Устройство для намагничивания изделий, контролируемых методом магнитопорошковой дефектоскопии

Предполагаемая полезная модель относится к неразрушаемому контролю и может быть использована в любых областях техники для обнаружения дефектов поверхности ферромагнитных изделий методом магнитопорошковой дефектоскопии. Сущность полезной модели заключается в выполнении условия Н_n/Н3, где Н_n, Н - соответственно нормальная и тангенциальная составляющие вектора напряженности магнитного поля на поверхности контролируемого изделия в области предполагаемого дефекта. Его выполнение гарантирует возможность эффективного и достоверного обнаружения и геометрической идентификации искомого дефекта на большей площади контролируемой поверхности. Этот результат достигается тем, что определенные геометрические параметры устройства обеспечивают оптимальное согласование магнитной цепи устройства по магнитному потоку, как за счет уменьшения рассеивания магнитного потока в магнитах и полюсных наконечниках, так и за счет минимизации потоков рассеивания в самом контролируемом изделии.

Предполагаемая полезная модель относится к неразрушаемому контролю и может быть использована в любых областях техники для обнаружения дефектов поверхности ферромагнитных изделий методом магнитопорошковой дефектоскопии.

Известны устройства для намагничивания изделий, контролируемых методом магнитопорошковой дефектоскопии, в которых используются два постоянных магнита, связанных по магнитному потоку перемычкой из магнитного материала, способной изменять свою форму, что обеспечивает возможность перемещения магнитов вдоль поверхности контролируемого изделия (Шелихов Г.С.«Магнитопорошковая дефектоскопия деталей и узлов», М., ГП НТЦ «Эксперт», 1995, с.124-125; Шерстенников А.В. «Намагничивающее устройство для магнитопорошковой дефектоскопии», патент РФ (19)RU(11)2166754(13)C1 с приоритетом от 21.12.1999 г.). Главным достоинством подобных приборов являются отсутствие у них источников питания, а также сравнительно малые габариты и вес, позволяющие использовать приборы в переносном режиме.

Известен переносной магнитопорошковый дефектоскоп, содержащий два симметрично расположенных постоянных магнита в виде прямоугольных параллепипедов, два состыкованных с магнитами идентичных полюсных наконечника из магнитного материала, симметрично расположенных относительно друг друга и гибкую тросовую перемычку из магнитного материала, для замыкания магнитного потока («Неразрушающий контроль: справочник» п/р Клюева В.В., т.4, гл.7, разд.7.11, 2006, с.442). Указанное техническое решение, как наиболее близкое к заявляемому, может быть выбрано за прототип.

Недостатком прототипа является отсутствие мер по уменьшению нормальной составляющей напряженности магнитного поля H_n на поверхности контролируемого изделия, которая может быть соизмерима, как показывает компьютерный расчет и магнитные измерения, с тангенциальной составляющей H. Следствием этого эффекта является резкое снижение надежности контроля в областях контролируемой поверхности, находящихся от магнитных наконечников на расстояниях порядка их поперечных размеров (рабочая область дефектоскопа). Кроме того, прототип не гарантирует получение значений тангенциальной составляющей магнитного поля на уровне необходимом для эффективного определения и идентификации дефектов во всей рабочей области.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков.

Поставленная авторами цель достигается тем, что в устройстве для намагничивания изделий, контролируемых методом магнитопорошковой дефектоскопии, содержащем два симметрично расположенных постоянных магнита в виде прямоугольных параллепипедов, с горизонтальными размерами а, b, откладываемыми параллельно поверхности контролируемого изделия, и вертикальным размером h₁, два состыкованных с магнитами идентичных полюсных наконечника из магнитного материала, симметрично расположенных относительно друг друга и гибкую тросовую перемычку из магнитного материала, для замыкания магнитного потока, полюсные наконечники выполнены в виде прямоугольных параллепипедов, состыкованных по основанию с магнитами и имеющих те же горизонтальные размеры а, b и высоту h₂, удовлетворяющую условию

с возможностью перемещения вместе с магнитами относительно друг друга вдоль поверхности контролируемого изделия, так, что максимальное расстояние L между центрами их оснований удовлетворяет условию

при этом горизонтальные размеры магнитов и наконечников удовлетворяют условию

а вертикальный размер магнита условию

На рисунке показан схематический разрез предлагаемого устройства. Оно содержит два полюсных наконечника - 1, два постоянных магнита (сборки из отдельных магнитных элементов) -2, гибкую тросовую перемычку из магнитопроводящего материала - 3. Полюсные наконечники непосредственно соприкасаются с поверхностью контролируемого изделия. Геометрические характеристики устройства указанные на рисунке определены выше.

Представленные выше системы неравенств (1), (2), (3), (4) были получены путем компьютерного моделирования методом перебора отношений геометрических параметров - магнитной системы дефектоскопа по компьютерной программе, использующей метод сингулярных интегральных уравнений, разработанный в МИФИ. Индукция намагничивания постоянного магнита варьировалась в пределах В0=(0.25÷0.50) Тл. Этим значениям, как показывает расчет, соответствуют вариации параметра h2 в пределах (0.01÷0.08) м, b в пределах (0.01÷0.07) м, а в пределах (0.01÷0.02) м. Выход за эти пределы делает магнит неудобным для использования в дефектоскопе. Указанным пределам изменения индукции магнитного поля в рассматриваемой геометрии намагничивания характерные значения магнитной проницаемости испытываемых изделий выбирались в пределах (2.0÷6.0)10-4 Гн/м.

Возможность достижения технического результата полезной модели в области изменения геометрических параметров элементов устройства - устанавливалась на основании компьютерного расчета по выполнению известного критерия (2) в рабочей области дефектоскопа раположенной на расстоянии не менее a/2 от внутренней боковой поверхности полюсного наконечника:

где H_n, H - соответственно нормальная и тангенциальная составляющие вектора напряженности магнитного поля на поверхности контролируемого изделия в области предполагаемого дефекта. Другим условием было получение максимально возможного значения Н в рабочей области дефектоскопа, где выполняется условие (5) и нарушение однородности поля не превышает 10%.

Компьютерный расчет показал, что для обеспечения условия (5), а также однородности магнитного поля на уровне не менее 10%, необходимо одновременное выполнение следующих неравенств:

Помимо условия (5) на параметры L и h ₂ должны быть наложены ограничительные неравенства, обеспечивающее максимально возможное значение тангенциальной составляющей индукции магнитного поля на исследуемом участке поверхности образца при условии выполнения соотношений (6-9). Обобщая данные расчета, можно получить следующие неравенства, обеспечивающие наличие указанного максимума:

Нетрудно убедиться, что из совокупности неравенств (7) и (10) вытекает более слабое условие (2), а совокупность неравенств (9) и (11)- эквивалентно условию (1).

Расчет показал, что при выполнении условий (6-9), начиная примерно со значений b=3.5а, и h₁=4a, индукция магнитного поля на исследуемом участке поверхности образца слабо меняется с ростом параметров b, и h₁. Поэтому из конструктивных и экономических соображений, а также с целью облегчения технологических условий намагничивания магнита, целесообразно ограничить его габариты дополнительными неравенствами:

Легко видеть, что совокупность неравенств (6) и (12) эквивалентно условию (3).

Для подтверждения достоверности результатов математического моделирования были проведены магнитные измерения. Они осуществлялись с помощью миллитесламетра ТПУ-04, зарегистрированного в Государственном реестре средств измерений по 28134-04.

В эксперименте проводилась проверка соответствия условий (7) и (9) при выполнении неравенств (6), (8) критерию (5). При этом фиксировались высота магнита h ₁=0.045 м и размеры его поперечного сечения a=0.015 м и b=0.045 м. Остаточная намагниченность на торцевых поверхностях магнита составляла 0.32 Тл, а индукция насыщения магнитных наконечников 1.2 Тл. В качестве контролируемого предмета использовалась плоская стальная заготовка толщиной 0.02 м, моделирующая, например, участок газопроводной трубы. Измерения проводились на границе рабочей области, отстоящей от боковой поверхности магнита на расстоянии a/2. В процессе измерений варьировались параметры L и h₂

Результаты эксперимента представлены в следующих таблицах:

h₂=0.02 м

L (m)	0.05	0.65	0.80	0.95
	5.12	4.36	3.93	3.75

h₂=0.04 м

L (m)	0.05	0.65	0.80	0.95
	4.40	2.91	2.41	2.24

h₂=0.06 м

L(m)	0.05	0.65	0.80	0.95
	5.7	3.19	2.82	2.43

Из таблиц видно, что при выполнении условий (7), (9) в декларируемой рабочей области дефектоскопа будет выполняться условие (5).

Предлагаемое устройство может быть реализовано с использованием доступных современных материалов и технологий. В частности в качестве полюсных наконечников может быть использована СТ-3, а магнитные элементы могут быть изготовлены, например, из самарий- кобальтовых сплавов. Суммарная индукция намагничивания может лежать в пределах от 0.3 до 0.5 Тл, это допускают размеры магнитной системы.

Устройство для намагничивания изделий, контролируемых методом магнитопорошковой дефектоскопии, содержащее два симметрично расположенных постоянных магнита в виде прямоугольных параллелепипедов, с горизонтальными размерами а, b, откладываемыми параллельно поверхности контролируемого изделия, и вертикальным размером h₁, два состыкованных с магнитами идентичных полюсных наконечника из магнитного материала, симметрично расположенных относительно друг друга и гибкую тросовую перемычку из магнитного материала, для замыкания магнитного потока, отличающееся тем, что полюсные наконечники выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов, состыкованных по основанию с магнитами и имеющих те же горизонтальные размеры a, b и высоту h₂, удовлетворяющую условию 0,5h₁<h₂<1,5h₁ , с возможностью перемещения вместе с магнитами относительно друг друга вдоль поверхности контролируемого изделия, так, что максимальное расстояние L между центрами их оснований удовлетворяет следующим условиям:

при этом горизонтальные размеры магнитов и наконечников удовлетворяют условию 1,5а<b<3,5а.