Способ формирования электромагнитного излучения деформируемого твердого тела, например, из конструкционного материала


 


Владельцы патента RU 2472131:

Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН (RU)

Изобретение относится к дефектоскопии изделий из конструкционных материалов, находящихся в длительной эксплуатации. Сущность: закрепляют твердое тело на стенде, имеющем пресс, между обкладками емкостного датчика ЭМИ. Деформируют поверхностный слой твердого тела путем приложения нагрузки с помощью силового элемента, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение, с возможностью формирования сигналов ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой, создаваемой упомянутым силовым элементом. Преобразуют сигналы ЭМИ с помощью указанного емкостного датчика ЭМИ и регистрируют их. Сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, создаваемого тепловыми электронами, вылетающими как с вновь образованных в деформируемом твердом теле поверхностей указанных надрезов, трещин и микротрещин, так и с поверхностей надрезанных частиц, образованных при их отрыве, а также сигнала ЭМИ, создаваемого за счет колебаний участков деформируемого поверхностного слоя указанного твердого тела с положительными зарядами, формирующимися на поверхностях как надрезов, трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов, так и на поверхностях оторванных частиц, колебания которых обусловлены импульсами отдачи в моменты их отрыва и вылета тепловых электронов. В качестве силового элемента используют напильник, изготовленный из материала более прочного, чем материал деформируемого твердого тела. Технический результат: возможность формирования широкого пучка ЭМИ одновременно с большого участка поверхности тела, а также исключение глубоких узких надрезов на его поверхности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области дефектоскопии изделий и объектов из конструкционных материалов, используемых, в частности, в машиностроении при исследовании процессов старения объектов техники, нарушения прочностных и других параметров отдельных элементов машин, строительных конструкций и т.п., находящихся в длительной эксплуатации или подвергшихся воздействию механических, физических, химических, лучевых факторов, включая обработку методами нанотехнологий, влияющих на прочностные и другие эксплуатационные параметры, в том числе поверхностных слоев изделий из конструкционных материалов в условиях их эксплуатации.

Известен способ получения электромагнитного излучения (ЭМИ) при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы на разрывных прессах (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 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 разрыва стержня и образования трещин и микротрещин в материале деформируемого металлического стержня возникает поток электронов со сформировавшихся поверхностей (берегов трещин и микротрещин), сопровождаемый ЭМИ.

Недостаток этого способа состоит в том, что материал, используемый при этом для получения ЭМИ (деформируемый металлический стержень), разрушается и не может впоследствии повторно использоваться, что усложняет и удорожает получение ЭМИ при повторных контрольных исследованиях.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, в частности, из конструкционного материала по патенту РФ №2367924, кл. G01N 3/08, опубл. в БИ №26, 2009 г., 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. 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. Сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, созданного тепловыми электронами, вылетевшими со свежеобразованных поверхностей надрезов, 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 надрезов, трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов и на поверхностях оторванных частиц.

Недостаток этого способа состоит в надрезании исследуемого тела узкой щелью, что неприемлемо при исследовании деталей, взятых из действующих машин или установок. При лабораторных исследованиях такие надрезы также могут делать образцы непригодными для дальнейших исследований, например это нежелательно для образцов из дорогих материалов, в частности для образцов с покрытиями из наноматериалов.

Другим недостатком этого способа является малая ширина получаемого пучка ЭМИ вследствие ограниченной толщины ножовочного полотна, не превышающей 0,4-0,6 мм, что на практике не позволяет использовать этот метод при исследовании значительных по размерам деталей и их элементов. Таким образом, неэффективность способа является его существенным недостатком.

Техническая задача предлагаемого решения состоит в повышении эффективности способа за счет формирования широкого пучка ЭМИ одновременно с относительно большого участка исследуемой поверхности как лабораторных образцов, так и деталей, взятых из действующих конструкций, при значительных их размерах, а также исключение глубоких узких надрезов, делающих изделия непригодными для дальнейшей эксплуатации, путем выбора типа силового элемента.

Поставленная техническая задача решается следующим образом.

Предлагается способ формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, например, из конструкционного материала, включающий закрепление его на стенде, имеющем пресс, между обкладками емкостного датчика ЭМИ и деформирование его поверхностного слоя путем приложения нагрузки с помощью силового элемента, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение, формирование сигналов ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой, создаваемой упомянутым силовым элементом, преобразование сигналов ЭМИ с помощью указанного емкостного датчика ЭМИ и их регистрацию. Деформирование твердого тела осуществляют путем его надрезания, отрывая от него надрезанные частицы путем сдвига и создавая в деформируемом твердом теле трещины и микротрещины. При этом сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, создаваемого тепловыми электронами, вылетающими как с вновь образованных в деформируемом твердом теле поверхностей указанных надрезов, трещин и микротрещин, так и с поверхностей надрезанных частиц, образованных при их отрыве, а также сигнала ЭМИ, создаваемого за счет колебаний участков деформируемого поверхностного слоя указанного твердого тела с положительными зарядами, формирующимися на поверхностях как надрезов, трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов, так и на поверхностях оторванных частиц, колебания которых обусловлены импульсами отдачи в моменты их отрыва и вылета тепловых электронов.

Согласно техническому решению в качестве силового элемента используют напильник, изготовленный из материала более прочного, чем материал деформируемого твердого тела.

Режущие кромки насечек напильника обеспечивают формирование на поверхностном слое деформируемого твердого тела надрезов, являющихся зародышами микротрещин и трещин. При использовании напильника включают в работу поверхности как образованных на большой площади надрезов, так и образованные поверхности оторванных частиц. Кроме того, в момент отрыва надрезанных частиц в соответствии с законом сохранения импульса возникают колебания поверхностей на участках отрыва надрезанных частиц (вследствие эффекта отдачи и вылета тепловых электронов). Вылет тепловых электронов и формирование положительных зарядов на колеблющихся поверхностях сопровождаются формированием сигналов ЭМИ, распространяющихся в пространстве вокруг деформируемого твердого тела. Суммарный сигнал ЭМИ подают на обкладки емкостного датчика ЭМИ, на которых в свою очередь формируют противоположные заряды. Между обкладками емкостного датчика ЭМИ возникает разность потенциалов и в замкнутой цепи возникает ток, который усиливают дифференциальным усилителем приемной системы и подают на вход регистрирующего устройства.

Использование в качестве силового элемента напильника из материала более прочного, чем материал деформируемого твердого тела, при его поступательном и возвратно-поступательном движении позволяет одновременно осуществлять серию поверхностных надрезов и отрывать путем сдвига частицы поверхностного слоя деформируемого твердого тела, то есть образовывать простейшим путем новые поверхности значительной площади, через которые вылетают тепловые электроны и в пределах которых образуются положительные заряды. При этом изготовление напильника из более прочного материала, чем материал деформируемого твердого тела, обеспечивает повышенную стойкость его насечек, необходимую для формирования надрезов на прочных участках поверхности деформируемого твердого тела.

Использование напильника позволяет формировать широкий пучок ЭМИ одновременно с относительно большего участка исследуемой поверхности, чем в прототипе, как лабораторных образцов, так и деталей, взятых из действующих конструкций при значительных их размерах, и за счет этого решить поставленную техническую задачу.

Целесообразно узор насечек на рабочей поверхности напильника подбирать экспериментально в зависимости от требуемой интенсивности и структуры сигнала ЭМИ, что позволяет среди различных видов напильников подобрать наиболее соответствующий материалу образца деформируемого твердого тела и за счет этого обеспечить интенсивность формируемого сигнала ЭМИ и получить более информативную его структуру для конкретного деформируемого твердого тела, что способствует выполнению технической задачи.

Целесообразно также напильник снабдить диэлектрической рукояткой, что позволяет исключить как воздействие на приборную систему случайных помех, связанных с оператором, так и воздействие на оператора случайных повышенных электрических потенциалов в рассматриваемой системе. Это повышает помехоустойчивость используемой приборной системы и безопасность оператора, что способствует повышению эффективности предлагаемого способа.

Целесообразно деформируемое твердое тело, взятое для исследования из реальной конструкции, где оно находилось в процессе эксплуатации под нагрузкой, нагружать на стенде с помощью упомянутого пресса, прикладывая к указанному твердому телу ту же нагрузку, что и в реальной конструкции. Использование напильника в качестве силового элемента исключает образование глубоких узких надрезов, как в прототипе, что не разрушает изделие, взятое из действующего (работающего) устройства, что позволяет их эксплуатировать и далее. Это способствует выполнению поставленной технической задачи, расширяя область применения способа на широкий круг технических систем при определении степени старения и остаточной прочности отдельных элементов реальных конструкций.

Сущность предлагаемого способа формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, например, из конструкционного материала поясняется примером реализации способа и чертежом, на котором приведен общий вид стенда для реализации предлагаемого способа.

Образец 1 деформируемого твердого тела (далее - образец 1), например деталь из конструкционного материала, взятую из эксплуатируемой конструкции, устанавливают на стенде 2 (см. чертеж). Стенд содержит гнезда 3, 4 для крепления образца 1, верхнюю подвижную плиту 5, нижнюю подвижную плиту 6, вертикальные штанги 7, 8, основание 9, пресс 10, например винтовой (перечисленные элементы стенда обеспечивают устойчивое расположение образца 1 перед его исследованием), напильник 11, используемый в качестве силового элемента, с диэлектрической рукояткой 12, емкостной датчик 13 ЭМИ, включающий обкладки 14 и 15. Стенд содержит также первичный дифференциальный усилитель 16, соединенный экранированным кабелем 17 с усилителем-повторителем 18, который экранированным кабелем 19 соединен с блоком 20, представляющим собой аналого-цифровой преобразователь, совмещенный с блоком сигнализации, включающим цифровую и звуковую сигнализацию. Далее экранированным кабелем 21 блок 20 соединен с регистрирующим устройством в виде компьютера 22, имеющего соответствующие программы анализа сигнала ЭМИ. Электрическая цепь замкнута на землю 23.

Способ формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, например из конструкционного материала, реализуют следующим образом.

Закрепляют образец 1 в гнездах 3 и 4 стенда 2. При этом его размещают между обкладками 14 и 15 емкостного датчика 13 ЭМИ. С помощью пресса 10 деформируют поверхностный слой образца 1 путем приложения нагрузки, соответствующей нагрузке в условиях его эксплуатации. Для этого с помощью силового элемента, в качестве которого используют снабженный диэлектрической рукояткой, например пластмассовой, напильник 11 из материала более прочного, чем материал образца 1, образуют на поверхности последнего надрезы. При этом напильнику 11 сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение. Поскольку напильник 11 имеет большое количество насечек с режущими кромками, то при прямом движении напильника 11 на исследуемой поверхности образца 1 одновременно образуют достаточно много надрезов. Затем при обратном движении напильника 11 его насечки с режущими кромками отрывают (срезают) частицы-стружки 24, расположенные между соседними надрезами. Образованные свежие поверхности (берега надрезов и трещин) и новые поверхности частиц-стружек 24 становятся источниками тепловых электронов. Последние, вылетая в свободное пространство, в частности в трещины, излучают ЭМИ, т.е. происходит формирование сигналов ЭМИ. Тепловые электроны, вылетая с указанных поверхностей, уносят с собой часть отрицательного заряда. В результате участки свободных поверхностей (трещин) и частиц-стружек 24 приобретают положительные заряды. Эти участки с положительными зарядами, перемещаясь в пространстве (на стенках надрезов и трещин они будут колебаться вследствие отрыва частиц-стружек 24 и закона сохранения импульса), а также падающие частицы-стружки 24, приобретшие положительные заряды вследствие вылета части тепловых электронов, колеблясь или перемещаясь в пространстве, будут излучать ЭМИ. Все перечисленные электромагнитные поля распространяются в пространстве и, достигнув обкладок 14 и 15 емкостного датчика 13 ЭМИ, будут создавать на них некоторый суммарный потенциал. С емкостного датчика 13 ЭМИ суммарный сигнал ЭМИ по цепочке 16-17-18-19-20-21 достигает компьютера 22, цепь замыкается через землю 23 - происходит преобразование сигналов ЭМИ и их регистрация.

Если возникает задача исследовать какое-либо изделие на прочность, долговечность, оценить ресурс надежности, то достаточно получить его сигнал ЭМИ, исследовать спектральный состав полученного сигнала ЭМИ и сравнить его со спектральным составом сигнала ЭМИ от такого же изделия, но взятого из новой конструкции.

Таким образом, предложенный способ формирования ЭМИ позволяет решить поставленную техническую задачу - повышение эффективности способа за счет получения широкого пучка ЭМИ одновременно с относительно большого участка исследуемой поверхности без формирования узких щелей-надрезов, являющихся концентраторами напряжений в любых технических изделиях, что достигается использованием в качестве силового элемента напильника, рабочая поверхность которого имеет расположенные по его поверхности насечки, при этом прочность материала напильника и его насечек должна быть больше прочности материала исследуемого изделия.

1. Способ формирования электромагнитного излучения (ЭМИ) деформируемого твердого тела, например, из конструкционного материала, включающий закрепление его на стенде, имеющем пресс, между обкладками емкостного датчика ЭМИ и деформирование его поверхностного слоя путем приложения нагрузки с помощью силового элемента, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение, формирование сигналов ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой, создаваемой упомянутым силовым элементом, преобразование сигналов ЭМИ с помощью указанного емкостного датчика ЭМИ и их регистрацию, причем деформирование твердого тела осуществляют путем его надрезания, отрывая от него надрезанные частицы путем сдвига и создавая в деформируемом твердом теле трещины и микротрещины, при этом сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, создаваемого тепловыми электронами, вылетающими как с вновь образованных в деформируемом твердом теле поверхностей указанных надрезов, трещин и микротрещин, так и с поверхностей надрезанных частиц, образованных при их отрыве, а также сигнала ЭМИ, создаваемого за счет колебаний участков деформируемого поверхностного слоя указанного твердого тела с положительными зарядами, формирующимися на поверхностях как надрезов, трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов, так и на поверхностях оторванных частиц, колебания которых обусловлены импульсами отдачи в моменты их отрыва и вылета тепловых электронов, отличающийся тем, что в качестве силового элемента используют напильник, изготовленный из материала, более прочного, чем материал деформируемого твердого тела.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что узор насечек на рабочей поверхности напильника подбирают экспериментально в зависимости от требуемой интенсивности и структуры сигнала ЭМИ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что напильник снабжен диэлектрической рукояткой.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что деформируемое твердое тело, взятое для исследования из реальной конструкции, где оно находилось в процессе эксплуатации под нагрузкой, на стенде нагружают с помощью упомянутого пресса, прикладывая к указанному твердому телу ту же нагрузку, что и в реальной конструкции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к горному делу и может использоваться для исследования электромагнитного излучения (ЭМИ) образцов горных пород при их разрушении. .

Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств строительных и дорожных материалов, в том числе армированных грунтов, в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.
Изобретение относится к методам неразрушающего контроля изделий и может быть использовано для контроля качества и диагностики технического состояния деталей. .

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям материалов и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях. .

Изобретение относится к устройствам для определения физико-механических характеристик материалов и может применяться в качестве технологической оснастки в авиастроении, судостроении и других отраслях машиностроения.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к стендам для испытания стальных канатов на выносливость. .

Изобретение относится к установке для проведения статических и динамических испытаний деталей. .

Изобретение относится к области оценки технического состояния конструкций и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах надземной прокладки.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям материалов и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях. .

Изобретение относится к области строительства, в частности к определению изменения длительной прочности бетона во времени эксплуатируемых под нагрузкой в условиях внешней агрессивной среды бетонных и железобетонных конструкций

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, преимущественно к испытаниям материалов, и может использоваться при контроле качества сталей и сплавов

Изобретение относится к механике разрушения твердых тел и может быть использовано при определении прочностных свойств композиционных материалов и горных пород в строительной и горной областях промышленности

Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств мерзлых грунтов в лабораторных условиях

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для выборочного достоверного контроля качества резьбовых и гребенчатых полумуфт, используемых в механизмах различного назначения

Изобретения относятся к области горного дела и предназначены для контроля разрушения образцов горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния. Устройство включает нагрузочное устройство, содержащее металлический корпус, соединенный с заземленным основанием, систему регистрации, включающую усилители, аналого-цифровой преобразователь, компьютер и экранированные кабели. При этом нагрузочное устройство содержит породоразрущающий инструмент, установленный на сверлильном станке, и систему подачи осевой нагрузки, состоящую из последовательно соединенных шкива подачи осевой нагрузки, системы блоков и системы навески грузов, установленных на раме. Также устройство включает замкнутую циркуляционную систему для очистки забоя и охлаждения породоразрушающего инструмента, систему регистрации, включающую манометр, фототахометр, датчик вибрации, канал для регистрации постоянной составляющей тока и канал для регистрации переменной составляющей тока. Способ включает установку образца в зажиме, деформирование образца с помощью нагрузочного устройства, регистрацию возникающего электромагнитного сигнала системой регистрации. При этом, задавая параметры эксперимента, отмечают начальное и конечное положения системы подачи осевой ' нагрузки, соответственно в начале и конце эксперимента, включают двигатель бурового насоса, подают питание на трехфазный трансформатор, с которого затем питание подают на двигатель сверлильного станка, породоразрушающий инструмент вводят в контакт с образцом и устанавливают требуемую осевую нагрузку, фиксируют частоту вращения породоразрушающего инструмента фототахометром, давление промывочной жидкости регистрируют манометром, колебания установки фиксируют вибрационным датчиком, а по каналам для постоянного и переменного тока определяют генерируемое электромагнитное излучение. Технический результат заключается в возможности имитации нагружения образца бурением, с изменением режима проведения эксперимента, при постоянной регистрации параметров электромагнитного излучения при разрушении образца, в виде постоянной и переменной составляющих тока, а также величины приложенной к образцу нагрузки. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к пожарному делу и может быть использовано для испытания стационарных пожарных лестниц. При испытании стационарных пожарных лестниц используют телескопическую метрическую стойку с индикаторами часового типа, располагаемую между ступенями лестницы, нагрузка на которую происходит за счет давления динамометрических пружин с созданием необходимой нагрузки, а разность отсчетов по метрической шкале стойки определяет величину остаточной деформации и пригодность дальнейшего использования лестницы. Технический результат - снижение трудоемкости работ при испытании, повышение производительности и точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к области методов контроля качества сталей и сплавов. Технический результат - повышение точности измерений. Способ механического испытания труб включает сплющивание трубного образца между двумя гладкими жесткими параллельными плоскостями с постоянной скоростью, определение степени пластичности и деформации образца сжатием до образования в нем первой трещины. При этом деформацию образца осуществляют с регистрацией закрепленным на образце датчиком акустической эмиссии сигналов акустической эмиссии. Момент образования трещины определяют по резкому увеличению сигнала акустической эмиссии, по которому определяют степень пластичности и запас пластичности образца, как относительное превышение пластичности образца заранее установленного предела. 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд для исследования энергообмена при разрушении содержит корпус, установленные на нем захваты образца, механизм нагружения, включающий две гибкие тяги, одним концом связанные с захватами, привод вращения, возбудитель колебаний нагрузки, установленный на валу привода вращения и расположенный между тягами, и натяжной механизм, связанный с другим концом гибких тяг. Стенд снабжен платформой и приводом перемещения платформы. Привод вращения размещен на платформе, привод перемещения выполнен с обеспечением движения привода вращения вдоль оси вала. Возбудитель колебаний нагрузки выполнен в форме треугольника, основание которого закреплено на валу привода вращения, а высота направлена вдоль оси вала. Гибкие тяги имеют ограничитель смещения в направлении перемещения платформы. Технический результат - проведение испытаний в новых условиях: при переходах от циклических нагружений с плавным регулированием амплитуды циклов к постоянным длительно действующим или ступенчато изменяемым нагрузкам, а также к постепенно изменяющимся нагрузкам при произвольном чередовании видов нагружения в ходе испытаний без разгрузки образца. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Центробежная установка для испытания образцов содержит основание, установленную на нем платформу с приводом вращения, вал, установленный на платформе перпендикулярно ее оси с возможностью вращения вместе с платформой, механизм вращения вала вокруг своей оси, камеру, закрепленную на торце вала. В камере расположены захваты для образца, пара из которых установлена соосно валу и один из них закреплен на валу, а остальные захваты по числу осей нагружения установлены в плоскости, перпендикулярной оси вала. Установка содержит направляющие по числу осей нагружения. На каждой направляющей установлены грузы по числу ступеней нагружения на соответствующей оси нагружения и электромагнитные фиксаторы для последовательного соединения грузов друг с другом и с соответствующими захватами. Технический результат - проведение испытаний в новых условиях при независимом изменении уровней и режимов изменения нагрузок по разным направлениям с регулируемым количеством и взаимной ориентацией направлений нагружения в ходе испытаний. 1 ил.
Наверх