Интегральный электрический способ неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины и устройство для его осуществления Российский патент 2019 года по МПК G01N27/20 G01B7/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электрическим способам неразрушающего контроля цилиндрических пружин и устройствам для его осуществления.

Уровень техники

Известны способы неразрушающего контроля, перечень которых приводится в ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов». Здесь определен и электрический метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом или возникающего в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия.

Требования к качеству цилиндрических пружин определяет ГОСТ 16118-70 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения». Пункт 3 этого ГОСТа - «Методы контроля» определяет способы контроля качества партии готовых цилиндрических пружин, включающие известный комплекс мероприятий, позволяющий оценить качество изделия. Это внешний осмотр пружины, оценка ее геометрии, динамические испытания пружины и т.д.

Известны механические устройства для испытаний цилиндрических пружин под действием статически прикладываемой, ударной и переменной во времени нагрузкой. Иллюстрации и описание соответствующих устройств можно найти, например, на сайтах http://www.synercon.ru/catalog/kb/mashiny, http://prochnost-pruzhin.ru/raschety-vynoslivost-…. и других. Известны и многочисленные, изготавливаемые промышленностью, специальные устройства для реализации электрических методов неразрушающего контроля, измеряющие, например, разность потенциалов, величину магнитной индукции и т.д.

Раскрытие изобретения

Можно определить два видимых признака отказа работы пружины: хрупкое разрушение одного из ее витков и недопустимая деформация всей пружины за счет развития пластических деформаций. В первом случае дальнейшее использование пружины становится невозможным, во втором - работоспособность пружины на некоторый период времени при необходимости еще может быть восстановлена. Именно этот случай и является побудительной причиной создания предполагаемого изобретения. Заметим, к слову, что оценка состояния пружины необходима и в период планового технического обслуживания особо ответственных изделий, важнейшим элементом которых является пружина, например, безоткатных орудийных систем.

Процесс роста деформации пружины (осадка пружины) - видимый результат ее работы, происходит во времени и может быть определен двумя причинами или их сочетанием. Это - развитие пластических деформаций или (и) накопление микротрещин в теле пружины в результате циклических процессов изменения ее напряженно-деформированного состояния. При образовании микротрещин изменяется структура материала, а в результате соударения витков меняется и форма поперечного сечения витка (от круга к эллипсу). Иначе говоря, в процессе эксплуатации пружины во времени изменяются ее геометрия и физико-механические свойства, в том числе за счет образования микротрещин, при этом изменяются и электротехнические свойства пружины, в частности, ее электрическое сопротивление. Действительно, при образовании микротрещин (радиальных, тангенциальных и иных) меняется физическая структура поперечного сечения витка, а следовательно, изменяется и электрическое сопротивление самой пружины, что может быть зафиксировано высокочувствительным измерительным прибором, например, микроомметром, с весьма малой ценой деления (10^-6 ом).

В пружине определяются две концевые опорные части - (условно верхняя и нижняя) и средняя часть, собственно пружина. Поверхность каждой опорной части пружины состоит из витка с переменным, уменьшающимся, шагом, причем поверхность этого витка, как правило, клинообразно стачивается для лучшего взаимодействия этого витка с плоскостью опирания пружины. Работа опорного витка пружины существенно отличается от работы ее средней части, когда в сечении этого витка возникают минимальные касательные напряжения, а превалирующими являются местные напряжения сжатия. Иными словами опорная часть пружины практически (пружиной) не работает, а следовательно, эти (опорные) части пружины можно исключить из числа разрушающих элементов, что подтверждается и практикой.

Наибольшая величина касательных напряжений при работе пружины на сжатие или на растяжение возникает на поверхностях перемещающихся друг относительно друга витков (См. например, книгу Н. М. Беляева Сопротивление материалов 1965 г, стр. 206). Именно здесь и существует возможность образования микротрещин, а также возможность их «залечивания» (см. например, патент РФ №2634468). Если же таких микротрещин нет или их количество минимально, то изменение электрического сопротивления, очевидно, инструментально не будет обнаружено. Такая пружина, даже если она и «села», может быть восстановлена соответствующей технологией и использована вторично.

Если на обеих опорных поверхностях пружины жестко закрепить контакты и осуществлять измерения электрического сопротивления, то для новой пружины в ненапряженном состоянии, при ее растяжении или при ее сжатии, эта величина будет одинаковой, а для отработанной хотя бы частично - может оказаться как одинаковой (при пластических деформациях), так и нет (при наличии микротрещин, их раскрытии, или закрытии под действием нагрузки переменного направления). На этом физическом явлении и основан предлагаемый электрический способ неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины в целом, как метод оценки состояния всей пружины.

Можно определить предлагаемый способ как способ интегрального неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины, характеризуемого измерением электрического сопротивления пружины между клеммами, закрепленными на ее опорных витках в ненагруженном состоянии, а также измерениями электрического сопротивления при ее растяжении и сжатии в области упругих деформаций под действием статически прикладываемой нагрузки, одинаковой по абсолютной величине и последующем сравнении результатов этих трех измерений.

Статическое приложение нагрузки означает ее постепенное воздействие - ступенями, величина которых зависит от прочностных характеристик пружины.

Точно также, дифференцируя измерения по группам витков, можно анализировать состояние и каждого витка в отдельности.

Заметим, что измеренная величина электрического сопротивления изготовленной пружины с указанием мест для клемм, особенно для ответственных механических систем, может стать элементом ее сертификационной характеристики.

Для реализации описанного выше способа необходимо механическое силовое устройство, позволяющее и растягивать и сжимать пружину, содержащее динамометры на растяжение и сжатие, а также измерительное устройство - микроомметр с проводниками, снабженными клеммами для жесткого соединения с испытуемой пружиной.

Такое устройство состоит из горизонтальной опорной плиты с жестко закрепленными на ней вертикальными стойками и двумя поперечными элементами с двумя осями симметрии - верхним и средним, разделяющими раму на две части - верхнюю и нижнюю, причем в верхней части размещен динамометр на растяжение, подвешенный к верхнему горизонтальному элементу, а на опорной плите нижней части размещен динамометр сжатия, причем поперечные элементы выполнены с центральным отверстием и отверстиями для стоек, снабженные боковыми винтами, с возможностью временного закрепления поперечин в стойках на заданных высотах, а в центральном отверстии среднего поперечного элемента вертикально размещен силовой винт с гайкой и шайбой в нижней его части, взаимодействующий с пружиной, при ее растяжении (сжатии), причем верхнее окончании винта выполнено под гаечный ключ, а нижнее - шаровой формы

Как известно, основными в рассматриваемых пружинах являются касательные напряжения т, действующие в поперечном сечении витка (См. например, книгу Н. М. Беляева Сопротивление материалов 1965 г, стр. 206). Исходя из того, что максимальные касательные напряжения при работе пружины не должны превышать допускаемых значений при переменных нагрузках, растяжение или сжатие пружины должно находиться в пределах действия закона Гука при сдвиге, то есть в пределах пропорциональности, когда касательные напряжения противоположного знака по абсолютной величине не превышают рабочих.

Процесс испытания пружины осуществляется следующим образом.

К опорным виткам пружины, положенной на горизонтальную поверхность закрепляются клеммы, соединенные проводниками с микроомметром и производится замер электрического сопротивления этой пружины, равный значению R.

Затем, не отсоединяя от измерительного прибора, пружину устанавливают в растягивающей (верхней) части силового устройства и подвергают растяжению в пределах упругих деформаций, прикладываемой статически силой F_p, и замеряют значение электрического сопротивления при растяжении, равное некоторому значению R_p. Затем аналогичным образом пружину устанавливают в сжимающей (нижней) части силового устройства и подвергают сжатию силой такой же величины F_p, определяя и в этом случае значение электрического сопротивления R_c. В процессе деформаций пружины микротрещины, если они есть, будут раскрываться при одном виде напряженного состояния, или закрываться при - другом. В любом случае, при раскрытии микротрещин электрическое сопротивление пружины будет меняться в сторону увеличения, что и определит показание измерительного прибора.

Таким образом, если R=R_p= R_c справедлив вывод об отсутствии микротрещин в теле пружины, то есть ее эксплуатационные свойства сохранены полностью; если же оказалось, что Rc>R или R_p,>R то этот факт будет свидетельствовать об обратном. Степень износа пружины может оцениваться и величиной разности λ_p=R_p-R или λ_с=R_c-R, которая во времени может только возрастать.

Знание величины электрического сопротивления пружины при ее изготовлении и замеры его изменения в период эксплуатации позволяет повышают качество контроля и надежность в целом работы механической системы, элементом которой является пружина.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема измерения электрического сопротивления пружины.

На фиг. 2 изображено устройство для растяжения и сжатия пружины.

На фиг. 3. изображен силового винта.

На фиг. 4 изображен силовой винт, вид сверху.

На фиг. 5 изображен поперечный элемент.

На фиг. 6 изображено крепление клеммы к опорному витку.

На фиг. 7 показано крепление клеммы к опорному витку, вид сверху.

На фиг. 8 изображен опорный элемент для растяжения пружины.

На фиг. 9 показан опорный элемент для растяжения пружины, вид сверху.

На фиг. 10 показан крюк соединения опорных элементов с динамометром и силовым винтом.

На фиг. 11 изображен верхний упорный элемент для сжатия пружины.

На фиг. 12 изображен верхний упорный элемент для сжатия пружины, вид сверху.

На фиг. 13 изображен нижний опорный элемент для сжатия пружины.

На фиг. 14 изображен нижний опорный элемент для сжатия пружины, вид сверху.

Осуществление изобретения

Интегральный электрический способ неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины 1 включает измерения электрического сопротивления пружины микроомметром 2 между клеммами 3 и 4, закрепленными на ее опорных витках в ненагруженном состоянии 5, а также при ее растяжении 6 и сжатии 7 в области упругих деформаций под действием статически прикладываемых нагрузок, одинаковых по абсолютной величине и сравнении результатов трех измерений, причем совпадение результатов трех измерений свидетельствует об отсутствии микротрещин в теле пружины, а несовпадение результатов измерений электрического сопротивления в ненагруженном состоянии - меньше и нагруженном - больше отвечает наличию микротрещин и будет характеризовать изношенность пружины, причем степень изношенности определяется величиной разности значений электрического сопротивления пружины в ненагруженном и нагруженном состояниях.

Устройство для реализации интегрального электрического способа неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины включает микроомметр 2, динамометр на растяжение 8, динамометр на сжатие 9 и раму 10 с опорной частью, имеющую вертикальную ось симметрии, причем рама 10 состоит из горизонтальной опорной плиты 11 с жестко закрепленными на ней вертикальными стойками 12 и 13 и двух симметричных поперечных элементов - верхнего 14 и среднего 15, разделяющего раму на верхнюю и нижнюю части, причем в верхней части размещен динамометр на растяжение 8, подвешенный к верхнему горизонтальному элементу 14, на опорной плите нижней части размещен динамометр сжатия 9, а испытуемая пружина 1 временно размещена вдоль оси, причем поперечные элементы 14 и 15 выполнены с центральным отверстием 16 и отверстиями для стоек 12 и 13 и снабжены боковыми винтами 17, с возможностью закрепления поперечин в стойках на заданных высотах, а в центральном отверстии среднего поперечного элемента вертикально размещен силовой винт 18 с гайкой 19, причем верхняя часть 20 силового винта 18 обработана «под гаечный ключ», а нижняя часть выполнена шаровой формы 21 с возможностью взаимодействия с упорным элементом 22 сжимаемой пружины с возможностью силового воздействия на опорные части пружины, причем устройство снабжено элементами с диэлектрическими прокладками 23, выполненными с возможностью временного их закрепления на опорных частях пружины для выполнения операции растяжения (сжатия), а клеммы прибора для измерения электрического сопротивления соединены с опорными частями испытуемой пружины.

Для измерения электрического сопротивления в ненагруженном состоянии к опорным виткам пружины 1 винтами и гайками жестко крепятся хомутообразные клеммы 3 и 4 микроомметра 2 (Фиг. 1), (Фиг. 2), (Фиг. 3) и измеряется электрическое сопротивление пружины, составляющее некоторое значение R₁. Затем, сохраняя установленное соединение микроомметра 2 с пружиной 1, подвергают ее растяжению статически прикладываемой нагрузкой Р в рамках упругих деформаций, определяя электрическое сопротивление пружины R₂ в растянутом состоянии. Сохраняя соединение микроомметра 2 с пружиной, пружину подвергают сжатию статически прикладываемой нагрузкой той же величины Р (в рамках упругих деформаций), определяя электрическое сопротивление пружины R₃ в сжатом состоянии. В сравнении трех определенных электрических сопротивлений возможны два варианта: сохранение близких значений электрических сопротивлений в ненагруженном и нагруженных состояниях - R₁~R₂~R₃ и отсутствие близких значений хотя бы для двух случаев, например, R₁≠R₂. Первый результат говорит об отсутствии микротрещин, второй - наоборот, о их наличии. В каждом из обоих случаев могут быть приняты необходимые решения по дальнейшему использованию, замене или восстановлению испытанной пружины.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- упрощает проведение оценки состояния всей пружины без ее разрушения;

- снижает время оценки состояния всей пружины;

- уменьшает энергоемкость оценки процесса состояния пружины.

Изобретение относится к электрическим способам неразрушающего контроля цилиндрических пружин и устройствам для его осуществления. Сущность: осуществляют измерение электрического сопротивления пружины между клеммами, закрепленными на ее опорных витках в ненагруженном состоянии, а также при ее растяжении и сжатии в области упругих деформаций под действием статически прикладываемых нагрузок, одинаковых по абсолютной величине и сравнении результатов трех измерений. Совпадение результатов трех измерений свидетельствует об отсутствии микротрещин в теле пружины, а несовпадение результатов измерений электрического сопротивления в ненагруженном состоянии - меньше и нагруженном - больше отвечает наличию микротрещин и будет характеризовать изношенность пружины, причем степень изношенности определяется величиной разности значений электрического сопротивления пружины в ненагруженном и нагруженном состояниях. Устройство содержит прибор для измерения электрического сопротивления, динамометры на растяжение и сжатие и раму с опорной частью, имеющую вертикальную ось симметрии, состоящую из горизонтальной опорной плиты с жестко закрепленными на ней вертикальными стойками и двух симметричных поперечных элементов - верхнего и среднего, разделяющего раму на верхнюю и нижнюю части, причем в верхней части размещен динамометр на растяжение, подвешенный к верхнему горизонтальному элементу, на опорной плите нижней части размещен динамометр сжатия, а испытуемая пружина временно размещена вдоль оси. Поперечные элементы выполнены с центральным отверстием и отверстиями для стоек и снабжены боковыми винтами, с возможностью закрепления поперечин в стойках на заданных высотах, а в центральном отверстии среднего поперечного элемента вертикально размещен силовой винт с гайкой. Верхняя часть силового винта обработана «под гаечный ключ», а нижняя часть выполнена шаровой формы с возможностью взаимодействия с упорным элементом сжимаемой пружины с возможностью силового воздействия на опорные части пружины. Устройство дополнительно снабжено элементами с диэлектрическими прокладками, выполненными с возможностью временного их закрепления на опорных частях пружины для выполнения операции растяжения (сжатия) а клеммы прибора для измерения электрического сопротивления соединены с опорными частями испытуемой пружины. Технический результат: упрощение проведения оценки состояния всей пружины без ее разрушения, снижение времени оценки состояния всей пружины, уменьшение энергоемкости оценки процесса состояния пружины. 2 н.п. ф-лы, 14 ил.

1. Интегральный электрический способ неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины, отличающийся измерением электрического сопротивления пружины между клеммами, закрепленными на ее опорных витках в ненагруженном состоянии, а также при ее растяжении и сжатии в области упругих деформаций под действием статически прикладываемых нагрузок, одинаковых по абсолютной величине и сравнении результатов трех измерений, причем совпадение результатов трех измерений свидетельствует об отсутствии микротрещин в теле пружины, а несовпадение результатов измерений электрического сопротивления в ненагруженном состоянии - меньше и нагруженном - больше отвечает наличию микротрещин и будет характеризовать изношенность пружины, причем степень изношенности определяется величиной разности значений электрического сопротивления пружины в ненагруженном и нагруженном состояниях.

2. Устройство для реализации способа неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружины по п. 1, включающее прибор для измерения электрического сопротивления, динамометры на растяжение и сжатие и раму с опорной частью, имеющую вертикальную ось симметрии, состоящую из горизонтальной опорной плиты с жестко закрепленными на ней вертикальными стойками и двух симметричных поперечных элементов - верхнего и среднего, разделяющего раму на верхнюю и нижнюю части, причем в верхней части размещен динамометр на растяжение, подвешенный к верхнему горизонтальному элементу, на опорной плите нижней части размещен динамометр сжатия, а испытуемая пружина временно размещена вдоль оси, отличающееся тем, что поперечные элементы выполнены с центральным отверстием и отверстиями для стоек и снабжены боковыми винтами, с возможностью закрепления поперечин в стойках на заданных высотах, а в центральном отверстии среднего поперечного элемента вертикально размещен силовой винт с гайкой, причем верхняя часть силового винта обработана «под гаечный ключ», а нижняя часть выполнена шаровой формы с возможностью взаимодействия с упорным элементом сжимаемой пружины с возможностью силового воздействия на опорные части пружины, причем устройство снабжено элементами с диэлектрическими прокладками, выполненными с возможностью временного их закрепления на опорных частях пружины для выполнения операции растяжения (сжатия), а клеммы прибора для измерения электрического сопротивления соединены с опорными частями испытуемой пружины.