способ и стенд для исследования электромагнитного излучения деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня

Формула изобретения

1. Способ исследования электромагнитного излучения деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня, включающий установку его на стенде, использование емкостного датчика, одна из обкладок которого выполнена в виде пластины, установленной на основании стенда, и соединена с системой регистрации, а другая - заземлена, деформирование упомянутого стержня путем приложения к верхнему его концу внешней нагрузки с помощью нагрузочного устройства, включающего подвижную опору с гнездом для размещения верхнего конца деформируемого стержня и установленную на основании стенда неподвижную опору с гнездом для размещения нижнего конца этого стержня, преобразование с помощью указанного емкостного датчика возникающего при этом сигнала электромагнитного излучения деформируемого стержня и регистрацию его системой регистрации, отличающийся тем, что в качестве другой обкладки емкостного датчика используют другую пластину, причем пластины установлены на основании стенда через изолирующие прокладки, при этом деформируемый стержень располагают между обкладками емкостного датчика, после чего к верхнему концу деформируемого стержня, установленному в гнезде, выполненном с торца подвижной опоры, служащей рычагом рычажной системы нагрузочного устройства, циклически прикладывают изгибающую внешнюю нагрузку в противоположных направлениях с помощью этого рычага, который перемещают в вертикальной плоскости, проходящей через осевые линии указанного рычага и гнезда неподвижной опоры рычажной системы нагрузочного устройства.

2. Стенд для исследования электромагнитного излучения деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня, содержащий основание, емкостной датчик электромагнитного излучения, систему регистрации и нагрузочное устройство, состоящее из установленной на основании неподвижной опоры с гнездом для размещения нижнего конца деформируемого стержня и подвижной опоры с гнездом для размещения его верхнего конца, при этом основание, нагрузочное устройство и указанный емкостной датчик заключены в электромагнитный экран, отличающийся тем, что в качестве нагрузочного устройства использована рычажная система, включающая неподвижную опору с гнездом и служащий подвижной опорой рычаг, в котором гнездо для размещения верхнего конца деформируемого стержня выполнено с торца, при этом обкладки емкостного датчика электромагнитного излучения выполнены в виде пластин, установленных на основании через изолирующие прокладки с разных сторон нагрузочного устройства, причем одна пластина электрически соединена с заземленным основанием, а вторая - с системой регистрации.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к области горного дела и может быть использовано при дефектоскопии изделий техники, а также при исследованиях электромагнитных полей, излучаемых горными породами в процессе их разрушения, в частности в целях прогнозирования динамических явлений.

Известен способ прогноза разрушения массива горных пород по авт. св. СССР 1562449, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ 17, 1990 г., включающий регистрацию во времени эмиссионных импульсов в массиве и определение частоты их максимума спектральной плотности, при котором одновременно измеряют амплитуду максимальной спектральной составляющей, определяют скорости изменения амплитуды по времени и по частоте и по одновременному уменьшению обеих скоростей определяют начало разрушения массива, при этом в качестве эмиссионных импульсов регистрируют импульсы электромагнитного излучения (ЭМИ).

Недостатком этого способа является то, что он предназначен для регистрации сигналов ЭМИ массива горных пород, а поэтому неэффективен при экспериментах в лабораторных условиях с образцами твердых тел небольших размеров, выполненных, в частности, в форме стержней, поскольку стержень не может выполнять роль массива.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ регистрации ЭМИ при растяжении металлических стержней цилиндрической формы (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra //Nature, vol. 254, March 13, 1975. - p. 133-134), согласно которому деформируемый металлический стержень помещают по оси, выполненной в форме полуцилиндра металлической пластины, которую используют в качестве обкладки конденсатора, от боковой поверхности которой делают отвод для подключения к первому входу регистратора, в качестве которого используют запоминающий осциллограф, а деформируемый металлический стержень используют в качестве второй обкладки конденсатора, подключают ко второму входу регистратора и заземляют.

Недостатком этого способа является невозможность использования в качестве деформируемого стержня образцов из твердых диэлектриков, например горных пород, так как они по своим физическим свойствам не могут служить обкладкой конденсатора.

Еще одним недостатком этого способа является то, что он основан на нагружении исследуемого стержня растягивающей нагрузкой. Это исключает возможность использования изгибающих нагрузок в устройствах, реализующих этот способ, в то время, как исследования ЭМИ при изгибающих деформациях представляют теоретический и практический интерес, т.к. в технике многие детали различных устройств работают на изгиб.

Известен стенд для испытания труб (авт. св. СССР 1241088, кл. G 01 N 3/10, опубл. в БИ 24, 1986 г.), включающий основание, установленный на нем ложемент для размещения испытуемой трубы, закрепленные на основании стойки, установленную на стойках силовую раму с опорной траверсой и соединенные с рамой гидроцилиндры; кроме того, он снабжен противовесом, закрепленным на силовой раме с противоположной стороны от опорной траверсы, рама установлена на стойках с возможностью перемещения в своей плоскости и поворота вокруг оси, перпендикулярной стойкам, а каждый гидроцилиндр связан с рамой и одной из стоек.

Стенд предназначен для испытания труб с использованием гидравлических систем, что делает его сложным в конструктивном отношении, металлоемким и непригодным для экспериментов со стержнями малых размеров, сечением до 1 см². Кроме того, он не имеет приспособлений для регистрации ЭМИ.

Известен стенд для испытания на прочность образцов материалов по патенту РФ 2029279, кл. G 01 N 3/10, опубл. в БИ 5, 1995 г., содержащий основание, установленные на нем колонны, траверсу, установленную на колоннах с возможностью перемещения вдоль последних, средства фиксации траверсы относительно колонн, средства создания статической и динамической нагрузок и источник испытательной среды. Средства создания статической нагрузки выполнены в виде связанных со средствами фиксации траверсы и установленных коаксиально каждой колонне стаканов и поперечных перегородок, установленных в зазоре между каждым стаканом и колонной с образованием двух герметичных полостей, каждая из которых сообщена с источником среды.

Стенд предназначен для испытаний изделий большого поперечного сечения растягивающей нагрузкой. Он непригоден для нагружения изделий изгибающей нагрузкой и не имеет приспособлений для регистрации ЭМИ.

Наиболее близким к заявляемому стенду по технической сущности и достигаемому результату является стенд для регистрации ЭМИ при растяжении металлического стержня цилиндрической формы (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra //Nature, vol. 254, March 13, 1975. - p. 133-134), представляющий собой устройство для растяжения стержней, снабженное преобразователем для регистрации ЭМИ, выполненным в виде металлической пластины в форме полуцилиндра, играющей роль первой обкладки конденсатора, причем в качестве его второй обкладки использован испытуемый (растягиваемый) металлический стержень, а для обработки сигналов ЭМИ - регистратор в виде запоминающего осциллографа. Вся система помещена в электромагнитный экран. Стенд снабжен двумя стаканами с гнездами для установки испытуемого металлического стержня, подвижным основанием и подвижной плитой.

Недостатком этого стенда является использование в качестве второй обкладки конденсатора растягиваемого металлического стержня, что исключает возможность использования стержней из диэлектриков, например из горных пород.

Другим недостатком этого стенда является его назначение для растяжения стержней и невозможность выполнять исследования при изгибающих деформациях.

Техническая задача, решаемая предложением, состоит в обеспечении возможности исследования сигналов ЭМИ при деформировании твердых тел, в том числе горных пород, в форме стержней изгибающим усилием, прилагаемым циклически в фиксированной плоскости.

Поставленная задача решается за счет создания ЭМИ деформируемого стержня при изгибающей нагрузке, преобразования и регистрации ЭМИ.

Решение поставленной задачи осуществляют тем, что в способе исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня, включающем установку его на стенде, использование емкостного датчика ЭМИ, одна из обкладок которого выполнена в виде пластины, установленной на основании стенда, и соединена с системой регистрации, а другая - заземлена, деформирование упомянутого стержня путем приложения к верхнему его концу внешней нагрузки с помощью нагрузочного устройства, включающего подвижную опору с гнездом для размещения верхнего конца деформируемого стержня и установленную на основании стенда неподвижную опору с гнездом для размещения нижнего конца этого стержня, преобразование с помощью указанного емкостного датчика ЭМИ возникающего при этом сигнала ЭМИ деформируемого стержня и регистрацию его системой регистрации, согласно техническому решению, в качестве другой обкладки емкостного датчика ЭМИ используют другую пластину, причем пластины установлены на основании стенда через изолирующие прокладки, при этом деформируемый стержень располагают между обкладками емкостного датчика ЭМИ, после чего к верхнему концу деформируемого стержня, установленному в гнезде, выполненном с торца подвижной опоры, служащей рычагом рычажной системы нагрузочного устройства, циклически прикладывают изгибающую внешнюю нагрузку в противоположных направлениях с помощью этого рычага, который перемещают в вертикальной плоскости, проходящей через осевые линии указанного рычага и гнезда неподвижной опоры рычажной системы нагрузочного устройства.

Деформирование образца в форме стержня изгибающей нагрузкой, прилагаемой циклически в противоположных направлениях в вертикальной плоскости, проходящей через осевые линии рычага и гнезда неподвижной опоры, осуществляют с помощью рычага благодаря размещению стержня одним концом в гнезде неподвижной опоры, вторым - в гнезде рычага, что обеспечивает при движении рычага трещинообразование и разрушение стержня изгибом. При этом на берегах формирующихся трещин возникают заряды, колебания которых сопровождаются ЭМИ, что позволяет регистрировать возникающее ЭМИ и исследовать его особенности в режиме изгибающей деформации.

В стенде для исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня, содержащем основание, емкостной датчик ЭМИ, систему регистрации и нагрузочное устройство, состоящее из установленной на основании неподвижной опоры с гнездом для размещения нижнего конца деформируемого стержня и подвижной опоры с гнездом для размещения его верхнего конца, при этом основание, нагрузочное устройство и указанный емкостной датчик ЭМИ заключены в электромагнитный экран, согласно техническому решению, в качестве нагрузочного устройства использована рычажная система, включающая неподвижную опору с гнездом и служащий подвижной опорой рычаг, в котором гнездо для размещения верхнего конца деформируемого стержня выполнено с торца, при этом обкладки емкостного датчика ЭМИ выполнены в виде пластин, установленных на основании через изолирующие прокладки с разных сторон нагрузочного устройства, причем одна пластина электрически соединена с заземленным основанием, а вторая - с системой регистрации.

Исследование ЭМИ, возникающего в процессе деформирования стержня изгибом, осуществляют путем размещения его между обкладками емкостного датчика ЭМИ, металлические пластины которого закреплены через изолирующие прокладки на основании стенда с разных сторон относительно неподвижной опоры, в гнезде которой размещен нижний конец деформируемого стержня. При этом для формирования внешней электрической цепи между обкладками емкостного датчика ЭМИ одну из них электрически соединяют с основанием, которое заземляют. В качестве соединительного провода используют экранированный провод, за счет чего исключают проникновение внешних помех и шумов.

Рычагом, за счет прилагаемого к нему внешнего усилия переменного направления, совершают циклические колебательные движения в вертикальной плоскости, проходящей через осевые линии рычага и неподвижной опоры, деформируя в режиме изгиба исследуемый стержень.

При этом в последнем возникают микротрещины и трещины, на берегах которых формируются электрические заряды. Колебания берегов трещин и их рост сопровождается колебанием электрических зарядов, что приводит к появлению ЭМИ. Последнее преобразуют емкостным датчиком ЭМИ и регистрируют системой регистрации.

Таким образом, рассматриваемый стенд обеспечивает исследование сигналов ЭМИ при деформировании твердых тел в форме стержней изгибающим усилием, прилагаемым к ним циклически.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного выполнения и чертежами, где на фиг.1 приведен вид стенда сбоку с размещенным на нем деформируемым стержнем; на фиг.2 - общий вид стенда в аксонометрии; на фиг.3 - вид А на фиг.1 в момент разрушения деформируемого стержня.

Способ исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня реализуют с помощью стенда, предназначенного для этой цели (фиг.1-3).

Стенд для исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня состоит из основания 1 (фиг.1-3), на котором закреплена неподвижная опора рычажной системы, служащей нагрузочным устройством. Неподвижная опора выполнена в виде стакана 2 с гнездом 3. В основании 1 выполнены канавки 4 с разных сторон нагрузочного устройства, в которых через изолирующие прокладки 5 установлены обкладки в виде металлических пластин 6 емкостного датчика 7 ЭМИ. При этом одна из пластин 6 электрически соединена экранированным проводом 8 с основанием 1, которое заземлено. В гнезде 3 стакана 2 размещен нижний конец деформируемого стержня 9, верхний его конец размещен в гнезде 10 рычага 11, служащего подвижной опорой рычажной системы, причем гнездо 10 выполнено с торца рычага 11.

При повороте рычага 11 в вертикальной плоскости, проходящей через осевые линии рычага 11 и стакана 2, деформируемый стержень 9 изгибают. Рычаг 11 приводят в движение вручную. При повороте рычага 11 в противоположном направлении деформируемый стержень 9 изгибают в другую сторону. В процессе его изгиба в нем возникают микротрещины, которые при повторных изгибах сливаются в более крупную трещину 12 (фиг.3). За счет прорастания трещин и колебания их берегов формируют ЭМИ, которое преобразует емкостным датчиком 7 ЭМИ в электрические сигналы. Последние с емкостного датчика 7 ЭМИ подают на систему регистрации, включающую, например, усилитель 13 и компьютер 14. Основание 1, нагрузочное устройство и емкостный датчик 7 ЭМИ закрыты электромагнитным экраном 15, в котором имеется прорезь для перемещения рычага 11. При этом непрерывность экрана обеспечивается подвижным щитком, закрывающим прорезь в электромагнитном экране 15 (прорезь и щиток на чертежах не показаны). Чтобы при этом обеспечить непрерывность экрана 15, используют щиток из того же материала, что и экран 15. При этом щиток закрепляют на рычаге 11 и перемещают вместе с ним.

Заявляемый способ осуществляют с использованием заявляемого стенда следующим образом.

Деформируемое твердое тело, например из металла или горной породы, выполненное в форме стержня 9, размещают нижним концом в гнезде 3 стакана 2, а верхним - в гнезде 10 рычага 11. Обкладку емкостного датчика 7 ЭМИ подсоединяют экранированным проводом 8 к системе регистрации (фиг.1). Затем приводят в движение рычаг 11, перемещая его вперед и назад, и за счет этого деформируют стержень 9. Если стержень 9 металлический, то при движении рычага 11 он подвергается пластической деформации и постепенно в месте изгиба разрушается. На берегах образующихся микротрещин и трещин в момент их формирования в материале стержня 9 возникают электрические заряды. При колебаниях и движении берегов трещин и микротрещин электрические заряды, двигаясь, излучают электромагнитные волны, которые, распространяясь в окружающем пространстве, образуют ЭМИ. Если стержень 9 выполнен из диэлектрика, например горной породы, то его разрушают за одно движение рычага 11. При этом в месте изгиба стержня 9 формируют, как правило, одну магистральную трещину 12, за счет чего образуют одиночный сигнал ЭМИ, состоящий из пачки импульсов. Далее сигналы ЭМИ преобразуют емкостным датчиком 7 ЭМИ и с него подают на систему регистрации, состоящую, например, из усилителя 13 и компьютера 14. С последнего зарегистрированный сигнал ЭМИ выдают в виде распечатки осциллограммы и подвергают дальнейшему анализу и обработке.

Таким образом, заявляемый способ исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня в совокупности с заявляемым стендом обеспечивают исследование ЭМИ деформируемых изгибающей нагрузкой твердых тел в форме стержней и, следовательно, позволяют решить поставленную техническую задачу.