способ оперативного обнаружения дефектов и механических напряжений в протяженных конструкциях

Формула изобретения

Способ оперативного обнаружения дефектов и механических напряжений в сечениях профилей протяженных конструкций в процессе их эксплуатации, изготовленных из однородного ферромагнитного материала, имеющих сечения профилей простой симметричной формы и намагниченных с образованием полюсов симметричного магнитного поля на оси симметрии сечения профиля по всей длине объекта наблюдения, отличающийся тем, что о наличии дефектов или механических напряжений в зонах сечения профиля конструкции судят по изменению величин электрических напряжений, непрерывно снимаемых с индуктивных датчиков, установленных в одной плоскости в попарно симметричных точках сечения на его границах, при движении этих датчиков вдоль длины профиля конструкции.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области магнитной дефектоскопии в промышленности и на транспорте. Может быть использовано при оперативном обнаружении дефектов, избыточных механических напряжений в протяженных конструкциях, изготовленных из однородного ферромагнитного материала, имеющих простую симметричную форму профилей сечений, например, рельсов, металлических профилей, осей, трубопроводов в процессе их эксплуатации.

Известны способы [1, 2, 3] магнитной дефектоскопии, обнаружения избыточных изгибных напряжений и оценки прочности изделий, имеющих простую симметричную форму сечений профилей и изготовленных из однородного ферромагнитного материала. В способах [1, 2, 3] под понятием «неоднородность» подразумевается наличие разрывов (пустот, раковин) в сплошности структуры однородного по химическому составу и физическим свойствам ферромагнитного изделия. К «неоднородностям» такого рода могут быть отнесены зоны сечений в изделии, в которых в процессе эксплуатации возникают напряжения сжатия, растяжения, сдвига, являющиеся предпосылкой разрушения изделия при превышении допустимых значений механических напряжений или вследствие усталости материала. Способы [1, 2, 3] разработаны с учетом взаимозависимости неоднородности материала изделия в его сечении и сопутствующих появлению изменений магнитных свойств объекта наблюдения. В частности, в случае механических напряжений в ферромагнитном материале эта взаимозависимость проявляется в виде эффекта Виллари [4], согласно которому появление или изменение местных напряжений в локальных зонах сечений намагниченных изделий изменяет величину намагниченности материала в этих зонах. В способах [1, 2, 3] осуществляется непосредственное измерение параметров магнитного поля в характерных точках симметрии сечений изделий, таких как магнитная индукция или его напряженность, что при большой протяженности изделий может служить ограничением при их практическом использовании из-за не достаточно высокой скорости измерения параметров магнитного поля.

Предлагаемый способ решает задачу ускоренного обнаружения дефектов, избыточных изгибных напряжений, оценки прочности протяженных изделий в процессе их эксплуатации, изготовленных из однородного ферромагнитного материала и имеющих симметричную форму профилей сечений. Согласно предлагаемому изобретению для этих изделий о наличии дефекта или об изменениях значений местных механических напряжений в зонах сечений судят по непрерывному изменению величин электрических напряжений, полученных от движущихся катушек индуктивности (датчиков) вдоль изделия, установленных в попарно симметричных точках сечения профиля на его границах. При этом изделие предварительно намагничивается с образованием полюсов симметричного магнитного поля на оси симметрии сечения профиля по всей длине объекта наблюдения.

В качестве примера на рис 1. показано сечение рельса. При однородности материала и отсутствии в нем механических напряжений магнитное поле в сечении будет симметрично относительно оси симметрии сечения [5], поэтому индукция магнитного поля в характерных (попарно симметричных точках) будет одной и той же. В случае возникновения дефектов или механических напряжений в сечении изделия симметрия магнитного поля относительно оси симметрии сечения нарушается, и величина индукции в характерных точках сечения будет отличаться друг от друга. При движении датчиков, установленных в характерных точках плоскости сечения протяженного изделия, в катушках индуктивности датчиков, по закону электромагнитной индукции, наводится электродвижущая сила (равная по величине электрическому напряжению на зажимах катушек U), величина которой пропорциональна производной по времени от величины магнитной индукции В в точке установки соответствующего датчика [5]. При движении блока датчиков проводится непрерывное сканирование каждого сечения протяженного изделия в целях обнаружения участков с дефектом или предельных механических напряжений. Например, при изгибе рельса имеем следующие соотношения по абсолютным значениям индукции магнитного поля в характерных точках [2] и соотношения для электрических напряжений в катушках индуктивности датчиков, установленных в этих же точках, рис.1:

1) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал растянут, справа сжат:

В_г1 >В_г2, В_п1>В_п2 или _г=В_г1-В_г2>0, _п=В_п1-В_п2>0,

тогда для электрических напряжений

U _г=U_г1-U_г2>0, U _п=U_п1-U_п2>0;

2) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал сжат, справа растянут:

В_г1<В_г2, В_п1<В_п2 или _г=В_г1-В_г2<0, _п=В_п1-В_п2<0,

тогда для электрических напряжений

U _г=U_г1-U_г2<0, U _п=U_п1-U_п2<0;

3) изгиб рельса в вертикальной плоскости, материал головки рельса растянут, материал подошвы рельса сжат:

В _г1=В_г2, В_п1=В_п2, В _г1>B_п1, В_г2>В_п2 или

₁=В_г1-В_п1>0, ₂=В_г2-В_п2>0, ₁= ₂,

тогда для электрических напряжений

U ₁=U_г1-U_п1>0, U ₂=U_г2-U_п2>0, U ₁=U ₂;

4) изгиб в вертикальной плоскости, материал головки рельса сжат, материал подошвы рельса растянут:

В_г1=В_г2, В_п1=В _п2, В_г1<В_п1, В_г2<В _п2 или

₁=В_г1-В_п1<0, ₂=В_г2-В_п2<0, ₁= ₂

тогда для электрических напряжений

U ₁=U_г1-U_п1<0, U ₂=U_г2-U_п2<0, U ₁=U ₂.

Здесь введены следующие обозначения:

величина индукции магнитного поля для симметричной пары точек головки рельса В_г1 и В_г2, а также для симметричной пары точек подошвы рельса В_п1 и В_п2, где индекс «1» относится к левой части от оси симметрии, индекс «2» - к правой части от оси симметрии; падения напряжения в этих же точках U_г1 , U_г2 и U_п1, U_п2, а также разность индукций и падений напряжения _г, _п, ₁, ₂ и U _г, U _п, U ₁, U ₂ соответственно.

Приведенные соотношения справедливы при условии работы однотипных индуктивных датчиков, установленных в одной плоскости сечения изделия на его границе. При этом скорость движения датчиков вдоль протяженного изделия выбирается из условия удовлетворения необходимой чувствительности приборов, снимаемых непрерывное электрическое напряжение с индуктивных датчиков.

По данным датчиков судят о месте дефекта и (или) о механических напряжениях в материале сканируемого изделия.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом: намагничивание исследуемого протяженного изделия (с помощью постоянных магнитов или путем пропускания тока по нему), с целью получения симметричного магнитного поля относительно геометрии профиля, осуществляется с образованием магнитных полюсов на выбранной оси симметрии профиля сечения объекта. В зависимости от вида симметрии картины магнитного поля выбираются характерные точки на границе сечения профиля так, чтобы при однородности материала и отсутствии механических напряжений в нем картина магнитного поля была симметричной и соответствовала геометрической симметрии сечения, а также была возможность установки соответствующих индуктивных датчиков. Количество пар характерных точек и количество датчиков выбираются исходя из вида профиля изделия. Датчики устанавливаются в одной плоскости, которая совпадает с плоскостью контролируемого сечения профиля изделия. Скорость движения датчиков выбирается такой, чтобы величина напряжений на датчиках обеспечивала достоверность снимаемой с них информации. Процесс снятия и обработки информации может быть автоматизирован.

Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в возможности оперативного выявления дефектов и оценки местных напряжений в материале протяженных конструкций с помощью автоматизированных мобильных технических средств.

Информационные источники

1. Пат. № 2441227 Российская Федерация, RU 2441227 С1, МПК G01N 27/72 (2006.1). Способ магнитной дефектоскопии изделий в напряженном состоянии / Степанов Л.П., Милованов А.И., Степанов М.А.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - № 2010121417/28, заявл. 26.05.2010, опубл. 27.01.2012, Бюл. № 3. - 3 с.

2. Пат. № 2452943 Российская Федерация, RU 2452943 С1, МПК G01N 27/82 (2006/01). Способ обнаружения изгибных напряжений / Степанов А.П., Степанов М.А., Милованов A.M., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - № 2010142042/28, заявл. 13.10.2010, опубл 10.06.2012, бюл. № 16. - 5 с.

3. Пат. № 2455634 Российская Федерация, RU 2455634 С1, МПК G01N 27/80 (2006/01). Способ оценки запаса прочности изделий в процессе эксплуатации / Степанов Л.П., Степанов М.А., Милованов А.И., Милованова Е.А., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - № 2010145975/28, заявл. 10.11.2010, опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19. - 5 с.

4. Физическая энциклопедия. .

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986 г. - 263 с.: ил.