Ударное устройство с измерительным кольцевым магнитом для определения дефектов

УДК 620.179.12

Б. Н. СТИХАНОВСКИИ Е. С. ЧЕРНОВА

Омский государственный университет путей сообщения

УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КОЛЬЦЕВЫМ МАГНИТОМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ_

Предметом исследования является контроль материалов и конструкций с использованием электромагнитного ударного устройства. Цель работы заключается в создании ударной конструкции с увеличенной амплитудой сигнала измерительной катушки и высокой чувствительностью для обнаружения дефектов в структуре материалов. Метод относится к группе механических методов неразрушающего контроля. Предлагаемая конструкция позволяет определить наличие и местоположение дефектов в материалах, основываясь на изменении показаний величины скорости отскока бойка, пропорциональной напряжению датчика. В качестве исследуемых материалов применялись образцы из углеродистой качественной стали, легкого и тяжелого бетонов, дерева. Результатом исследования явились зависимости изменения значений напряжений при ударе по образцам с дефектами и без. Они позволяют говорить о целесообразности применения конструкции ударного устройства в дефектоскопии ввиду высокой чувствительности. По данным работы были сделаны выводы о величине сигнала и даны рекомендации по получению наибольшей чувствительности, точности и надежности эксперимента.

Ключевые слова: контроль, дефектоскопия, удар, боек, упругий отскок, ударное устройство.

Контроль материалов и конструкций с помощью упругого удара относится к группе механических методов неразрушающего контроля и позволяет определить наличие в материалах полостей и дефектов в зависимости от структуры, плотности, прочности изделий.

Согласно [1], механический удар — кратковременное механическое воздействие твердых тел при их столкновении между собой и сопутствующие этому процессу явления. Это одна из наиболее мощных и часто встречающихся динамических нагрузок. Изучение процессов теории удара и ее применение является чрезвычайно важным при применении ударных машин и механизмов в технологических целях, а также при защите сооружений, конструкций, изделий и приборов от ударных перегрузок.

При конструировании приборов, основанных на ударе, прежде всего, ставится задача увеличить скорости удара тел, использовать совместное воздействие поступательного и вращательного ударных импульсов, увеличить энергию и частоту ударов.

Характеристики удара могут быть измерены различными способами, в числе которых метод шариковых отпечатков, метод дифференцирования кривой перемещения, метод измерений со снятием индикаторной диаграммы, метод индикации мерного участка пути, метод времяпролетного датчика и дифференциального анализатора интервалов времени, а также измерения при помощи датчиков различных типов: индукционных, тензорезистор-ных, магнитоупругих, датчиков ударной скорости

с постоянным магнитом. Скорость отскока бойка при ударе по контролируемому материалу зависит от многих факторов: плотности, однородности структуры или наличия в ней несплошностей, прочности и других свойств. Данный метод контроля позволяет определить наличие полостей и пустот в материалах, а также их местонахождение во внутренних слоях, что позволяет свидетельствовать о качестве изделия в целом. За время удара твердых тел в месте их контакта возникают упругие волны деформаций, которые отражаются от свободных поверхностей, оказывая влияние на величину скорости отскока бойка.

Данный метод контроля является безвредным, охватывает значительную толщину исследуемого материала и позволяет контролировать широкий спектр изделий.

Для реализации данного метода контроля были разработаны несколько устройств, действие которых основано на ударе.

Устройство [2] содержит корпус, размещенный в нем ударник со штоком; наконечник, взаимодействующий с ударником, выполненный в виде шарового сегмента, сферическая часть которого обращена к ударнику, а плоская — предназначена для взаимодействия с испытуемым объектом; электромагнитный датчик скорости отскока ударника; соленоид, расположенный коаксиально ударнику и связанный через диод с источником переменного тока. Устройство имеет существенный недостаток из-за низкой производительности вследствие небольшой частоты ударов.

Рис. 1. Ударное устройство с измерительным кольцевым магнитом для определения дефектов:

I — корпус; 2 — ферромагнитный боек; 3 — шток; 4 — соленоид; 5 — возвратная пружина; 6 — кольцо

магнита; 7 — измерительная катушка; 8 — ферромагнитная головка; 9 — регистрирующий прибор; 10 — диод;

II — пиковый детектор; 12 — испытуемый объект;

13 — полость или дефект

Устройство [3] снабжено ферромагнитным колпачком, жестко соединенным со штоком и постоянным магнитом электромагнитного датчика скорости, что повышает чувствительность за счет увеличения сигнала датчика скорости отскока ударника. Недостатком является малая амплитуда сигнала датчика и, как следствие, низкая чувствительность устройства.

В целях увеличения амплитуды сигнала измерительной катушки на порядок и более и в связи с этим повышения чувствительности, была разработана конструкция ударного устройства (рис. 1) с размещением дополнительного кольцо магнита, закрепленного жестко на корпусе (по тугой посадке или с помощью клея и т.п.) и расположенного между верхней частью ферромагнитного бойка и измерительной катушкой, подключенной к регистрирующему прибору.

Данная конструкция содержит корпус 1, выполненный из неферромагнитного материала, в котором размещается ферромагнитный боек 2 со штоком 3, соленоид 4, закрепленный коаксиаль-но бойку и связанный через диод 10 с источником переменного тока, возвратную пружину 5. На корпусе устройства жестко устанавливается кольцо магнита 6 между верхней частью ферромагнитного бойка и измерительной катушкой 7 с ферромагнитной головкой 8, содержащей постоянный магнит, связанной через пиковый детектор 11 с регистрирующим прибором 9. Испытуемый объект 12 имеет полость или дефект 13.

Действие устройства основано на том, что при подключении источника переменного тока включается соленоид, притягивающий ферромагнитный боек, что приводит к сжатию возвратной пружины. Соленоид выключается на половину периода переменного тока из-за диода. Боек ударяет по испытуемому материалу и отскакивает от него с определенной скоростью.

При отскоке бойка ферромагнитная головка измерительной катушки, соединенная с постоянным магнитом, совершает механический отрыв от неподвижного магнитопровода на некоторое расстояние. Сигнал при отрыве ферромагнитной головки поступает через пиковый детектор на регистрирующий прибор. Цикл повторяется. Кроме этого, сигнал в катушке значительно увеличивается за счет электромагнитного поля между ферромагнитным бойком и кольцом магнита.

Установка на неферромагнитном корпусе устройства дополнительного кольца магнита позволяет увеличить амплитуду сигнала измерительной катушки в несколько раз и повысить чувствительность прибора. Варианты размещения кольца магнита рассматривались в разных положениях на корпусе устройства, главным критерием выбора являлась величина сигнала измерительной катушки. Оптимальное положение показано на рис.1, в таком варианте размещения амплитуда сигнала увеличилась в несколько раз. Минимальный сигнал был получен при размещении кольца магнита в относительной близости к измерительной катушке.

Для увеличения сигнала измерительной катушки необходим разрыв по наибольшей площади ее маг-нитопровода при нулевом зазоре в момент отскока бойка от объекта, т.е. когда электромагнитная сила F максимальна, т.к. при этом имеем и наибольшую мощность P сигнала: P = F U. Это достигается,

1 max max

например, когда ферромагнитная головка разрывает магнитопровод измерительной катушки при минимальном зазоре.

Контроль веществ и материалов с использованием данной конструкции устройства позволяет решить задачу повышения чувствительности и увеличения амплитуды сигнала измерительной катушки на порядок и более.

В результате контроля получены зависимости изменения отношения средних значений напряжений при ударе по образцу с полостями от средних значений напряжений при ударе по сплошному образцу функции удельного веса испытуемых материалов. Тарировка сигнала проводилась сначала по сплошному контролируемому материалу, а затем по материалу, содержащему дефекты и полости. Сигналы сравнивались.

Испытания проводились с каждым исследуемым образцом многократно, учитывались варианты расположения полостей и пустот в материалах вблизи и в удалении от места контакта бойка с поверхностью. По полученным данным были рассчитаны средние значения напряжений отдельно для сплошных материалов и отдельно для материалов с не-сплошностями.

В качестве контролируемых объектов были использованы образцы из качественной конструкционной стали — стали 45 — содержащей полости и контролируемой в положении вблизи и в удалении от места контакта с бойком, а также сплошные образцы; образцы из бетона: сплошные и с полостями; образцы из дерева: сплошные и с полостями, контроль которых производился в двух положениях: полости сверху в относительной близости к месту контакта ферромагнитного бойка с испытуемой поверхностью и полости снизу в удалении от места контакта. Регистрирующим прибором являлся милливольтметр с диапазоном измерений 0 — 300 мВ.

Результаты эксперимента сведены в табл. 1.

Рассчитанные отношения средних значений напряжений при ударе по образцу с полостями

Таблица 1

№ п/п Объект контроля Наличие видимых полостей ( + / — ) Позиция контроля Среднее значение величины скорости отскока, пропорциональной напряжению датчика ли (ли0 ), мВ

1 2 3 4 5

1 образец из стали 45 + полости сверху вблизи от места удара 127

2 образец из стали 45 + полости снизу в удалении от места удара 158

3 образец из стали 45 - выбранная поверхность 197

4 образец из бетона (тяжелый) - выбранная поверхность 203

5 образец из бетона + полости сверху вблизи от места удара 175

6 образец из бетона (легкий) - выбранная поверхность 70

7 образец из бетона (легкий) + полости снизу в удалении от места удара 52

8 образец из дерева + полости сверху вблизи от места удара 167

9 образец из дерева + полости снизу в удалении от места удара 193

10 образец из дерева - вдоль волокон 213

11 образец из дерева - поперек волокон 128

от средних значений напряжений при ударе по сплошному образцу (АЦ) составили:

— для стали 45: удельный вес у = 7,68 г/см3, отношение средних значений напряжений при ударе

по образу с полостями к образцу сплошному соста-

AU

127

= 0,64 мВ

AU

158

= 0,8 мВ;

Ли 197 ' Ли 197

— для легкого бетона: удельный вес у = 1,75 г/см3,

отношение средних значений напряжений при ударе по образу с полостями к образцу сплошному со-

ЛЦ, 52 ппл „

ставило: -- = — = 0,74 мВ

Ли 70

— для тяжелого бетона, удельный вес у = 2,26 г/см3, отношение средних значений напряжений при ударе по образу с полостями к образцу

сплошному составило:

ДУ„ 175

= 0,86 мВ;

Аи 203

— для дерева (сосна), удельный вес у = 0,36 г/см3, отношение средних значений напряжений при ударе по образу с полостями к образцу сплошному со-

ставило:

= 180 = 0 мВ. 213 AU

128

= 0,71 мВ .

AU 213 AU 180

В зависимости от плотности испытуемого объекта для увеличения отскока бойка его можно изготавливать от сплошного ферромагнитного материала (р » 8 г/см3) до капронового (р » 1,1 г/см3) или деревянного (р < 1 г/см3), покрытого тонким слоем ферромагнитного материала, чтобы этот слой при-

тягивался соленоидом за полупериодное время его включения через диод [4].

По результатам эксперимента был построен график зависимости изменения отношения средних значений напряжений при ударе по образцу с полостями от средних значений напряжений при ударе по сплошному образцу от удельного веса испытуемых материалов (рис. 2).

Из графика видно, что в значительной степени на отскок бойка при ударе по испытуемому объекту влияет удельный вес материала, наличие полостей в структуре, а также их местоположение.

С помощью предлагаемого ударного устройства можно контролировать широкий спектр материалов: от легких деревянных и пластмассовых конструкций до тяжелых, таких как тяжелые бетоны, асфальтобетонные покрытия и металлические конструкции. В качестве рекомендации предлагается включить в список контролируемых материалов дюралюмины, титан, легированные стали, а также термически обработанные материалы.

Исходя из полученных результатов контроля, сделан соответствующий вывод о том, что величина сигнала достаточно высокая, от 52 мВ до 213 мВ, а также наибольшая чувствительность получена там, где удельный вес бойка близок к удельному весу испытуемых материалов.

Из данных, полученных в ходе исследования, можно также заключить, что для достижения наибольшей чувствительности прибора можно использовать различные модификации датчиков ударной скорости, описанные в [4].

Рис. 2. Результаты исследований

Для повышения точности и надежности эксперимента можно также внести некоторые корректировки в ударный узел устройства. Для этого был разработан ударник [5], в котором боек при ударе принудительно поворачивается за счет упругого элемента, виток которого упирается в боек с некоторым смещением от центра.

Повороты бойка происходят произвольно по всем направлениям и позволяют работать в контакте с испытуемым материалом всей поверхностью, тем самым долговечность контактной зоны увеличивается в несколько раз. За счет смещения витка упругого элемента от центра бойка ударника

появляется момент от пары сил Р и Р на г, боек

г уд пр

принудительно поворачивается и успевает совершить несколько отскоков при контакте с испытуемым объектом, т.е. происходит квазипластический удар.

Это позволяет повысить информативность отскока в десятки раз, что напрямую влияет на точность измерений. В предлагаемом ударнике, в отличие от ближайшего прототипа [2], отсутствует ступенька, что влечет также к повышению надежности конструкции, испытывающей огромные динамические нагрузки.

В данной работе в ударном узле использовался стальной боек.

Для получения оптимальных результатов контроля рекомендуется использовать боек, близкий по удельному весу к испытуемому материалу. Для конструкций из неферромагнитных материалов боек должен быть заключен в ферромагнитный стакан для возможности его притягивания соленоидом в момент включения через диод.

Библиографический список

1. ГОСТ 26883-86. Внешние воздействующие факторы. Термины и определения [Текст]. — Введ. 87 — 07 — 01. — М. : Изд-во стандартов, 1986. — 11 с.

2. А. с. 1758502 СССР, МПК7 С 01 N 3/52. Устройство для определения полостей и дефектов в материалах [Текст] / Б. Н. Стихановский, Л. М. Стихановская, Н. В. Захарова (СССР) ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 4697462/28 ; заявл. 29.05.89 ; опубл. 30.08.92, Бюл. № 32. -3 с.

3. А. с. 1587688 СССР, МПК7 С 01 N 3/52. Устройство для определения дефектов в материалах [Текст] / Б. Н. Стихановский, Л. М. Стихановская (СССР) ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 4466378/25-28 ; заявл. 27.07.88 ; опубл. 07.10.90, Бюл. № 37. - 3 с.

4. Стихановский, Б. Н. Процессы удара [Текст] : моногр. / Б. Н. Стихановский. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. — 324 с.

5. Пат. 139167 Российская Федерация, МПК7 С 01 N 3/52. Ударник для контроля веществ и материалов методом упругого отскока [Текст] / Стихановский Б. Н., Чернова Е. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. — № 2013117494/28 ; заявл. 16.04.2013 ; опубл. 10.04.2014. —3 с.

СТИХАНОВСКИЙ Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры информатики, прикладной математики и механики.

ЧЕРНОВА Елена Сергеевна, аспирантка кафедры информатики, прикладной математики и механики. Адрес для переписки: ilineilli@gmail.com

Статья поступила в редакцию 07.09.2015 г. © Б. Н. Стихановский, Е. С. Чернова