УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2018 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области контроля механических напряжений в твердых материалах и может быть использовано для определения внутренних напряжений в рельсах бесстыкового пути, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.

Известен акустический способ определения внутренних механических напряжений в твердых материалах, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений. Излучающим преобразователем вводят два импульса ультразвуковых колебаний продольных волн и два импульса ультразвуковых колебаний поперечных волн под разными углами α₁ и α₂ и принимают двумя приемными преобразователями прошедшие через объект импульсы на расстояниях и от излучающего преобразователя, а величину напряжения σ определяют по формуле:

где β_T, β_L - акустоупругие коэффициенты для поперечных и продольных волн в исследуемом материале;

, , , - времена прохождения ультразвуковых импульсов разных типов волн и по разным путям;

- отношение расстояний от излучающего преобразователя до второго и первого приемных преобразователей.

Кроме того, угол α₁ ввода ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн устанавливают равным 45°, а величину напряжения σ определяют по формуле:

Приемные преобразователи устанавливают один от другого на расстоянии из условия равенства времени прохождения ультразвуковых колебаний продольных волн по дальнему пути времени прохождения ультразвуковых колебаний поперечных волн по кратчайшему пути.

В точке ввода излучающего преобразователя вводят дополнительно импульсы колебаний поверхностной волны в направлении приемных преобразователей, измеряют времена t_s1 и t_s2 пробега импульсов поверхностной волны до приемных преобразователей, а величину L отношения расстояний определяют из соотношения L=t_s1/t_s2 (патент РФ №2057330, G01N 29/00, приоритет от 25.02.1994 г., опубл. 27.03.1996 г.), принятый за аналог.

Недостатком данного способа является то, что в приемных преобразователях в случае разного акустического контакта возрастает погрешность результатов измерений. Кроме того, невозможно осуществить одним излучателем ввод двух пар ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн под двумя разными углами.

В патенте РФ №2057330 рассматриваются две продольных и две поперечные волны, вводимых во вторую среду. Причем продольные и поперечные волны распространяются под одним углом. Для этого также необходимы два датчика, работающих в режиме излучения.

Известен ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что излучающим преобразователем в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемным преобразователем прошедшие сигналы, измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине внутренних механических напряжений. Кроме того, приемным преобразователем дополнительно принимают трансформированные поперечные волны от падающих на исследуемый объект продольных волн и трансформированные продольные волны от падающих на исследуемый объект поперечных волн, измеряют времена прохождения этих волн в нагруженном и ненагруженном объекте, определяют изменение времени задержки прошедших сигналов (их разность), а величину напряжения определяют по формуле

где β_T - акустический коэффициент для поперечной волны в нагруженном объекте;

τ_T - время задержки поперечной волны в нагруженном объекте;

Δτ_L - изменения времени задержки продольных волн в нагруженном и ненагруженном объекте;

Δτ_LT - изменение времени задержки продольных волн, трансформированных в поперечные волны, в нагруженном и ненагруженном объекте;

α_T - угол ввода поперечной волны в нагруженном объекте.

Кроме того, используют приемный и излучающий преобразователи с углом ввода продольных ультразвуковых колебаний, равным 18° (патент РФ №2601388, G01N 29/04, приоритет от 09.12.2014 г., опубл. 27.06.2016 г. Бюл. №18), принят за прототип.

Недостатком данного способа является то, что при изменении высоты исследуемого объекта (рельса) место приема сигнала максимальной амплитуды принимаемым преобразователем изменяется, так как смещается акустическая ось отраженных сигналов, что вносит погрешность при определении времени распространения сигнала в исследуемом объекте, а следовательно, и погрешность в определение внутренних механических напряжений.

При разработке заявляемого способа была поставлена задача повышения точности определения механического напряжения за счет уменьшения влияния высоты объекта.

Поставленная задача решается за счет того, что в ультразвуковом способе определения внутренних механических напряжений, заключающемся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений, при этом прошедшие через объект импульсы принимают одним прямым раздельно-совмещенным преобразователем и тремя наклонными приемными преобразователями, размещенными на одной оси на расстояниях S₁, S₂ и S₃ от излучающего преобразователя, определяемых по формулам:

где Н - высота объекта контроля, м; α_L, α_T - углы ввода продольных и поперечных волн излучающего наклонного преобразователя соответственно. Причем время прохождения этих волн измеряют в нагруженном и ненагруженном объектах, а величину напряжения σ определяют по формуле:

где τ_T01, τ_T1 - времена распространения сигнала поперечной волны от излучающего преобразователя до первого приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;

τ_T03, τ_T3 - времена распространения сигнала поперечной волны от излучающего преобразователя до третьего приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;

τ_LT02, τ_LT2 - времена распространения сигнала трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;

k_LT2 - акустоупругий коэффициент трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя, МПа^-1.

Высота объекта контроля (Н) определяется по формуле:

где C_Lпр - скорость продольной ультразвуковой волны в объекте контроля под прямым раздельно-совмещенным преобразователем, м/с; τ_Lпр - время распространения продольной ультразвуковой волны в объекте контроля под прямым раздельно-совмещенным преобразователем, нс.

На чертеже приведена схема прозвучивания при ультразвуковом способе определения внутренних механических напряжений в твердых материалах, которая содержит: ИП - излучающий и принимающий продольную (L_пр) ультразвуковую волну прямой раздельно-совмещенный преобразователь; И - излучающий продольную (L_нак) и поперечную (T) ультразвуковые волны наклонный преобразователь с углом ввода продольной ультразвуковой волны 18°; П₁, П₂, П₃ - принимающие ультразвуковые волны наклонные преобразователи с углами ввода продольной ультразвуковой волны 18°.

Способ реализуется следующим образом.

Преобразователи П_1, П₂, П₃ устанавливают в точки А, В, С на расстоянии S₁, S₂, S₃ от излучающего преобразователя И при условии, что угол ввода продольной волны преобразователя И α_L известен, а угол ввода поперечной волны в нагруженном объекте постоянный и находится по формуле:

Расстояния S₁, S₂, S₃ определяют по формулам (1), (2), (3) для нахождения места наилучшего приема сигналов поперечной (Т), трансформированной (LT) и продольной (L_нак) волн соответственно как на исследуемом, так и на ненагруженном объектах, находящихся в одном температурном режиме.

В точке А измеряются времена прихода продольной (L), поперечной (T) и трансформированной (LT) волн (τ_L1, τ_T1, τ_LT1). Такие же измерения проводят в точках В и С, при этом получают значения τ_L2, τ_T2, τ_LT2, τ_L3, τ_T3, τ_LT3.

При изменении высоты объекта Н преобразователем ИП регистрируется изменение времени распространения продольной волны τ_Lпр и меняются расстояния между излучающим преобразователем И и принимающими преобразователями П₁, П₂, П₃ на соответствующие величины ΔS₁, ΔS₂, ΔS₃.

Высоту объекта Н определяют через измерение времени распространения продольной волны τ_Lпр прямого раздельно-совмещенного преобразователя ИП при заданной скорости продольной ультразвуковой волны (L_пр).

В каждой точке приема А, В и С измеряются времена прихода поперечных и трансформированных волн τ_T1, τ_LT2 и τ_T3 соответственно для исследуемого нагруженного объекта и τ_T01, τ_LT02 и τ_T03 для ненагруженного объекта. Внутренние механические напряжения σ в исследуемом объекте определяют по формуле (4). Предварительно экспериментально определяется k_LT2.

Пример 1.

Осуществляли определение внутренних механических напряжений σ в термоупрочненном рельсе Р65 высотой 180 мм, созданных нагружающим гидравлическим стендом (патент РФ №154503, МПК Е01В 29/20, 29/46. Устройство для создания растягивающего или сжимающего напряжения в рельсе / Глухов Б.В., Курбатов А.Н., Тенитилов Е.С., Степанова Л.Н. - Опубл. 27.08.2015, Бюл. №24). Одновременно измерялись напряжения σ_тензо сертифицированной микропроцессорной многоканальной тензометрической системой ММТС-64.01 (свидетельство RU.C.34.007.A №44412) класса точности 0,2. Для измерения напряжений в исследуемом рельсе наклеивались тензодатчики типа ПКС (свидетельство RU.C.28.007.A №30935) с сопротивлением R=200 Ом, базой L=12 мм, коэффициентом тензочувствительности К=2,12. Тензодатчики наклеивались вдоль приложенной нагрузки посередине шейки рельса с двух сторон.

На поверхность катания головки нагружаемого исследуемого рельса и ненагруженного его аналога устанавливались по одному прямому раздельно-совмещенному преобразователю ИП (П112-2,5-12) и по четыре наклонных преобразователя (П121-2,5-18-002) один из которых был излучающим преобразователем И, а три других принимающими преобразователями П₁, П₂, П₃ (см. чертеж). Предварительно на все преобразователи наносили контактную смазку. Угол ввода продольной ультразвуковой волны наклонных преобразователей равен 18°. Излучающий преобразователь И устанавливали так, чтобы его акустическая ось была направлена встречно акустическим осям принимающих преобразователей П₁, П₂, П₃, а сами наклонные преобразователи находились на одной оси на расстояниях S₁, S₂ и S₃ от излучающего преобразователя И соответственно. Эти расстояния рассчитывали по формулам (1), (2), (3). Для этого задавали скорость продольной ультразвуковой волны (C_Lпр) прямого раздельно-совмещенного преобразователя ИП равной 5910 м/с, а осциллографом TDS-2014 измеряли время распространения продольной волны (τ_Lпр). Рассчитывали расстояния S₁, S₂ и S₃ от излучающего преобразователя И до принимающих преобразователей П₁, П₂, П₃, которые составили соответственно 61 мм, 89 мм, 117 мм. Осциллографом TDS-2014 в каждой точке приема А, В и С принимающих преобразователей измеряли времена прихода сигналов от поперечных (τ_T1, τ_T3) и трансформированных (τ_LT2) волн, соответственно для нагруженного исследуемого рельса и τ_T01, τ_T03, τ_LT02 для ненагруженного его аналога. Экспериментально определили k_LT2 - акустоупругий коэффициент трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя П₂, находящегося в точке В, который равен -0,0000114 МПа^-1. Результаты измерения временных параметров ультразвуковых волн на различных ступенях нагружения подставлялись в формулу (4) и рассчитывали значения напряжений σ_акуст.

Определялась относительная погрешность между напряжениями σ_тензо, измеренными тензометрической системой ММТС-64.01, и напряжениями σ_акуст. Результаты расчетов приведены в таблице.

Расчетные значения напряжений в рельсе, полученные с использованием предложенного способа определения внутренних механических напряжений, подтверждаются данными, полученными экспериментально с использованием сертифицированной тензометрической системы ММТС-64.01. Относительная погрешность не превышает 2%, что допустимо при проведении промышленных испытаний на железной дороге.

Использование: для определения внутренних напряжений в рельсах бесстыкового пути. Сущность изобретения заключается в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы одним прямым раздельно-совмещенным преобразователем и тремя наклонными приемными преобразователями, размещенными на одной оси. Прямым раздельно-совмещенным преобразователем измеряют высоту исследуемого объекта и в зависимости от нее устанавливают три наклонных приемных преобразователя на определенном расстоянии от излучающего наклонного преобразователя, направленного встречно приемным. Измеряют времена распространения импульсов продольных и трансформированных ультразвуковых волн от излучающего преобразователя до приемных преобразователей, по которым судят о величине напряжений. Технический результат: обеспечение возможности существенного повышения точности определения механических напряжений за счет перемещения приемных преобразователей относительно излучающего преобразователя и учета высоты исследуемого объекта. 1 ил., 1 табл.

Ультразвуковой способ определения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений, отличающийся тем, что принимают прошедшие через объект импульсы одним прямым раздельно-совмещенным преобразователем и тремя наклонными приемными преобразователями, размещенными на одной оси на расстояниях S₁, S₂ и S₃ от излучающего преобразователя, определяемых по формулам:

где Н - высота объекта контроля, м;

α_L, α_Т - углы ввода продольных и поперечных волн излучающего наклонного преобразователя;

а величину напряжения а определяют по формуле:

где τ_T01, τ_T1 - времена распространения сигнала поперечной волны от излучающего преобразователя до первого приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;

τ_Т03, τ_Т3 - времена распространения сигнала поперечной волны от излучающего преобразователя до третьего приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;

τ_LT02, τ_LT2 - времена распространения сигнала трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя ненагруженного аналога и нагруженного исследуемого объекта соответственно, нс;

k_LT2 - акустоупругий коэффициент трансформированных волн от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя, МПа^-1.