СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
METHOD TO PREVENT FATIGUE FAILURE OF METAL STRUCTURES BASED ON REGISTRATION OF MAGNETIC PERMEABILITY

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для контроля состояния элементов инженерных конструкций из ферромагнитных материалов в условиях циклического нагружения, и может найти применение в машиностроении, транспорте, а также организациях, эксплуатирующих и обследующих опасные производственные объекты.
Наиболее близким по технической сущности является способ предотвращения усталостного разрушения на основе магнитоупругости (описание изобретения к заявке №2007115280, МПК 8 G01L 1/12 от 23.04.2007 г., опублик. 27.10.2008 г. в БИ №8). Способ включает нанесение координатной сетки на поверхность детали в местах концентрации напряжений, проведение измерений в узлах сетки магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений, построение графика с участками, соответствующими различным периодам в процессе накопления усталости металла, отличающийся тем, что в ходе эксплуатации деталей машин и элементов конструкций, испытывающих циклические нагрузки, строят график изменения значений углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений, определяя три участка: первый - нестабильный - релаксации остаточных напряжений от воздействия циклических внешних эксплуатационных нагрузок, второй - стабильных напряжений после релаксации, третий - ступенчатого изменения значений измеряемых углов, соответствующий этапу зарождения и развития трещины, а после регистрации начала третьего участка эксплуатацию контролируемого изделия прекращают, предупреждая его последующее разрушение.
Недостатком способа является то, что он позволяет обнаружить опасное состояние исчерпания усталостного ресурса изделия лишь перед его разрушением, когда нередко уже невозможны профилактические меры по сохранению или восстановлению работоспособности изделия. Внезапный вывод из технологического цикла на ремонт оборудования, обеспечивающего производственный план, экономически накладен для предприятий.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности способа предупреждения усталостного разрушения путем заблаговременной диагностики исчерпания циклической прочности ответственных элементов машин.
Технический результат достигается за счет того, что в ходе эксплуатации элементов конструкций, испытывающих циклические нагрузки, в узлах координатной сетки магнитоупругим датчиком сканируют магнитную проницаемость в зависимости от угла поворота датчика в пределах от 0 до 360 градусов, по полученным данным в полярной системе координат строят фигуры распределения магнитной проницаемости, подсчитывают площади этих фигур, строят график изменения их площадей, определяя на графике три участка, из которых третий характеризуется нарастанием или снижением площадей фигур, а после регистрации начала третьего участка эксплуатацию контролируемого изделия прекращают, обеспечивая этим временной ресурс на профилактические или ремонтные работы по сохранению работоспособности изделия.
На основании патентного поиска, проведенного по доступным источникам информации, отличительных признаков, указанных в формуле изобретения, не обнаружено.
В связи с этим данное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».
Пример. Определяли усталостный ресурс образцов в виде стальных прямоугольных пластин из стали Ст3 с размерами 600×90×12 мм. Образцы имели геометрические концентраторы напряжений в виде двух расположенных симметрично относительно продольной оси пропилов глубиной 7 мм и шириной 1 мм поперек пластины. На поверхность пластины вблизи концентраторов наносили координатную сетку с ячейками 15×15 мм.
Образцы испытывали на инерционном вибраторе с электромагнитным приводом при симметричном цикле нагружения. Количество циклов нагружения регистрировали счетчиком колебаний.
Сканировали магнитную проницаемость в узлах координатной сетки при повороте магнитоупругого датчика на углы от 0 до 360 градусов через каждые 50 тысяч колебаний. Пример фигуры, полученной при сканировании одного узла и представляющей в полярной системе координат изменение магнитной проницаемости при вращении датчика, представлен на фиг.1. Подсчитывали площадь фигуры ограниченной «восьмеркой» в условных единицах.
По результатам измерений построили фиг.2 изменения площадей фигур по ходу испытаний с тремя характерными участками.
График показал, что протяженность первого нестабильного участка релаксации остаточных напряжений соответствует 1050 тыс. колебаний. Протяженность второго участка со стабильным после релаксации напряженным состоянием от 1050 до 2350 тыс. колебаний. Далее начинается вначале снижение, а затем рост площадей фигур, что характерно для третьего участка. Третий участок соотносится с проявлением и развитием выходящих от пропилов-концентраторов усталостных трещин.
Испытания завершили на 4400 тыс. циклов без доведения образца до полного разрушения. Провели сравнение результатов, полученных по способу-прототипу и по заявляемому способу. В равных условиях заявляемый способ обеспечивает диагностику усталости металла на 350…950 тыс. циклов ранее чем способ-прототип. От полного усталостного ресурса контролируемых образцов это составляет примерно 8…21%.
Положительный эффект предложенного способа состоит в том, что он позволяет не только до разрушения снять изделие с эксплуатации, но и в случае необходимости, заблаговременно, произвести профилактические или ремонтно-восстановительные работы, продлевающие срок службы.