленных на фиг. 2) число фактических циклов нагружений детали за единицу времени. На основе этих данных и времени нахождения детали в эксплуатации устанавливают израсходованный ресурс детали. Зная расчетный ресурс детали до разрушения, зная израсходованный ресурс детали, вычисляют остаточный ресурс детали до разрушения.
Если контролируемая деталь работает при известных и четко различимых числах циклов нагружения, то, периодически измеряя электрическое сопротивление датчика, наклеенного на деталь, устанавливается (с помощью калибровочных кривых, представленных на фиг. 2) величина фактически действующей амплитуды циклической деформации или напряжения детали. На основе этих данных и времени нахождения детали в эксплуатации устанавливают израсходованный ресурс детали. Зная расчетный ресурс детали до разрушения, зная израсходованный ресурс детали, вычисляют остаточный ресурс детали до разрушения. Кроме того, если замеренная амплитуда деформаций окажется значительно выше проектной величины, это будет указывать на опасную ситуацию скорого усталостного разрушения.
Предложенный тензометрический датчик усталости деталей является одновременно и высоко чувствительным, и недорогим по сравнению с известными.
Использование предложенного тензометрического датчика усталости деталей позволяет в условиях единичного или мелкосерийного производства при малых затратах времени и средств на его изготовление и применение выполнять более точные измерения и повысить надежность и безопасность работы различных конструкций, тем самым повысить экономическую эффективность использования машин и механизмов.