УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
ULTRASONIC METHOD OF INTERNAL MECHANICAL STRESSES MEASURING

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано для определения внутренних напряжений в рельсах бесстыкового пути, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.
Известен ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний, принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют их и рассчитывают относительную разность скоростей ультразвуковых колебаний, по которой судят о величине внутренних механических напряжений. Кроме того, дополнительно определяют алгебраическую разность тех же прошедших сигналов, а относительную разность скоростей ультразвуковых колебаний определяют из соотношения
где φ - разность фаз принятых сигналов в напряженном и свободном объектах;
С, ΔС - скорость ультразвуковых (УЗ) колебаний и ее изменение;
f - частота УЗ-колебаний;
L - длина пути УЗ-колебаний в изделии;
+
-
А, А - амплитуды суммарного и разностного сигналов соответственно.
Кроме того, в качестве ненагруженного аналога исследуемого объекта используют ненагруженную область самого используемого объекта (Патент РФ №2018815, G01N 29/00, приоритет от 24.09.1992 г., опубл. 30.08.1994 г., принятый за аналог).
Недостатком данного способа является то, что необходимо обеспечить соосность и параллельность поверхностей под излучателями и приемниками, необходимо обеспечить одинаковый акустический контакт между излучателем и приемником в нагруженной и свободной части исследуемого объекта, это приводит к большим погрешностям измерения амплитуды и, как следствие, определения  и напряжения, а также повышению трудоемкости, также необходим двухсторонний доступ, что существенно ограничивает область применения этого способа.
1
2
1
2
Наиболее близким к данному способу является акустический способ определения внутренних механических напряжений в твердых материалах, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений. Кроме того, излучающим преобразователем вводят два импульса ультразвуковых колебаний продольных волн и два импульса ультразвуковых колебаний поперечных волн под разными углами α и α и принимают двумя приемными преобразователями прошедшие через объект импульсы на расстояниях l и l от излучающего преобразователя, а величину σ напряжения определяют по формуле
T
L
где β, β - акустоупругие коэффициенты для поперечных и продольных волн в исследуемом материале;
, , ,  - времена прохождения ультразвуковых импульсов разных типов волн и по разным путям;
- отношение расстояний от излучающего преобразователя до второго и первого приемных преобразователей.
1
Кроме того, угол α ввода ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн устанавливают равным 45°, величину σ напряжения определяют по формуле
.
s1
s2
s1
s2
Приемные преобразователи устанавливают один от другого на расстоянии из условия равенства времени прохождения ультразвуковых колебаний продольных волн по дальнему пути и времени прохождения ультразвуковых колебаний поперечных волн по кратчайшему пути, а в точке ввода излучающего преобразователя вводят дополнительно импульсы колебаний поверхностной волны в направлении приемных преобразователей, измеряют времена t и t пробега импульсов поверхностной волны до приемных преобразователей, а величину L отношения расстояний определяют из соотношения L=t/t (патент РФ №2057330, G01N 29/00, приоритет от 25.02.1994 г., опубл. 27.03.1996 г., принятый за прототип).
Недостатком данного способа является то, что в приемных преобразователях в случае разного акустического контакта возрастает погрешность результатов измерений и невозможно осуществить одним излучателем ввод двух пар ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн под двумя разными углами. Известно, что в твердых средах падающая на границу двух сред волна частично проходит, частично отражается и может трансформироваться. В твердых телах возникают две (продольная и поперечная) отраженные и две преломленные волны с направлениями по закону синусов
,
где β, γ, α - углы падения, отражения и преломления;
c - скорости волн,
индексы l и t отмечают параметры продольных и поперечных волн;
индексы 1 и 2 отмечают первую и вторую среду.
Из закона синусов видно, что если скорости волн различны, то и углы, под которыми распространяются волны, тоже различны. При падении одной волны на границу двух сред во второй среде могут возникнуть под разными углами только две волны - продольная и поперечная. Для того чтобы во второй среде распространялись две волны одного типа (например, продольные) под разными углами, то и вводить необходимо две волны одного типа под разными углами. Следовательно, необходимо иметь два источника, т.е. два преобразователя, работающих в режиме излучения.
В патенте РФ №2057330 рассматриваются две продольных и две поперечных волны, вводимых во вторую среду. Причем продольные и поперечные волны распространяются под одним углом. Для этого также необходимы два датчика, работающих в режиме излучения.
1
кр1
l
1
кp2
t
1
кр2
Из закона синусов видно, что при некотором угле β=β продольная волна во второй среде начнет распространяться под углом α=90°, т.е. по границе раздела двух сред, а при угле β=β и поперечная волна во второй среде тоже распространяется по границе раздела двух сред, т.е α=90°. Таким образом, при некотором угле β=β во второй среде продольная преломленная и поперечная трансформированная волны не распространяются.
При разработке заявляемого способа была поставлена задача его упрощения при определении напряжения объекта ультразвуковым способом и сокращения числа используемых приемных и излучающих преобразователей.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом ультразвуковом способе измерения внутренних механических напряжений, заключающемся в том, что излучающим преобразователем в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемным преобразователем прошедшие сигналы, измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине внутренних механических напряжений, при этом приемным преобразователем дополнительно принимают трансформированные поперечные волны от падающих на исследуемый объект продольных волн и трансформированные продольные волны от падающих на исследуемый объект поперечных волн, измеряют времена прохождения этих волн в нагруженном и ненагруженном объекте, определяют изменение времени задержки прошедших сигналов (их разность), а величину напряжения определяют по формуле
T
где β - акустический коэффициент для поперечной волны в нагруженном объекте;
T
τ - время задержки поперечной волны в нагруженном объекте;
L
Δτ - изменение времени задержки продольных волн в нагруженном и ненагруженном объекте;
LT
Δτ - изменение времени задержки продольных волн, трансформированных в поперечные волны, в нагруженном и ненагруженном объекте;
T
α - угол ввода поперечной волны в нагруженном объекте.
Поставленная задача решается также за счет того, что используют приемный и излучающий преобразователи с углом ввода продольных ультразвуковых колебаний, равным 18°.
На фиг. 1 приведена схема прозвучивания при ультразвуковом способе определения внутренних механических напряжений в объекте, которая содержит: 1 - объект; 2 - излучающий преобразователь (ИП); 3 - принимающий преобразователь (ПП). На фиг. 2 показаны осциллограммы зондирующего сигнала (4), сигнала от продольной волны (5), сигнала от продольной волны, трансформированной в поперечную волну, (6) и сигнала от поперечной волны (7). На фиг. 3 представлен график распределения напряжений, измеренных микропроцессорной тензометрической системой в объекте и определяемых по предлагаемому ультразвуковому способу.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
L
T
TP
ТP
TP
TP
L
T
При создании в исследуемом объекте одноосного напряженного состояния поле напряжения будет ориентировано вдоль объекта. На фиг. 1 показаны углы ввода ультразвуковых колебаний продольной α и поперечной α волны. Точкой A обозначена точка ввода ультразвуковых колебаний продольной и поперечной волны. Точка B соответствует точке выхода сигналов ультразвуковых волн, прошедших через объект. Точки C, D соответствуют точкам отражения и трансформации ультразвуковых волн. H - толщина объекта, L, Т, L, Т - направления векторов смещения колебаний отраженных продольных, поперечных (L, Т) и трансформированных продольных L и трансформированных поперечных Т волн. Излучая в точке A под углами α и α импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн в ненагруженный объект и принимая их в точке B, измеряют времена пробега , ,  продольных, поперечных, продольных, трансформированных на объекте в поперечные, и поперечных, трансформированных в продольные, волн.
TP
TP
Исследуем нагруженный объект и его ненагруженный аналог. Вначале в ненагруженном объекте приемным преобразователем 3 (фиг. 1) дополнительно принимаем трансформированные поперечные волны T от падающих на исследуемый объект продольных волн L и трансформированные продольные Lволны от падающих на исследуемый объект поперечных T волн. Измеряют времена прохождения продольных  и поперечных  волн, времена прохождения трансформированной поперечной волны от падающих на исследуемый объект продольных волн  и трансформированной продольной волны от падающих на исследуемый объект поперечных волн  в ненагруженном объекте.
L
T
LT
L
T
LT
L
T
LT
Затем излучающий 2 и приемный 3 преобразователи устанавливают на объект, и он нагружается. Осуществляют сканирование приемным преобразователем 3 и выявляют максимальную амплитуду от прошедшего импульса продольной волны, трансформированной в поперечную волну, LT. На осциллограмме регистрируют амплитуды импульсов продольной L (кривая 5 на фиг. 2) и поперечной Т (кривая 7 на фиг. 2) волн и определяют время задержки продольной τ, поперечной τ и время задержки продольных волн, трансформированных в поперечные волны, τ, в нагруженном объекте. Затем, зная времена задержки τ, τ, τ в нагруженном объекте и его ненагруженном аналоге, определяют изменения времен задержки Δτ, Δτ, Δτ. После чего определяем величину напряжения σ по формуле
.
Пример 1. Осуществляли измерение внутренних механических напряжений в рельсе Р75. В качестве первичных преобразователей использовались проволочные тензодатчики, которые закреплялись на головке, шейке и подошве рельса. Перед началом контроля в исследуемом рельсе производили определение времени прохождения прошедших ультразвуковых сигналов в ненагруженном состоянии , , . Для этого на ненагруженный рельс 1 устанавливают излучающий 2 и принимающий 3 преобразователи, как показано на фиг. 1. Предварительно на преобразователи наносили контактную смазку. Сканируя по поверхности ненагруженного аналога рельса принимающим преобразователем 3, осциллографом TDS-2014 фиксировали максимальную амплитуду от прошедшего импульса продольной волны, трансформированной в поперечную волну, LT. При этом на осциллограмме фиксировались амплитуды от ультразвуковых импульсов продольной L и поперечной Т волны и затем определялось время задержки продольной , поперечной  волны и время задержки продольных волн, трансформированных в поперечные волны, , (фиг. 2) от максимальной амплитуды зондирующего импульса 4 до точки пересечения передним фронтом максимальной амплитудой импульса продольной 5, поперечной 7 и продольной волны, трансформированной в поперечную волну, 6, оси времени.
L
T
LT
L
T
LT
После этого излучающий 2 и принимающий 3 преобразователи устанавливали на исследуемый рельс (см. фиг. 1). Предварительно наносили контактную смазку. Затем осуществляли сканирование принимающим преобразователем 3 и выявляли максимальную амплитуду от прошедшего импульса продольной волны, трансформированной в поперечную волну, LT. При этом на осциллограмме фиксировали амплитуды от импульсов продольной L и поперечной Т волн и определяли время задержки продольной τ, поперечной τ и время задержки продольной волны, трансформированной в поперечную волну, τ, в нагруженном рельсе. Затем определяли изменения времен задержки этих времен Δτ, Δτ, Δτ как ; ; .
T
-1
Акустоупругий коэффициент для поперечной волны известен и равен β=7,2 ТПа (см. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева, т. 4. Акустическая тензометрия. - М.: Машиностроение, 2006. - С. 164). Из закона синусов определяли угол ввода поперечной волны, который равен
.
L
T
L
Поскольку известны скорость продольной волны C в стали, равная 5910 м/с, скорость поперечной волны С, равная 3230 м/с, и угол ввода продольной волны α=18° (см. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др.; Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. С. 202), то, подставляя значения в формулу (1), вычисляли внутреннее напряжение.
расч
Найденные расчетным способом значения внутренних механических напряжений в нагруженном рельсе σ и измеренные тензометрической системой ММТС-64.01 (Степанова Л.Н., Лебедев Е.Ю., Кабанов С.И. и др. Микропроцессорная малогабаритная тензометрическая система // Контроль. Диагностика. 2002, №8, с. 41-45) представлены в таблице 1.
эксп
расч
Как видно из таблицы 1, погрешность измерения и вычисления напряжения составляет в среднем 2…6%, что приемлемо для практических испытаний. Результаты измерений напряжения микропроцессорной тензометрической системой ММТС-64.01 σ показаны на фиг. 3 в виде ступенчатой зависимости σ(t). Точками показаны рассчитанные значения напряжения σ, которые были получены по измеренным осциллографом TDS-2014 временным параметрам ультразвуковых волн.
Предлагаемый способ измерения внутренних механических напряжений (по сравнению с прототипом) имеет меньшее число приемных преобразователей, что упрощает его практическую работу. Кроме того, нет необходимости дополнительно устанавливать второй приемный преобразователь от первого на расстоянии исходя из условия равенства времени прохождения ультразвуковых колебаний поперечных волн до первого приемного преобразователя и времени прохождения ультразвуковых колебаний продольных волн до второго приемного преобразователя. Все это требует дополнительного времени на определение места положения второго приемного преобразователя.
Преимущество предлагаемого способа заключается в снижении затрат на проведение контроля, поскольку вместо преобразователей с переменным углом ввода или специальных акустических систем используются серийные преобразователи с углом ввода 18°.
Предлагаемый способ позволяет проводить измерение напряжения в рельсах, уложенных в путь, на всем его протяжении при использовании ненагруженного аналога рельса.