Устройство для виброакустического контроля конструкций

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для обнаружения дефектов элементов конструкции балочного типа с помощью упругих колебаний. Повышение производительности процесса контроля и уменьшение его трудоемкости достигается за счет того, что устройство для виброакустического контроля конструкций балочного типа содержит генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкции, установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, подключенный через предварительный усилитель к блоку преобразования, блоку сравнения и индикатору, а также фиксатор локальных зон конструкции, включающий постоянный магнит, размещенный на внешней поверхности конструкции, и ферромагнитную шайбу, размещенную в зоне магнита на внутренней поверхности конструкции. В фиксатор локальных зон введен немагнитный корпус с выполненной в нем глухой цилиндрической полостью, ось которой наклонена под острым углом к продольной оси конструкции. Постоянный магнит выполнен в форме цилиндра, размещенного в полости с возможностью перемещения вдоль ее оси, и подпружинен к дну полости. На корпусе установлены штыри, свободно введенные в выполненные в ферромагнитной шайбе отверстия с возможностью смещения корпуса и шайбы в направлении их взаимного сближения или удаления перпендикулярно продольной оси конструкции. 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для обнаружения дефектов элементов конструкций балочного типа с помощью упругих колебаний.

Известно устройство для виброакустического контроля конструкций, содержащее генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкций с изменяющейся частотой, а также установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, соединенный с усилителем и частотомером для регистрации значений частот резонансных колебаний /см. а.с. СССР N 690378, кл. G 01 N 29/04, 1977 г./.

Недостатком данного устройства является значительная трудоемкость реализуемого на нем способа контроля, низкая производительность, отсутствие автоматизации процесса контроля.

Известно также устройство для виброакустического контроля конструкций балочного типа, содержащее поворотный узел для консольного крепления конструкции, генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкции с заданной частотой, а также установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, подключенный через предварительный усилитель к блоку преобразования сигнала, блоку сравнения и индикатору /см. а.с. СССР N 1397825, кл. G 01 N 29/04, 1988 г./.

Недостатком данного устройства являются значительная трудоемкость реализуемого на нем способа контроля и низкая производительность, что обусловлено необходимостью при практически полном отсутствии автоматизации многократного перезакрепления балки с выставкой разной длины ее консольной части, а также многократного поворота балки вокруг ее продольной оси при каждом закреплении и, наконец, измерения в каждом из положений балки отношения амплитуд колебаний с фиксацией максимума данного отношения.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для акустического контроля изделий, содержащее ударное устройство для возбуждения импульсов свободных упругих колебаний в изделии, приемник упругих колебаний, установленный на поверхности изделия и подключенный к измерителю частоты, а также фиксатор локальных зон изделия, выполненный в виде постоянного магнита, размещенного на внешней поверхности изделия, и ферромагнитной шайбы, размещенной в зоне магнита на внутренней поверхности изделия /см. а.с. СССР N 2117940, кл. G 01 N 29/04, 1998 г./, принятое за прототип.

Недостатком устройства - прототипа являются низкая производительность процесса контроля, что объясняется необходимостью при практически полном отсутствии автоматизации многократно при каждом измерении перемещать приемник упругих колебаний и фиксатор локальных зон поверхности изделия.

Сущность изобретения заключается в создании устройства, позволяющего полностью автоматизировать процесс контроля за счет обеспечения возможности в процессе контроля самостоятельного однонаправленного перемещения фиксатора локальных зон вдоль конструкции под действием вибрационных сил, возникающих в результате тех же изгибных колебаний, которые сообщаются конструкции при контроле.

Технический результат - повышение производительности процесса контроля и уменьшение его трудоемкости за счет полной автоматизации данного процесса.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для виброакустического контроля конструкций балочного типа, содержащем генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкции, установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, подключенный через предварительный усилитель к блоку преобразования, блоку сравнения и индикатору, а также фиксатор локальных зон конструкции, включающий постоянный магнит, размещенный на внешней поверхности конструкции, и ферромагнитную шайбу, размещенную в зоне на внутренней поверхности конструкции, особенность заключается в том, что в фиксатор локальных зон введен немагнитный корпус с выполненной в нем глухой цилиндрической полостью, ось которой наклонена под острым углом к продольной оси конструкции, а постоянный магнит выполнен в форме цилиндра, размещенного в полости с возможностью перемещения вдоль ее оси, и подпружинен к дну полости, при этом на корпусе установлены штыри, свободно введенные в выполненные в ферромагнитной шайбе отверстия с возможностью смещения корпуса и шайбы в направлении их взаимного сближения или удаления перпендикулярно продольной оси конструкции.

Сущность изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство с центральным разрезом фиксатора локальных зон; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор синусоидальных колебаний 1, усилитель мощности 2 и вибратор 3 для возбуждения изгибных колебаний конструкции балочного типа /балки/ 4, консольно закрепленной в жесткой опоре 5 /в частности, рассмотрена балка 4 с прямоугольным поперечным сечением/. На поверхности балки 4 со стороны ее свободного конца установлен датчик амплитуды колебаний 6, подключенный через последовательно соединенные предварительный усилитель 7, блок преобразования 8 и блок сравнения 9, к индикатору 10, а также фиксатор локальных зон балки 4, имеющий возможность перемещения относительно балки 4 при вибрациях и состоящий из двух частей, размещенных соответственно на внешней поверхности балки 4 /в данном случае верхней/ и внутренней поверхности /в данном случае нижней/. Верхняя часть включает в себя немагнитный корпус 11 с выполненной в нем глухой цилиндрической полостью 12, ось которой наклонена под острым углом к продольной оси балки 4, а также постоянный магнит 13, выполненный в форме цилиндра, размещенный в полости 12 с возможностью перемещения вдоль ее оси и прикрепленный к дну полости 12 с помощью цилиндрической пружины 14. Нижняя часть фиксатора локальных зон представляет собой плоскую ферромагнитную шайбу 15, размещенную в зоне корпуса 11 и прижатую к нижней поверхности балки 4 за счет сил магнитного взаимодействия с магнитом 13. При этом на корпусе 11 установлены штыри 16, свободно введенные в выполненные в шайбе 15 отверстия 17 с возможностью смещения корпуса 11 и шайбы 15 в направлении их взаимного сближения или удаления перпендикулярно продольной оси балки 4. Подвижное соединение штыри 16 - отверстия 17 препятствуют относительному смещению корпуса 11 и шайбы 15 в поперечной плоскости, играя при этом для смещений в вертикальной плоскости под действием сил магнитного взаимодействия роль направляющих. При этом /не показано/ наличие в корпусе 11 различного набора посадочных мест для крепления штырей 16, а в шайбе 15 соответственно набора отверстий 17, позволяет использовать один и тот же фиксатор локальных зон для различных типоразмеров балок 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии фиксатор локальных зон устанавливают в левой части балки 4 вблизи жесткой опоры 5. С помощью генератора 1, усилителя 2 и вибратора 3 возбуждают изгибные колебания балки 4 с постоянной амплитудой и частотой возмущающего сигнала. Пусть, например, в первый полупериод действия вибрации балка 4 вместе с фиксатором локальных зон движется вниз /все перемещения в этот полупериод показаны на фиг. 1 сплошной стрелой, в полупериод второй - пунктирной стрелкой/, при этом за счет действия сил инерции магнит 13 смещается в полости 12 вверх, заставляя, тем самым, смещаться весь фиксатор /корпус 11 с шайбой 15/ относительно балки 4 вправо. Однако магнит 13 в этот полупериод значительно удален от ферромагнитной шайбы 15 и силы их магнитного притяжения слабы. Учитывая, что эти силы являются одновременно силами прижатия корпуса 11 и шайбы 15 к балке 4, препятствующими перемещению фиксатора относительно балки 4, в этот полупериод вибрации происходит интенсивное смещение фиксатора относительно балки 4 вправо. Во второй полупериод действия вибраций балка 4 движется вверх, магнит 13 в полости 12 - вниз, фиксатор относительно балки 4 - влево. Однако теперь сила взаимодействия магнита 13 с шайбой 15, а следовательно, и сила прижатия фиксатора к балке 4 значительна, и смещение фиксатора относительно балки 4 влево мало. В результате за полный период действия вибрации фиксатор получает постоянную составляющую силу, направленную вправо, и при непрерывной вибрации балки 4 фиксатор плавно и непрерывно движется слева в направлении к свободному концу балки 4. Одновременно в каждый момент времени датчиком 6 измеряется амплитуда колебаний свободного конца балки 4 /текущее значение амплитуды/, данное текущее значение через усилитель 7 поступает на блок преобразования 8, где запоминается каждое предшествующее значение амплитуды, и далее оба вышеуказанных значения амплитуды поступают на блок сравнения 9. В случае скачкообразного изменения значений амплитуды колебаний, то есть отличия отношения текущего и предыдущего значений амплитуд от единицы на заранее заданную величину срабатывает индикатор 10, и по положению фиксатора локальных зон на балке 4 в данный момент времени определяется поперечное сечение балки 4 с наличием дефекта.

Поясним природу появления скачка сигнала при попадании фиксатора в локальную зону с дефектом. Очевидно, что при заданных и постоянных величинах амплитуды и частоты сигнала возбуждения амплитуда колебаний конца балки определяется ее изгибной жесткостью. В свою очередь, можно грубо считать, что результирующая изгибная жесткость всей балки определяется жесткостью всей части балки без дефектов и жесткостью локальной зоны с дефектом. Естественно, что при нахождении фиксатора в бездефектной части балки на жесткость балки он практически не влияет, то есть амплитуда колебаний свободного конца балки при смещении фиксатора в бездефектной зоне остается постоянной. В случае же попадания фиксатора в локальную зону с дефектом /например, трещиной/, фиксатор выключает из работы данную зону балки, результирующая изгибная жесткость балки сразу скачком увеличивается, и в итоге скачком изменяется амплитуда колебаний свободного конца балки.

Предлагаемое устройство позволяет полностью автоматизировать процесс контроля и, тем самым, предельно уменьшить его трудоемкость и повысить производительность. При реализации контроля на данном устройстве исключается необходимость перед каждым измерением, многократно повторяемым, смещать вручную фиксатор локальных зон либо присоединенную массу в новую точку контролируемой конструкции. Здесь данное действие достигается за счет самостоятельного автоматического перемещения фиксатора вдоль балки от ее начала у жесткой опоры до свободного конца.

Формула изобретения

Устройство для виброакустического контроля конструкций балочного типа, содержащее генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкции, установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, подключенный через предварительный усилитель к блоку преобразования, блоку сравнения и индикатору, а также фиксатор локальных зон конструкции, включающий постоянный магнит, размещенный на внешней поверхности конструкции, и ферромагнитную шайбу, размещенную в зоне магнита на внутренней поверхности конструкции, отличающееся тем, что в фиксатор локальных зон введен немагнитный корпус с выполненной в нем глухой цилиндрической полостью, ось которой наклонена под острым углом к продольной оси конструкции, а постоянный магнит выполнен в форме цилиндра, размещенного в полости с возможностью перемещения вдоль ее оси, и подпружинен к дну полости, при этом на корпусе установлены штыри, свободно введенные в выполненные в ферромагнитной шайбе отверстия с возможностью смещения корпуса и шайбы в направлении их взаимного сближения или удаления перпендикулярно продольной оси конструкции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2