Способ формирования электромагнитного излучения деформируемого твердого тела, в частности, из конструкционного материала

Техническое решение относится к горному делу. Сущность: твердое тело устанавливают на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ. Деформируют твердое тело путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, в котором силовой элемент подвижен. Формируют сигнал ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой. Преобразовывают сигнал ЭМИ с помощью емкостного датчика ЭМИ и регистрируют. Деформирование твердого тела осуществляют путем его надрезания, отрывая от него путем сдвига надрезанные частицы и создавая в деформируемом твердом теле трещины и микротрещины. В качестве силового элемента нагрузочного устройства используют режущее средство с продольным расположением зубьев, например ножовочное полотно, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение. Сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, созданного тепловыми электронами, вылетевшими с поверхностей трещин и микротрещин, образованных в деформируемом твердом теле при отрыве надрезанных частиц, и сигнала ЭМИ, созданного при колебании частиц и участков с положительными зарядами, оставшимися на поверхностях трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов и на поверхностях оторванных частиц. Технический результат: упрощение и удешевление способа. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при дефектоскопии конструкционных материалов, используемых в горном машиностроении и в технологических процессах горного производства, например, при дефектоскопии металлических крепей подземных горных выработок.

Известен способ получения электромагнитного излучения (ЭМИ) при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra [I. 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 и 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, которую подключают ко второму входу регистратора и заземляют. При этом вследствие образования трещин и микротрещин в материале деформируемого металлического стержня возникает поток электронов с сформировавшихся поверхностей (берегов трещин), сопровождаемый ЭМИ.

Недостаток этого способа состоит в необходимости использования сложных прессов со значительным разрывным усилием при получении ЭМИ деформируемых металлических стержней, что усложняет и удорожает процесс получения ЭМИ.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца по патенту РФ №2190203, кл. G01N 3/08, E21C 39/00, G01N 27/00, опубл. в БИ №27, 2002 г., включающий установку его на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ, деформирование его растягивающей нагрузкой путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, включающего раму и противоположно установленные на ней неподвижную и подвижную тяги, в которых размещено деформируемое твердое тело, при этом подвижной тяге сообщают поступательное движение, преобразование с помощью указанного емкостного датчика, возникающего в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела сигнала ЭМИ и регистрацию его системой регистрации. Внешнее усилие от нагрузочного устройства к деформируемому кольцу передают с помощью полуцилиндрических выступов, которыми снабжены подвижная и неподвижная тяги и на которые надето деформируемое кольцо. Поступательное движение подвижной тяге сообщают с помощью подвижного винта со штурвалом, установленного на раме нагрузочного устройства, и регистрируют усилие, возникающее в неподвижной тяге в момент разрыва упомянутого кольца с помощью установленного на ней тензометрического датчика. Сигналы емкостного и тензометрического датчиков регистрируют синхронно по первому и второму каналам системы регистрации соответственно и по результатам регистрации дополнительно судят о временном интервале между возникновением сигнала ЭМИ и моментом разрушения деформируемого твердого тела.

Недостаток этого способа - использование пресса, обеспечивающего разрывное усилие, что усложняет и удорожает этот способ. Другой недостаток - необходимость изготовлять образцы в форме колец, что также усложняет способ.

Техническая задача предлагаемого решения состоит в упрощении и удешевлении способа получения ЭМИ деформируемых твердых тел, в частности, из конструкционных материалов, используемых в конструкциях, за счет уменьшения расходов на разрушение деформируемого твердого тела и использования простых средств разрушения.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, в частности, из конструкционного материала, включающем установку его на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ, деформирование его путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, в котором силовой элемент подвижен, формирование сигнала ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой, преобразование сигнала ЭМИ с помощью емкостного датчика ЭМИ и его регистрацию, согласно техническому решению деформирование твердого тела осуществляют путем его надрезания, отрывая от него путем сдвига надрезанные частицы и создавая в деформируемом твердом теле трещины и микротрещины. Для этого в качестве силового элемента нагрузочного устройства используют режущее средство с продольным расположением зубьев, например ножовочное полотно, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение. При этом сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, созданного тепловыми электронами, вылетевшими с поверхностей трещин и микротрещин, образованных в деформируемом твердом теле при отрыве надрезанных частиц, и сигнала ЭМИ, созданного при колебании частиц и участков с положительными зарядами, оставшимися на поверхностях трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов и на поверхностях оторванных частиц.

При такой совокупности признаков включаются в работу поверхности как образованных надрезанием трещин и микротрещин, так и образованные поверхности оторванных частиц. В момент отрыва надрезанных частиц в соответствии с законом сохранения импульса возникают колебания свободных поверхностей (вследствие эффекта отдачи). Вылетевшие тепловые электроны и положительные заряды этих колеблющихся поверхностей будут образовывать сигналы ЭМИ. Сигнал ЭМИ в виде суммы указанных сигналов ЭМИ достигает обкладок емкостного датчика ЭМИ, на которых возникают противоположные заряды. Между обкладками емкостного датчика ЭМИ возникает разность потенциалов, и в замкнутой цепи возникает ток, который усиливается дифференциальным усилителем и поступает на вход регистрирующего устройства.

Использование в качестве силового элемента нагрузочного устройства режущего средства с продольным расположением зубьев - ножовочного полотна, совершающего поступательное или возвратно-поступательное движение - позволяет надрезать и отрывать путем сдвига частицы деформируемого твердого тела, то есть образовывать простейшим путем новые поверхности, через которые вылетают тепловые электроны и образуются положительные заряды. Это упрощает реализацию способа. Кроме того, использование ножовочного полотна исключает необходимость применения прессов для разрушения деформируемого твердого тела, что уменьшает расходы на его разрушение.

Рассмотренный механизм формирования ЭМИ из суммы различных ЭМИ соответствует реальному составу ЭМИ, наблюдаемому в экспериментах.

Целесообразно указанное деформирование твердого тела осуществлять, используя режущее средство в виде ножовочного полотна с однорядным прямолинейным расположением зубьев. Ножовочное полотно с таким расположением зубьев является простейшим режущим средством.

Целесообразно указанное деформирование твердого тела осуществлять путем образования двух параллельных бороздок, для чего используют режущее средство в виде ножовочного полотна с двухрядным прямолинейным расположением зубьев. Крайние зубья в процессе поступательного движения такого ножовочного полотна образуют на поверхности деформируемого твердого тела две параллельные бороздки, глубина которых сотые или десятые доли миллиметра. Эти бороздки, во-первых, создают новые поверхности для вылета тепловых электронов, что способствует решению технической задачи, и во-вторых, ослабляют на узкой площади между бороздками деформируемое твердое тело. При поступательном или возвратно-поступательном движении ножовочного полотна его зубья сдвигают ослабленную поверхность между двумя бороздками, отрывая при этом частицы деформируемого твердого тела. За счет этого снижается энергоемкость процесса сдвига и отрыва частиц и увеличивается образование новых частиц, что увеличивает новые поверхности и, соответственно, увеличивает интенсивность возникающего ЭМИ. Все это способствует решению поставленной технической задачи.

Целесообразно также указанное деформирование твердого тела осуществлять, используя режущее средство в виде ножовочного полотна с волнистым расположением зубьев. Большинство ножовочных полотен выпускается с волнообразным расположением зубьев. Это позволяет увеличить ширину прорезаемой щели и уменьшить энергоемкость отрыва частиц в процессе их сдвига. Увеличение размеров отрываемых частиц позволяет увеличить площадь формируемых новых поверхностей и, соответственно, увеличить интенсивность формируемого ЭМИ, что способствует выполнению поставленной технической задачи.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного выполнения и чертежом, на котором приведена принципиальная схема стенда для реализации способа.

На стенде испытывают образец деформируемого твердого тела 1 (см. чертеж), в качестве которого может использоваться деталь из конструкционного материала, взятая из исследуемой конструкции. Стенд содержит обкладки 2 и 3, образующие емкостной датчик 4. На схеме: 5 - это силовой элемент нагрузочного устройства в виде ножовочного полотна (далее - ножовочное полотно 5), совершающего поступательное или возвратно-поступательное движение (в частном случае - это ножовка, приводимая в движение вручную); 6 - частицы деформируемого твердого тела 1, образующиеся при движении ножовочного полотна 5; 7 и 8 - образованные поверхности (берега трещины), а также поверхности надрезов; 9 - распространяющаяся электромагнитная волна (ЭМИ). Обкладки 2 и 3 с помощью экранированного провода 10 подключены к регистрирующему устройству 11. Образец деформируемого твердого тела 1 закреплен на стенде с помощью опор 12 и 13.

Способ формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, в частности из конструкционного материала, реализуют следующим образом. Ножовочное полотно 5, например, с двухрядным прямолинейным продольным расположением зубьев при поступательном движении образует на поверхности деформируемого твердого тела 1 надрезы - это две параллельные полосы небольших углублений (сотые, десятые доли миллиметра), которые ослабляют сопротивляемость материала образца деформируемого твердого тела 1. Затем при поступательном или возвратно-поступательном движении ножовочного полотна 5 его зубья отрывают частицы 6 материала образца деформируемого твердого тела 1, расположенного между параллельными надрезами. Образованные поверхности 7 и 8 (берега трещин) становятся источниками тепловых электронов. Вылетая в свободное пространство трещины, они излучают электромагнитные волны 9 (ЭМИ). Вследствие вылета с поверхности тепловые электроны уносят с собой часть отрицательного заряда. В результате участки свободных поверхностей 7, 8 приобретают положительный заряд. Если эти участки с положительными зарядами будут перемещаться в пространстве, то они будут излучать электромагнитные волны 9 (ЭМИ). Поскольку положительные заряды как-то связаны с образованными поверхностями деформируемого твердого тела 1, параметры их излучения будут отличаться от параметров излучения тепловых электронов. Оба электромагнитных поля будут одновременно достигать обкладок емкостного датчика 4 ЭМИ, создавая на них некоторый общий потенциал и, соответственно, общий суммарный сигнал ЭМИ.

В предложенном способе задействованы простейший емкостный датчик 4 с дифференциальным усилителем (не показан), которые могут быть изготовлены в любой лаборатории из подручного материала и простейших микросхем. В качестве регистрирующего устройства 11 может использоваться либо запоминающий осциллограф, имеющийся в лабораториях, либо компьютер с аналого-цифровым преобразователем для входных аналоговых сигналов, приобретение которых в современных лабораториях не представляет особого труда. В качестве силового элемента нагрузочного устройства может использоваться простейшее ножовочное полотно 5 или пилка.

В качестве образца деформируемого твердого тела 1 может использоваться деталь любого устройства, которое необходимо проверить на остаточную прочность или на долговечность его узлов и деталей, либо по каким-то другим прочностным параметрам.

Если возникает задача исследовать какое-либо изделие на его прочность, долговечность, то достаточно получить ЭМИ этого изделия, исследовать его спектральный состав и сравнить его со спектральным составом такого же изделия, но взятого из новой конструкции. В таком случае при наличии указанного оборудования предложенный способ практически не требует дополнительных затрат.

Таким образом, предложенный способ формирования ЭМИ по совокупности изложенных признаков и используемых материальных средств позволяет решить поставленную техническую задачу - упрощение и удешевление получения ЭМИ деформируемых твердых тел, в частности, из конструкционных материалов.

1. Способ формирования электромагнитного излучения (ЭМИ) деформируемого твердого тела, в частности, из конструкционного материала, включающий установку его на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ, деформирование его путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, в котором силовой элемент подвижен, формирование сигнала ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой, преобразование сигнала ЭМИ с помощью емкостного датчика ЭМИ и его регистрацию, отличающийся тем, что деформирование твердого тела осуществляют путем его надрезания, отрывая от него путем сдвига надрезанные частицы и создавая в деформируемом твердом теле трещины и микротрещины, для чего в качестве силового элемента нагрузочного устройства используют режущее средство с продольным расположением зубьев, например ножовочное полотно, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение, при этом сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, созданного тепловыми электронами, вылетевшими с поверхностей трещин и микротрещин, образованных в деформируемом твердом теле при отрыве надрезанных частиц, и сигнала ЭМИ, созданного при колебании частиц и участков с положительными зарядами, оставшимися на поверхностях трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов и на поверхностях оторванных частиц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное деформирование твердого тела осуществляют, используя режущее средство в виде ножовочного полотна с однорядным прямолинейным расположением зубьев.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное деформирование твердого тела осуществляют путем образования двух параллельных бороздок, для чего используют режущее средство в виде ножовочного полотна с двухрядным прямолинейным расположением зубьев.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное деформирование твердого тела осуществляют, используя режущее средство в виде ножовочного полотна с волнистым расположением зубьев.