RU2241984C1

RU2241984C1 - Device for vibroacoustic control of elongated constructions of complicated shape

Info

Publication number: RU2241984C1
Application number: RU2003122167/28A
Authority: RU
Inventors: Д.М. Белый (RU); Д.М. Белый
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2004-12-10
Also published as: RU2003122167A

Abstract

FIELD: non-destructive control technologies.

SUBSTANCE: device has detector of local construction areas as well as forced oscillations exciter and recorder of amplitude thereof, placed on opposite sides from controlled area. Local areas detector is made in form of excitation coil enveloping construction, mounted on bas with possible displacement along construction within controlled area, and also connected to coil and placed immediately under it reservoir, open in upper portion and partially filled with ferromagnetic powder.

EFFECT: broader functional capabilities, simplified construction, higher efficiency, higher safety.

2 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для оценки повреждений с помощью упругих колебаний длинномерных конструкций сложной формы.The invention relates to non-destructive testing and can be used to assess damage using elastic vibrations of long structures of complex shape.

Известно устройство для акустического контроля изделий, содержащее возбудитель вынужденных упругих колебаний изделия с изменяющейся частотой, а также приемник упругих колебаний с регистратором резонансных частот и вычислителем отклонений данных частот от их паспортных значений (см. а.с. СССР №690378, кл. G-01 №29/04,1977).A device for acoustic control of products containing the causative agent of forced elastic vibrations of the product with a changing frequency, as well as a receiver of elastic vibrations with a resonance frequency recorder and a calculator of deviations of these frequencies from their passport values (see AS USSR No. 690378, class G- 01 No. 29/04, 1977).

Недостатком данного устройства является значительная сложность и трудоемкость контроля, узкая область его применения вследствие необходимости знания для каждого неповрежденного изделия паспортных значений резонансных частот колебаний различных участков изделия.The disadvantage of this device is the significant complexity and complexity of the control, a narrow area of its application due to the need to know for each undamaged product the passport values of the resonant vibration frequencies of various sections of the product.

Известны также устройства для виброакустического контроля длинномерных конструкций, содержащие фиксатор локальных зон конструкции, размещенную в центре локальной зоны присоединенную массу, возбудитель вынужденных колебаний присоединенной массы и регистратор амплитуды ее колебаний (см. а.с. СССР №1226303, кл. G 01 №29/04, 1986; а.с. СССР №1396047, кл. G 01 №29/04, 1988).Also known are devices for vibro-acoustic monitoring of long structures, containing a clamp of local zones of the structure, an attached mass located in the center of the local zone, a causative agent of forced vibrations of the attached mass and a recorder of the amplitude of its vibrations (see AS USSR No. 1226303, class G 01 No. 29 / 04, 1986; AS USSR No. 1396047, class G 01 No. 29/04, 1988).

Недостатками данных устройств являются низкая производительность, ограниченные функциональные возможности, значительная вероятность повреждения конструкции в процессе контроля. Это объясняется необходимостью перезакрепления при каждом измерении присоединенной массы к новой локальной зоне, а также необходимостью подключения к передвигаемой энерционной массе возбудителя вынужденных колебаний и регистратора амплитуды колебаний. Кроме того, при упругих колебаниях дополнительно нагруженных присоединенной массой дефектных участков многократно увеличиваются динамические нагрузки на эти участки конструкции.The disadvantages of these devices are low productivity, limited functionality, a significant likelihood of structural damage during the control process. This is explained by the need to re-fasten each time the attached mass is measured to a new local zone, as well as the need to connect the forced oscillator and the oscillation amplitude recorder to the movable energy mass. In addition, during elastic vibrations of defective sections additionally loaded with an attached mass, the dynamic loads on these sections of the structure increase many times.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для виброакустического контроля одноосных конструкций, содержащее фиксатор локальных зон конструкции, а также разнесенные по разные стороны от контролируемого участка конструкции за пределы области перемещения локальных зон возбудитель вынужденных колебаний и регистратор их амплитуды (см. патент РФ №2170426, кл. G 01 №29/00, 1999), принятое за прототип.The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a device for vibroacoustic monitoring of uniaxial structures, containing a clamp of local zones of the structure, as well as a stimulated vibration exciter and a recorder of their amplitude spaced on different sides from the controlled section of the structure outside the region of movement of the local zones ( see RF patent No. 2170426, class G 01 No. 29/00, 1999), adopted as a prototype.

Недостатками устройства - прототипа являются ограниченные функциональные возможности и сравнительно узкая область применения, значительная вероятность повреждения конструкции в процессе контроля. Указанные недостатки объясняются практически невозможностью фиксации локальных зон в известном устройстве при контроле длинномерных конструкций со сложной формой поперечного сечения, и особенно - при различной вдоль длины конструкции форме поперечного сечения. Кроме того, использование известного устройства для фиксации локальных зон в вышеуказанных случаях может привести к повреждению контролируемой конструкции, особенно в случае наличия в ней микродефектов.The disadvantages of the prototype device are limited functionality and a relatively narrow scope, a significant likelihood of structural damage during the control process. These shortcomings are explained by the impossibility of fixing local zones in the known device when monitoring long structures with a complex cross-sectional shape, and especially when the cross-sectional shape is different along the length of the structure. In addition, the use of a known device for fixing local areas in the above cases can lead to damage to the controlled structure, especially in the case of microdefects.

Сущность изобретения заключается в создании устройства для виброакустического контроля длинномерных конструкций сложной формы, обеспечивающего возможность фиксации локальных зон конструкции в процессе контроля за счет равномерного объемного контактирования с элементами конструкции сыпучего ферромагнитного материала, приобретающего требуемые жесткостные характеристики под действием магнитного поля.The essence of the invention lies in the creation of a device for vibro-acoustic control of long structures of complex shape, which provides the possibility of fixing local zones of the structure during the control due to uniform volume contact with structural elements of bulk ferromagnetic material, acquiring the required stiffness characteristics under the influence of a magnetic field.

Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства, областей его применения и уменьшение вероятности повреждения конструкции в процессе контроля.The technical result is the expansion of the functionality of the device, its application areas and reducing the likelihood of structural damage in the control process.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для виброакустического контроля длинномерных конструкций, содержащем фиксатор локальных зон конструкции, а также разнесенные по разные стороны от контролируемого участка конструкции возбудитель вынужденных колебаний и регистратор их амплитуды, особенность заключается в том, что фиксатор локальных зон конструкции выполнен в виде охватывающей конструкцию катушки возбуждения, установленной на основании с возможностью перемещения вдоль конструкции в пределах контролируемого участка, а также соединенного с катушкой и расположенного непосредственно под ней резервуара, открытого сверху и частично заполненного ферромагнитным порошком.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known device for vibroacoustic monitoring of long structures containing a clamp of local zones of the structure, as well as a stimulated oscillator and a register of their amplitudes spaced on different sides of the controlled section of the structure, the feature is that the clamp local zones of the structure is made in the form of an excitation coil covering the structure, mounted on the base with the possibility of moving along the structure within the controlled area, as well as a reservoir connected directly to the coil and located directly below it, open from above and partially filled with ferromagnetic powder.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображено устройство для виброакустического контроля длинномерных конструкций сложной формы, общий вид с продольным разрезом; на фиг.2 - вид А на фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows a device for vibro-acoustic control of long structures of complex shape, a General view with a longitudinal section; figure 2 - a view of figure 1.

Предлагаемое устройство для виброакустического контроля длинномерных конструкций сложной формы 1, жестко установленных в опорах 2, содержит фиксатор локальных зон конструкции, а также разнесенные по разные стороны от контролируемого участка конструкции 1 за пределы области перемещения локальных зон возбудитель вынужденных колебаний последней в виде вибратора 3, подключенного к генератору 4 электрических сигналов, и регистратор амплитуды колебаний в виде датчика перемещений 5, последовательно подключенного к измерительному усилителю 6, при этом фиксатор локальных зон конструкции выполнен в виде охватывающей конструкцию катушки возбуждения 7 с обмоткой 8. На катушке 7 плотно с натягом закреплена втулка 9 с продольными пазами, в которых размещены продольные направляющие 10 основания 11, обеспечивающие возможность осевого перемещения катушки 7 вдоль конструкции 1 в пределах контролируемого участка. Непосредственно под катушкой 7 установлен открытый сверху резервуар 12, прикрепленный к катушке 7 специальной скобой 13, вставленной в отверстие втулки 9, и частично заполненный ферромагнитным порошком 14 (на фиг.1 и 2 показано рабочее состояние устройства при подаче тока в обмотку 8, когда порошок 14 втянут в осевое отверстие катушки 7 и фиксирует локальную зону конструкции 1).The proposed device for vibro-acoustic control of long structures of complex shape 1, rigidly installed in the supports 2, contains a latch of local zones of the structure, as well as an exciter of the forced vibrations of the latter in the form of a vibrator 3 connected on different sides of the controlled area of the structure 1 to the generator 4 of electrical signals, and the recorder of the amplitude of the oscillations in the form of a displacement sensor 5, connected in series to the measuring amplifier 6 wherein the retainer of the local zones of the structure is made in the form of a coil 7 surrounding the structure of the coil 7 with a winding 8. On the coil 7, a sleeve 9 with longitudinal grooves is tightly fixed with a longitudinal groove in which longitudinal guides 10 of the base 11 are placed, allowing axial movement of the coil 7 along structure 1 within the controlled area. Directly under the coil 7, a tank 12 is open at the top, attached to the coil 7 with a special bracket 13 inserted into the hole of the sleeve 9, and partially filled with ferromagnetic powder 14 (Figs. 1 and 2 show the operating state of the device when current is supplied to the winding 8 when the powder 14 is drawn into the axial hole of the coil 7 and fixes the local area of the structure 1).

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.The work of the proposed device is as follows.

Фиксируют на конструкции 1 локальную зону(зону контролируемого участка конструкции 1, размещенную в данный конкретный момент в осевом отверстии катушки возбуждения 7 и ограниченную шириной данной катушки) путем подачи в обмотку 8 электрического сигнала, сопровождающейся втягиванием ферромагнитного порошка 14 из открытого сверху резервуара 12 в осевой зазор катушки 7 и соответственно равномерной объемной фиксацией с заранее заданной степенью жесткости вышеуказанным порошком локальной зоны конструкции 1( как известно, ферромагнитный порошок приобретает в магнитных полях при определенных значениях индукции свойства, близкие к свойствам твердого тела с требуемыми жесткостными характеристиками, что широко используется, например, в муфтах, тормозных устройствах и т.п.). Последовательно перемещают катушку возбуждения 7, а следовательно и локальную зону вдоль контролируемого участка конструкции 1, для чего периодически обесточивают обмотку 8, вызывая осыпание ферромагнитного порошка обратно в резервуар 12, производят осевые смещения катушки 7 в направляющих 10 основания 11 на заданный шаг, после чего опять запитывают обмотку 8 и фиксируют тем самым новую локальную зону. В каждом положении локальной зоны с помощью вибратора 3 прикладывают гармоническую силу с постоянной амплитудой и частотой, возбуждая тем самым вынужденные упругие колебания конструкции 1. При этом с противоположной от контролируемого участка конструкции 1 стороны датчиком перемещений 5 с измерительным усилителем 6 измеряют амплитуду возбуждаемых вынужденных колебаний и контролируют характер изменения данной амплитуды при перемещении локальных зон вдоль конструкции 1. В процессе контроля фиксируют момент скачкообразного изменения амплитуды измеряемых колебаний и по данному моменту определяют местоположение локальной зоны с дефектом.The local zone is fixed on the structure 1 (the zone of the monitored section of the structure 1, located at this particular moment in the axial hole of the excitation coil 7 and limited by the width of this coil) by applying an electrical signal to the winding 8, accompanied by the retraction of the ferromagnetic powder 14 from the axial reservoir 12 open from above the gap of the coil 7 and, accordingly, uniform volumetric fixation with a predetermined degree of rigidity by the above powder of the local zone of structure 1 (as is known, ferromagnetic porosity approx acquires magnetic fields at certain values of inducing properties similar to the properties of a solid body with the desired rigidity characteristics that are widely used, for example in clutches, brakes, etc.). The excitation coil 7 is sequentially moved, and therefore the local zone along the controlled section of the structure 1, for which the winding 8 is periodically de-energized, causing the ferromagnetic powder to fall back into the reservoir 12, axial displacements of the coil 7 in the guides 10 of the base 11 by a predetermined step are made, and then again energize the winding 8 and thereby fix a new local area. In each position of the local zone, using a vibrator 3, a harmonic force is applied with a constant amplitude and frequency, thereby causing forced elastic vibrations of the structure 1. At the same time, the amplitude of the excited forced vibrations is measured from the opposite side from the controlled section of the structure 1 of the sensor 5 with a measuring amplifier 6, and they control the nature of the change in this amplitude when moving local zones along structure 1. In the process of monitoring, the moment of a jump change in am plates of measured oscillations and at this moment determine the location of the local zone with a defect.

Принцип действия предложенного устройства состоит в следующем. Согласно принципу контроля место дефекта, расположенное на контролируемом участке конструкции 1, находится между местами возбуждения и регистрации вынужденных колебаний конструкции. Результирующая изгибная жесткость всей конструкции определяется жесткостью локальной зоны, зажатой фиксатором (ферромагнитным порошком 14), жесткостью всей остальной части конструкции 1 без дефектов, и самое главное жесткостью локальной зоны с дефектом. Очевидно, что данной результирующей изгибной жесткостью будет определяться коэффициент передачи амплитуды колебаний конструкции 1 от места возбуждения колебаний до места их регистрации. До тех пор, пока фиксатор локальных зон находится в бездефектной зоне конструкции 1, результирующая жесткость конструкции 1, а следовательно и регистрируемая амплитуда вынужденных колебаний конструкции практически не меняется. Однако в момент попадания фиксатора (катушки 7 с ферромагнитным порошком 14 в осевом зазоре) на локальную зону с дефектом данный локальный участок из общей жесткостной схемы конструкции 1 автоматически выключается и жесткость данного участка практически определяется изгибной жесткостью фиксатора (при заданных параметрах катушку 7 вместе с ферромагнитным порошком 14 в осевом зазоре и зафиксированным локальным участком конструкции можно рассматривать как одно абсолютно твердое тело). При этом результирующая жесткость конструкции скачком изменяется, также скачком изменяется коэффициент передачи амплитуды колебаний от места возбуждения до места регистрации.The principle of operation of the proposed device is as follows. According to the principle of control, the place of the defect located on the controlled section of the structure 1 is located between the places of excitation and registration of forced vibrations of the structure. The resulting bending stiffness of the entire structure is determined by the stiffness of the local zone clamped by the retainer (ferromagnetic powder 14), the stiffness of the rest of the structure 1 without defects, and most importantly, the stiffness of the local zone with the defect. It is obvious that this resulting bending stiffness will determine the coefficient of transmission of the vibration amplitude of structure 1 from the place of excitation of the vibrations to the place of their registration. As long as the latch of local zones is in the defect-free zone of structure 1, the resulting stiffness of structure 1, and therefore the recorded amplitude of the forced vibrations of the structure, does not practically change. However, at the moment the latch (coil 7 with ferromagnetic powder 14 in the axial clearance) hits the local zone with a defect, this local section from the general stiffness circuit of structure 1 is automatically turned off and the stiffness of this section is practically determined by the bending stiffness of the latch (for given parameters, coil 7 together with ferromagnetic powder 14 in the axial clearance and a fixed local area of the structure can be considered as one absolutely solid). In this case, the resulting structural rigidity changes abruptly, and the coefficient of transmission of the oscillation amplitude also abruptly changes from the place of excitation to the registration place.

Очевидно, что предложенное устройство характеризуется предельной простотой, высокой производительностью, расширенными функциональными возможностями и областями применения, уменьшает вероятность повреждения конструкции в процессе контроля. Устройство позволяет оперативно осуществлять контроль практически при любой самой сложной форме поперечного сечения длинномерных конструкций, в том числе - при изменяющейся форме поперечного сечения вдоль длины конструкции. Устройство позволяет предельно быстро произвести фиксацию локального участка любой формы, причем равномерно по всему объему участка без опасности повреждения конструкции и с заранее заданной степенью жесткости.It is obvious that the proposed device is characterized by extreme simplicity, high performance, advanced functionality and applications, reduces the likelihood of structural damage in the control process. The device allows you to quickly monitor almost any very complex cross-sectional shape of long structures, including with a changing cross-sectional shape along the length of the structure. The device allows you to quickly fix the local area of any shape, evenly throughout the entire area without the risk of structural damage and with a predetermined degree of rigidity.

Claims

A device for vibro-acoustic control of long structures of complex shape, containing a retainer of local design zones, as well as a stimulated oscillator and an amplitude recorder spaced apart on different sides of the structural section, characterized in that the clamp of local design zones is made in the form of a drive coil installed around the structure based on the ability to move along the structure within the controlled area, as well as connected to the coil and a tank placed directly below it, open at the top and partially filled with ferromagnetic powder.