Ультразвуковой способ определения напряженно- деформированного состояния эксплуатируемых болтовых соединений

 

Изобретение относится к неразрушающим методам диагностики материалов конструкций и может быть использовано для определения фактического напряженно-деформированного состояния (НДС) ранее затянутых болтовых соединений в конструкциях, находящихся в эксплуатации объектов ответственного назначения в различных отраслях промышленности и транспорта (тепловая и атомная энергетика, машиностроение, химическая и др.) и заключается в том, что в исследуемый затянутый болт вводят непрерывные УЗ-колебания на частоте основного резонанса стоячей волны, при этом амплитуду возбуждающих колебаний устанавливают на уровне, обеспечивающем в теле болта стоящую волну малой интенсивности, принимают в принятом сигнале, затем устанавливают амплитуду возбуждающих колебаний на уровне, обеспечивающем установление амплитуды стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности, и измеряют амплитуды первой, второй и третьей гармоник, а о напряженно-деформированном состоянии материала болта и величине механических напряжений судят по отношениям амплитуд гармоник, измеренных при высоком уровне возбуждающих колебаний, к амплитуде колебаний стоячей волны, измеренной при низком уровне возбуждающих колебаний. При этом параметры вводимых непрерывных УЗ-колебаний расчитывают по специальным формулам. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к неразрушающим методам диагностики материалов конструкций и может быть использовано для определения фактического напряженно-деформированного состояния (НДС) ранее затянутых болтовых соединений в конструкциях, находящихся в эксплуатации объектов ответственного назначения в различных отраслях промышленности и транспорта (тепловая и атомная энергетика, машиностроение, химическая и др.) Известно множество способов измерения напряжений при затяжке болтовых соединений [1,2,3] . В основе наиболее распространенных разновидностей УЗ - способов лежит эффект акустоупругости - зависимости скорости упругих колебаний от напряженного состояния материала ΔC/C = βσ где Δ C/С - относительное изменение скорости упругих колебаний при изменении напряженного состояния; β - акустоупругий коэффициент; σ - величина механического напряжения.

Как показывают практические и теоретические исследования [4,5] акустоупругий коэффициент не является постоянной величиной, он зависит от состояния материала и его предыстории, от формы изделия и условий измерения и, наконец, от величины и характера напряжений. Все эти факторы затрудняют определение акустоупругого коэффициента и значительно снижают достоверность и точность определения величины напряжения.

Известен ультразвуковой (УЗ) способ контроля механических напряжений в твердых телах, заключающийся в излучении в изделие до приложения нагрузки и после приложения двух импульсов УЗ-колебаний сдвиговых волн с взаимно перпендикулярной ориентацией вектора смещения, измерении изменения их скоростей и вычислении величины напряжения по относительному изменению скоростей используемых У3- колебаний и акустоупругому коэффициенту [6]. В этом способе удается компенсировать ряд факторов, определяющих погрешность измерения, и точность измерения напряжений в области упругих нагружений становится приемлемой. Однако в области упруго пластических и пластических нагружений способ имеет слишком низкие достоверность и точность измерений, что обусловлено неизвестным законом изменения акустоупругого коэффициента при изменении напряжений и исключает возможность его применения в этой области.

Известны также методы, использующие непрерывные У3-колебания. Значительная часть этих методов основана на нелинейных эффектах, возникающих в исследуемом объекте при распространении и взаимодействии в нем непрерывных гармонических ультразвуковых колебаний.

Известен, например, способ контроля внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в исследуемый объект (болт) вдоль его оси вводят непрерывные У3-колебания до и после приложения нагрузки анализируют параметры установившихся колебаний и по их соотношению судят о величине внутренних напряжений [7].

Недостатком этого способа является низкая точность и недостаточная достоверность результатов, обусловленные зависимостью параметров У3-колебаний от температуры объекта, его геометрии и свойств материала.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ У3-измерения механических напряжений, заключающийся в том, что в изделие вводят непрерывные У3-колебания до приложения внешней нагрузки и после, измеряют нелинейные искажения установившихся колебаний после приложения нагрузки и по ним судят о величине внутренних напряжений [8].

Недостатками этого способа являются низкие чувствительность, точность и достоверность результатов измерения, что обусловлено малой относительной величиной параметров нелинейных эффектов, используемых в этом способе, и, следовательно, невозможностью достаточной компенсации влияния температуры, изменений длины исследуемого тела и других факторов, воздействующих на объект в процессе его нагружения.

Но основным недостатком всех известных способов измерения напряжений в болтах является: - невозможность оценки напряженно-деформированного состояния или степени натяжения болтов, длительное время находящихся в эксплуатации, когда нет возможности ослабить затяжку болта или подобрать болт-аналог, а также вследствие неприменимости известных способов в условиях упругопластических деформаций, что характерно для таких болтов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности оценки напряженно-деформированного состояния, или степени натяжения болтов, длительное время находящихся в эксплуатации.

Дополнительной, но важной задачей, которая решается предлагаемым изобретением, является расширение области применения способа измерения напряжений в широком диапазоне нагрузок, вплоть до разрушения, при обеспечении достоверности, достаточной для оценки безопасности дальнейшей эксплуатации болтов, длительное время находящихся в эксплуатации.

Для решения поставленной задачи в исследуемый объект вводят непрерывные УЗ-колебания малой интенсивности на частоте основного резонанса стоячей волны, принимают прошедшие через объект сигналы, измеряют в принятом сигнале амплитуду стоячей волны малой интенсивности, увеличивают амплитуду возбуждающих колебаний до уровня, обеспечивающего установление величины амплитуды стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности, измеряют амплитуды первой - основной, второй и третьей гармоник в принятом сигнале и по отношениям амплитуд измеренных гармоник к амплитуде колебаний стоячей волны малой интенсивности судят о напряженно-деформированном состоянии болта.

При этом, частоту основного резонанса возбуждаемой стоячей волны УЗ-колебаний устанавливают по максимуму амплитуды принимаемых колебаний, изменяя частоту возбуждающих колебаний в интервале , где
F_max - F_min - диапазон изменений частоты возбуждающих колебаний, кГц;
E₀ - модуль упругости материала болта, кгм/м²·с²;
ρ - плотность материала болта, кг/м³;
d - диаметр болтав, мм;
L - длина болта, мм.

Кроме того, амплитуду возбуждающих колебаний устанавливают:
- для создания стоячей волны малой интенсивности.

,
- для создания стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности.

,
где
U_возб - амплитуда возбуждающих колебаний, В;
σ_упр - предел упругости материала болта, кгм/м²·с²;
- модуль сопротивления излучения акустического преобразователя, Ом;
η - коэффициент преобразования пьезоэлемента акустического преобразователя, разы.

Известен УЗ импульсный способ измерения степени натяжения болтов или шпилек в резьбовых соединениях, заключающийся в том, что измерения проводят в гайке резьбового соединения, используя в качестве ненагруженного образца область тела гайки, противоположную контактирующему со стягиваемым объектом торцу [9]. При использовании этого способа не требуется ненагруженный аналог исследуемого объекта. Однако, этот способ имеет все перечисленные выше недостатки, присущие импульсным способам. Кроме того, неидентичность реологических процессов, протекающих в материалах болта и гайки, в силу различия знаков и условий воздействия нагрузки, а также различия свойств самих материалов, делают невозможным использование этого способа для оценки напряженно-деформированного состояния, или степени натяжения болтов, длительное время находящихся в эксплуатации.

Авторам не известны неразрушающие способы или средства оценки напряженно-деформированного состояния, или степени натяжения болтов, длительное время находящихся в эксплуатации.

Сущность предлагаемого способа можно пояснить следующим образом. Предлагаемый способ, как и известные способы, основан на использовании нелинейных эффектов, возникающих в исследуемых объектах при возбуждении в них непрерывных гармонических колебаний. Нелинейные эффекты практически проявляются как акустоупругость, рефракция ультразвука, модуляция звука звуком, и комбинационные взаимодействия упругих волн. Нелинейные эффекты - это эффекты, возникающие в твердом теле при распространении и взаимодействии в нем ультразвуковых колебаний в случаях, когда:
- амплитуда смещения колебаний, в результате воздействия внешних факторов, попадает на нелинейный участок используемой характеристики исследуемого материала (это колебания малой интенсивности, используемые в ультразвуковой диагностике вообще и в известных способах измерения напряжений в частности);
- амплитуда смещения колебаний сама по себе имеет величину, занимающую на используемой характеристике исследуемого материала участок, который уже не может быть аппроксимирован линейным законом (это колебания конечной интенсивности).

В отличие от колебаний малой интенсивности, используемых в ультразвуковой дефектоскопии, и колебаний большой интенсивности, приводящих к разрушению материала и используемых при ультразвуковой обработке материалов, колебания конечной интенсивности вызывают локальные деформации и изменения напряженного состояния материала тела и обуславливают появление нелинейных эффектов значительно большей величины. Сущность нелинейного комбинационного взаимодействия упругих волн, применяемого в предлагаемом способе, заключается в том, что ультразвуковые колебания конечной амплитуды вступают во взаимодействие, в результате которого появляются комбинационные волны и наблюдается перекачка энергии из колебаний одной частоты в колебания, вновь возникающие [10] . Кроме того, в некоторых условиях наблюдается генерация высших гармоник при введении в тело колебаний одной частоты [11].

При возбуждении непрерывных гармонических колебаний в стержне возникают две волны: прямая и отраженная, которые, взаимодействуя между собой, могут алгебраически суммироваться или давать комбинационные гармоники в зависимости от фазовых соотношений, определяемых состоянием материала стержня. При установке частоты вводимых колебаний равной основному резонансу, обеспечиваются условия формирования стоячей волны, а регулирование амплитуды возбуждающих колебаний, позволяет установить амплитуду смещения колебаний стоячей волны любой интенсивности. При амплитуде стоячей волны малой интенсивности относительная величина нелинейных эффектов мала даже при высоких внутренних напряжениях, что дает право пренебречь ими при измерении амплитуды основной гармоники стоячей волны. При амплитуде стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности нелинейный эффект резко возрастает. Теперь даже небольшие изменения состояния материала стержня (болта) или его размеров (область упругих нагружений) приведут к изменению фазовых соотношений прямой и отраженной компонент стоячей волны и, следовательно, к изменению амплитуды стоячей волны. При увеличении нагрузки, и переходе в область упруго-пластических нагружений, появляется и быстро нарастает эффект комбинационного взаимодействия упругих колебаний, что проявляется в возникновении и росте амплитуд гармоник так, что они становятся соизмеримыми с амплитудой основной гармоники. Вышесказанное можно проиллюстрировать результатами исследований, проведенных авторами (фиг. 1,2,). На фиг. 1. даны осциллограммы возбуждающего (верхние) и принимаемых (нижние) колебаний при растяжении болта с использованием разрывной машины. На фиг. 2. приведены обобщенные кривые, отображающие зависимость отношения амплитуд, основной, второй и третьей гармоник в нагруженном болте к амплитуде стоячей волны (основной гармоники) в болте до нагружения при изменении величины механического напряжения в теле болта. Формулы 1, 2 и 3 явились результатом обширных исследований, проведенных авторами на болтах различных типоразмеров, изготовленных из сталей и сплавов различных марок. Достоверность рекомендуемых формул подтверждается устойчивостью постоянных коэффициентов при различных сочетаниях материалов и типоразмеров болтов, а также условий ввода и приема сигналов: среднеквадратичное отклонение этих коэффициентов не превышает 5%.

На фиг. 3. представлена блок-схема простейшего устройства, реализующего УЗ способ измерения механических напряжений при затяжке болтовых соединений. Устройство для реализации способа состоит из перестраиваемого генератора непрерывных колебаний 1, блока ультразвуковых преобразователей: 2а вводящего УЗ колебания в исследуемый объект 3 и 2б принимающего прошедшие колебания, приемно-усилительного тракта 4, к выходу которого подключен первый вход анализатора гармоник 5, второй вход которого соединен с дополнительным выходом генератора 1, в свою очередь выходы анализатора соединены со входами вычислительного блока 6, соединенного с индикатором 7. Работа устройства координируется коммутатором 8.

Реализуется способ измерения механических напряжений при затяжке болтовых соединений следующим образом. Предварительно, по известным характеристикам материала болта, используя формулы 1, 2, и 3, вычисляют диапазон изменения частоты генератора при настройке и амплитуды возбуждающих колебаний. После этого приступают к измерениям. На головку и торцевую поверхность болта 3, предварительно подготовленные к измерениям путем зачистки и смачивания поверхностей контактной жидкостью, устанавливаются ультразвуковые преобразователи 2а и 2б. В исследуемый болт 3 вводятся непрерывные УЗ колебания, возбуждаемые генератором 1. Коммутатором 8 включают режим настройки, устанавливают амплитуду возбуждающих колебаний равной U_возб-м и, перестраивая частоту генератора - 1 в пределах F_max - F_min по максимуму принимаемого сигнала, констатируют появление стоячей волны и фиксируют частоту. Далее, коммутатором переводят прибор в режим измерений, при этом в вычислительном блоке измеряется и запоминается величина, пропорциональная амплитуде основной гармоники стоячей волны -A₀. Затем увеличивают амплитуду возбуждающих колебаний до величины U_возб-г, при этом вычислительный блок 6 измеряет амплитуды гармоник - A₁, A₂, A₃ вычисляет их отношения к измеренной ранее амплитуде основной гармоники и, сравнивая величины отношений с табличными данными, полученными при тарировке прибора по конкретному материалу, определяет величину механического напряжения.

Следует отметить, что процедура тарировки по конкретному материалу выполняется по вышеописанной методике измерений с той разницей, что коммутатор переводят в режим тарировки, а нагрузку меняют ступенями с необходимым шагом, определяемым требуемой точностью измерений, что лучше всего достигается при использовании разрывной машины. При работе прибора в режиме тарировки вычисленные значения отношений амплитуд гармоник заносятся в электронную таблицу вычислительного блока и запоминаются. Полученная таким образом таблица, является общей для всех типоразмеров болтов, изготовленных из этого материала. При этом в памяти вычислительного блока могут быть заложены тарировочные таблицы для различных марок материалов, наиболее часто применяемых для изготовления болтов, а также алгоритмы вычисления рекомендуемых частот и амплитуд вводимых колебаний.

В качестве примера ниже приведена тарировочная табл. 1 для болтов различных типоразмеров, изготовленных из Ст.45.

Дополнительно необходимо отметить, что разработанный способ позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние болтов, марка материала которых неизвестна. В этих случаях по соотношению гармоник, пользуясь нижеприведенной табл., можно оценить близость материала болта к его критическим параметрам (пределы: упругости, текучести и временной прочности), и точность оценки остается достаточно высокой, но абсолютную величину напряжения достоверно определить невозможно.

Использование разработанного способа позволит за счет обеспечения возможности проведения измерений в области упруго-пластических и пластических нагружений с достаточной точностью и достоверностью их результатов, повысить надежность прогноза сроков безопасной эксплуатации ответственных конструкций в объектах повышенной опасности для человека и окружающей среды. Это и определяет экономический эффект от внедрения разработанного способа.

Источники информации
1. Бобренко В. М. и др. Контроль усилий затяжки резьбовых соединений. "Дефектоскопия", N 5, 1985.

2. Шарко А.В. "Современное состояние и перспективы развития акустических методов контроля прочностных свойств конструкционных материалов", Дефектоскопия, N 5, 1983.

3. Бобренко В. М. и др. Акустическая тензометрия. Дефектоскопия, N 2, 1980.

4. Гузь А. Н. и др. Введение в акустоупругость. Киев, "Наукова думка", 1977.

5. Авторское свидетельство СССР, кл. G 01 N 29/00, N 493728, 1975 г, БИ N 44.

6. Зарембо Л.К., Красильников В.А. "Введение в нелинейную акустику", Москва, Наука, 1966.

7. Патент США, кл. 73-579, N 4402222, 1983.

8. Патент США, кл. 73-600, N 4265120, 1981 (прототип).

9. Патент РФ, кл. G 01 N 29/00, N 2020471, 1994.

10. Викторов И. А."Об эффектах второго приближения при распространении волн в твердых телах". Акустический журнал, N 9, 1963 г.

11. Зарембо Л.К., Шкловская-Корди В.В. "О генерации гармоник при распространении УЗ продольных волн". Физика твердого тела, N 12, 3637, 1979.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой способ оценки напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых болтов, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят непрерывные УЗ-колебания малой интенсивности на частоте основного резонанса стоячей волны, принимают прошедшие через объект сигналы, измеряют в принятом сигнале амплитуду стоячей волны малой интенсивности, увеличивают амплитуду возбуждающих колебаний до уровня, обеспечивающего установление величины амплитуды стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности, измеряют амплитуды первой - основной, второй и третьей гармоник в принятом сигнале и по отношениям амплитуд измеренных гармоник к амплитуде колебаний стоячей волны малой интенсивности судят о напряженно-деформированном состоянии болта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту основного резонанса возбуждаемой стоячей волны УЗ колебаний устанавливают по максимуму амплитуды принимаемых колебаний, изменяя частоту возбуждающих колебаний в интервале

где F_max ^oC F_min - диапазон изменений частоты возбуждающих колебаний, кГц;
E₀ - модуль упругости материала болта, кгм/м² · с²;
ρ - плотность материала болта, кг/м³;
d - диаметр болта, мм;
L - длина болта, мм.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что амплитуду возбуждающих колебаний устанавливают для создания стоячей волны малой интенсивности

а для создания стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности

где U_возб - амплитуда возбуждающих колебаний, В;
σ_упр - предел упругости материала болта, кгм/м² · с²;
- модуль сопротивления излучения акустического преобразователя, Ом;
η - коэффициент преобразования пьезоэлемента акустического преобразователя, раз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3