Ультразвуковой способ измерения механических напряжений при затяжке болтовых соединений

 

Ультразвуковой способ измерения механических напряжений при затяжке болтовых соединений относится к неразруша ющим методам диагностики материалов и конструкций и может быть использован для измерения механических напряжений при затяжке болтовых соединений при строительстве, монтаже и эксплуатации объектов соответственного назначения в различных отраслях промышленности и транспорта (тепловая и атомная энергетика, машиностроение, химическая и др. ) и заключается в том, что до приложения нагрузки частоту вводимых в исследуемый объект непрерывных УЗ колебаний устанавливают равной частоте основного резонанса стоячей волны, амплитуду возбуждающих колебаний устанавливают на уровне, обеспечивающем установление амплитуды стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности, принимают прошедшие через объект сигналы и измеряют величину амплитуды стоячей волны в принятом сигнале, после приложения нагрузки измеряют амплитуды первой-основной, второй и третьей гармоник, а в качестве параметров нелинейных искажений принимают отношения амплитуд измеренных гармоник к амплитуде колебаний до приложения нагрузки и по ним судят о величине химических напряжений. При этом параметры вводимых непре рывных УЗ колебаний расчитывают по специальным формулам. 1 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к неразрушающим методам диагностики материалов конструкций и может быть использовано для измерения напряженно-деформированного состояния (НДС) болтовых соединений и стержневых конструкций при строительстве, монтаже и эксплуатации объектов ответственного назначения в различных отраслях промышленности и транспорта (тепловая и атомная энергетика, машиностроение, химическая и др.) 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 взаимноперпендикулярной ориентацией вектора смещения, измерении изменения их скоростей и вычислении величины напряжения по относительному изменению скорости УЗ колебаний и акустоупругому коэффициенту /1/. Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная фактическим непостоянством акустоупругого коэффициента при изменении величины напряжения.

Известно также множество способов измерения напряжений при затяжке болтовых соединений /2, 3, 4/. В основе наиболее распространенных разновидностей УЗ способов лежит эффект акустоупругости - зависимости скорости упругих колебаний от напряженного состояния материала: C/C = , где C/C - относительное изменение скорости упругих колебаний при изменении напряженного состояния; - акустоупругий коэффициент: - величина механического напряжения.

Как показывают практические и теоретические исследования /5, 6/, 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 также способ контроля внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в исследуемый объект (болт) вдоль его оси вводят непрерывные УЗ колебания до и после приложения нагрузки, анализируют параметры установившихся колебаний и по их соотношению судят о величине внутренних напряжении /7/.

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

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

Недостатками этого способа являются низкие чувствительность, точность и достоверность результатов измерения, что обусловлено малой относительной величиной параметров нелинейных эффектов, получаемых 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 при затяжке болтов является невозможность их применения в условиях упруго-пластических деформаций, когда меняются упругие константы материалов. При этом следует отметить, что практически все ответственные болтовые соединения работают именно в таких условиях.

Перечисленные недостатки и объясняют низкий спрос на существующие средства измерения напряжений при росте актуальности задачи определения НДС материалов ответственных конструкций.

Целью изобретения являются расширение области применения способа измерения напряжений на весь диапазон нагрузок, вплоть до разрушения, при обеспечении достоверности, достаточной для оценки безопасности дальнейшей эксплуатации объекта.

Для достижения поставленной цели в ультразвуковом способе измерения механических напряжений при затяжке болтовых соединений, заключающемся в том, что в исследуемый объект вводят непрерывные УЗ колебания до приложения внешней нагрузки и после, принимают прошедшие через объект сигналы, измеряют нелинейные искажения установившихся колебаний после приложения нагрузки и по ним судят о величине механических напряжений, частоту вводимых УЗ колебаний устанавливают равной частоте основного резонанса стоячей волны, амплитуду возбуждающих колебаний устанавливают на уровне, обеспечивающем установление амплитуды стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности, до приложения нагрузки измеряют ее величину в принятом сигнале, после приложения нагрузки измеряют амплитуды первой - основной, второй и третьей гармоник, а в качестве параметров нелинейных искажений принимают отношения амплитуд измеренных гармоник к амплитуде колебаний до приложения нагрузки.

Кроме того, частоту основного резонанса возбуждаемой стоячей волны УЗ колебаний устанавливают по максимуму амплитуды принимаемых колебаний, изменяя частоту возбуждающих колебаний в интервале: , где F_maxF_min - диапазон изменений частоты возбуждающих колебаний, кГц;
E₀ - модуль упругости материала болта, кгм/м²с²;
- плотность материала болта, кг/м³;
d - диаметр болта, мм;
L - длина болта, мм;
а амплитуду возбуждающих колебаний устанавливают равной:
,
где U_возб - амплитуда возбуждающих колебаний, В;
_упр - предел упругости материала болта, кгм/м²с²;
- модуль сопротивления излучения акустического преобразователя, Ом;
- коэффициент преобразования пьезоэлемента акустического преобразователя, разы.

Авторам неизвестны способы контроля напряженного состояния материала болтов при их затяжке, работающие в широкой области нагружений вплоть до разрушения.

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 не может уже аппроксимироваться 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 обусловливают 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 /9/. Кроме того, в некоторых условиях наблюдается генерация высших гармоник при введении в тело колебаний одной частоты /10/.

При возбуждении непрерывных гармонических колебаний в стержне возникают две волны: прямая и отраженная, которые, взаимодействуя между собой, могут складываться, вычитаться и 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 на границе колебаний малой и конечной интенсивности. 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, при переходе в область упруго-пластических нагружений резко увеличивается эффект комбинационного взаимодействия упругих колебаний, что проявляется в возникновении и росте амплитуд гармоник. 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 - 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) и (2) 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 - 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) и (2), вычисляют диапазон изменения частоты генератора при настройке и амплитуду возбуждающих колебаний. После этого приступают к измерениям. На головку и торцевую поверхность болта - 3, предварительно подготовленные к измерениям путем зачистки поверхности и смачивания ее контактной жидкостью, устанавливаются ультразвуковые преобразователи - 2а и 2б. В подготовленный к затяжке болт вводятся непрерывные УЗ колебания, возбуждаемые генератором - 1. Устанавливая коммутатором -8 режим настройки и перестраивая частоту генератора - 1 в пределах F_maxF_min, предварительно вычисленных по известным характеристикам болта, устанавливают стоячую волну по максимуму принимаемого сигнала и фиксируют частоту. Затем увеличивают амплитуду возбуждающих колебаний до рекомендуемой величины U_возб и коммутатором переводят прибор в режим измерений, при этом в вычислительном блоке измеряется и запоминается величина, пропорциональная амплитуде стоячей волны в ненагруженном состоянии. После затягивания болта вычислительный блок - 6 измеряет величины амплитуд гармоник, вычисляет их отношения к измеренной ранее амплитуде основной гармоники и, сравнивая их 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 таблица для болтов различных типоразмеров, изготовленных из Ст.45.

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

2. Бобренко В.М. и др. Контроль усилий затяжки резьбовых соединений. Дефектоскопия, N 5, 1985 г.

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

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

5. Гузь А.Н. и др. Введение в акустоупругость. Киев, Наукова думка, 1977 г.

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

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

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

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

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

Формула изобретения

1. Ультразвуковой способ измерения механических напряжений при затяжке болтовых соединений, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят непрерывные УЗ колебания до приложения внешней нагрузки и после, принимают прошедшие через объект сигналы, измеряют нелинейные искажения установившихся колебаний после приложения нагрузки и по ним судят о величине механических напряжений, отличающийся тем, что частоту вводимых УЗ колебаний устанавливают равной частоте основного резонанса стоячей волны, амплитуду возбуждающих колебаний устанавливают на уровне, обеспечивающем установление амплитуды стоячей волны на границе колебаний малой и конечной интенсивности, до приложения нагрузки измеряют ее величину в принятом сигнале, после приложения нагрузки измеряют амплитуды первой-основной, второй и третьей гармоник, а в качестве параметров нелинейных искажений принимают отношения амплитуд измеренных гармоник к амплитуде колебаний до приложения нагрузки.

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;
- 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 равной

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

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4