close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11980

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 11980
(13) C1
(19)
G 01N 27/72
СПОСОБ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ФЕРРОМАГНИТНОГО ИЗДЕЛИЯ В ФОРМЕ ПОЛОГО ЦИЛИНДРА,
СВЯЗАННЫХ С ЕГО МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
(21) Номер заявки: a 20071034
(22) 2007.08.17
(43) 2009.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт машиностроения Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сандомирский Сергей Григорьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2051380 C1, 1995.
BY 1349 C1, 1996.
BY 7879 C1, 2006.
SU 1195313 A, 1985.
JP 1299455 A, 1989.
BY 11980 C1 2009.06.30
(57)
Способ магнитного контроля механических свойств ферромагнитного изделия в форме полого цилиндра с отношением λ длины к наружному диаметру и отношением h толщины стенки к наружному радиусу, связанных с его магнитными свойствами, в котором
определяют коэрцитивную силу HCS, остаточную намагниченность MR и намагниченность
насыщения MS материала изделия на предельной петле гистерезиса его намагничивания,
затем намагничивают изделие параллельно либо ортогонально образующей цилиндра
магнитным полем, напряженность которого He удовлетворяет выражению
Фиг. 2
BY 11980 C1 2009.06.30


1
H e = H CS 
  πM
R
 tg
  2M S


NM S  2 δ 


,
+
1−
π 
H CS 

 δ



где δ ≤ 0,1 - допустимая погрешность измерения магнитного параметра;
N - размагничивающий фактор изделия, рассчитанный в соответствии с выражением
N = h (2 − h )N ц (λ ) при условии намагничивания параллельно образующей цилиндра и при
λ ≥ 0,2 либо в соответствии с выражением N = h (1 − N ц (λ )) / 2 при намагничивании ортогонально образующей цилиндра;
Nц(λ) - размагничивающий фактор сплошного цилиндра с отношением λ длины к диаметру при намагничивании параллельно образующей, определяемый в соответствии с выражением
N ц (λ ) = Э(λ )
Э(λ ) =
Э(λ ) =
1 + 2,35 ln(1 + 0,137λ )
;
1 + 2,28 ln (1 + 0,284λ )


λ
λ
1
−
arccos

 при 0 ≤ λ < 1;
1 − λ2 

1 − λ2
1

λ
 λ + λ2 − 1  − 1 при λ > 1,
1
−
ln

 
λ2 − 1 
λ2 − 1 
1
измеряют величину магнитного параметра, в качестве которого выбирают коэрцитивную
силу или остаточную намагниченность материала изделия после его намагничивания указанным полем, и определяют искомые свойства изделия в соответствии с измеренной величиной.
Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электрических
или магнитных средств.
Известен способ магнитного контроля механических свойств ферромагнитного изделия в форме полого цилиндра, связанных с его магнитными свойствами [1], заключающийся в том, что изделие намагничивают в замкнутой магнитной цепи и измеряют
остаточную магнитную индукцию в изделии. Недостатком способа является низкая производительность контроля, связанная с тем, что изделие при намагничивании в замкнутой
магнитной цепи и измерении должно покоиться.
Известен способ магнитного контроля механических свойств ферромагнитного изделия
в форме полого цилиндра, связанных с его магнитными свойствами [2], заключающийся
в том, что контролируемое изделие в процессе движения намагничивают в магнитном поле
в разомкнутой магнитной цепи и измеряют магнитный параметр изделия, по величине
которого судят о контролируемых свойствах. В конкретных вариантах применения
способа в качестве измеряемого магнитного параметра используют остаточную магнитную индукцию в изделии, однозначно связанную с коэрцитивной силой его материала,
либо непосредственно коэрцитивную силу материала изделия [3]. При измерении магнитного параметра изделия используют интегрирование однополярных импульсов ЭДС индукционных измерительных преобразователей, поэтому изменения скорости движения
изделий не ухудшают точность контроля. Коэрцитивная сила материала изделия, а также
однозначно с нею связанная остаточная магнитная индукция (поток) в изделии являются
2
BY 11980 C1 2009.06.30
наиболее структурно чувствительными параметрами, что обеспечивает высокую достоверность контроля механических свойств изделий из многих материалов.
Недостаток способа в невысокой надежности и чрезмерном энергопотреблении в процессе контроля либо в недостаточной его достоверности. Это обусловлено отсутствием
методики выбора режима намагничивания (напряженности He внешнего намагничивающего поля), обеспечивающего при контроле конкретных изделий измерение магнитного
параметра с погрешностью, не выше заданной. Погрешность измерения магнитного параметра при малой величине He обусловлена влиянием магнитной предыстории изделия и
спецификой зависимости измеряемого магнитного параметра при He = const от коэрцитивной силы предельной петли магнитного гистерезиса материала контролируемого изделия (которая и является структурно чувствительным параметром). Увеличение He снижает
погрешность измерения магнитного параметра, повышая тем самым достоверность контроля, но чрезмерное для конкретного изделия увеличение He ухудшает условия движения
изделий при контроле, снижая его надежность (повышает вероятность зависания изделий
в преобразователе), приводит к резкому увеличению энергопотребления в процессе контроля для создания намагничивающего поля He.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ магнитного контроля механических свойств ферромагнитного изделия в форме полого цилиндра, связанных с его магнитными свойствами [4], заключающийся в том, что изделие
намагничивают магнитным полем, напряженность He которого устанавливают удовлетворяющей уравнению


1
H e ≈ H CS 
  πM
R
 tg
2
M
S
 


NM S  2 δ 
1 −
 ,
+
π 
H CS 

 δ



(1)
где δ ≤ 0,1 - допустимая погрешность измерения магнитного параметра, HCS, MS, MR - коэрцитивная сила, намагниченность насыщения и остаточная намагниченность материала
изделия, N - его размагничивающий фактор.
Снижение энергетических затрат на контроль изделий достигается благодаря тому,
что намагничивание изделий в процессе контроля осуществляется минимально допустимым магнитным полем He, гарантирующим контроль изделий по коэрцитивной силе их
материала или остаточной намагниченности с погрешностью не выше заданной.
Недостаток способа заключается в невысокой его достоверности либо в низкой надежности и чрезмерном энергопотреблении при контроле изделий, имеющих форму полых цилиндров. Это обусловлено отсутствием методики достоверного расчета размагничивающего фактора N таких изделий во всем возможном диапазоне изменения их размеров при
намагничивании параллельно или перпендикулярно образующей. Известные методики и
аналитические выражения для такого расчета не пригодны для использования в технических
расчетах в силу их физической несостоятельности, не достаточной точности и чрезмерной сложности. Погрешность измерения магнитного параметра при конечной величине He
обусловлена влиянием магнитной предыстории изделия и спецификой зависимости измеряемого магнитного параметра при He = const от HCS материала контролируемого изделия.
Увеличение He снижает погрешность измерения магнитного параметра, повышая тем самым достоверность контроля, но чрезмерное для конкретного изделия увеличение He
ухудшает условия движения изделий при контроле, снижая его надежность (повышает вероятность зависания изделий в преобразователе), приводит к резкому увеличению энергопотребления при контроле для создания намагничивающего поля He.
Задачей изобретения является повышение достоверности и надежности контроля изделий, имеющих форму полых цилиндров, при снижении энергозатрат на контроль за счет
3
BY 11980 C1 2009.06.30
исключения погрешности измерения магнитного параметра из-за намагничивания изделия
полем недостаточной напряженности и снижения вероятности зависания изделий на выходе из области с намагничивающим полем из-за намагничивания изделий полем, напряженность которого превышает оптимальную.
Задача решена в способе магнитного контроля механических свойств ферромагнитного
изделия в форме полого цилиндра с отношением λ длины к наружному диаметру и отношением h толщины стенки к наружному радиусу, связанных с его магнитными свойствами, в
котором определяют коэрцитивную силу HCS, остаточную намагниченность MR и намагниченность насыщения MS материала изделия на предельной петле гистерезиса его намагничивания, затем намагничивают изделие параллельно либо ортогонально образующей
цилиндра магнитным полем, напряженность которого He удовлетворяет выражению


1
H e ≈ H CS 
  πM
R
 tg
2
M
S
 


NM S  2 δ 
1 −
 ,
+
π 
H CS 

 δ



(1)
где δ ≤ 0,1 - допустимая погрешность измерения магнитного параметра;
N - размагничивающий фактор изделия, рассчитанный в соответствии с выражением
N ≈ h(2-h) NЦ (λ)
(2)
при намагничивании параллельно образующей цилиндра и при λ ≥ 0,2 либо в соответствии с выражением
N≈
[
]
h
1 − N Ц (λ )
2
(3)
при намагничивании ортогонально образующей цилиндра;
NЦ (λ) - размагничивающий фактор сплошного цилиндра с отношением λ длины к
диаметру при намагничивании параллельно образующей, определяемый в соответствии с
выражением
N Ц (λ ) = Э(λ )
Э(λ ) =
Э(λ ) =
1 + 2,35 ln (1 + 0,137λ )
;
1 + 2,28 ln (1 + 0,284λ )

λ
1 
arccos λ  при 0 ≤ λ < 1 ;
1 −
2
1− λ 
1 − λ2

)
(

1  λ
ln λ + λ2 − 1 − 1 при λ > 1 ,
 2
−1  λ −1

λ2
(4)
(5)
(6)
измеряют величину магнитного параметра, в качестве которого выбирают коэрцитивную
силу или остаточную намагниченность материала изделия после его намагничивания указанным полем, и определяют искомые свойства изделия в соответствии с измеренной величиной.
Снижение энергетических затрат на контроль изделий, имеющих форму полых цилиндров, и повышение достоверности и надежности их контроля достигается благодаря
тому, что намагничивание изделий в процессе контроля осуществляется минимально допустимым магнитным полем He, гарантирующим контроль изделий по коэрцитивной силе
их материала или остаточной намагниченности с погрешностью не выше заданной.
Предложенное изобретение поясняется таблицами, графиками и чертежами.
4
BY 11980 C1 2009.06.30
В табл. 1 и 2 сопоставлены результаты расчета размагничивающего фактора N полых
цилиндров при намагничивании параллельно образующей по предложенному соотношению (2) и известным соотношениям с экспериментальными результатами, полученными
различными авторами.
В табл. 3 сопоставлены результаты расчета размагничивающего фактора N полых цилиндров при намагничивании ортогонально образующей по предложенному соотношению
(3) с экспериментальными результатами.
На фиг. 1 сопоставлены функциональные зависимости размагничивающего фактора N
полых цилиндров при намагничивании ортогонально образующей от изменения их λ при
h = 0,1 (а) и h = 0,5 (б) по предложенному соотношению (3) и известным аналитическим
выражениям.
На фиг. 2 представлены два варианта устройств, предназначенных для реализации
способа. Позициями № № 1-7 обозначены: 1 - направляющая, 2 - намагничивающая катушка, 3 - регулируемый источник намагничивающего тока, 4 и 4' - индукционные измерительные катушки, 5 - блок обработки сигналов и вычисления, 6 - исполнительный
механизм, 7 - контролируемое изделие.
Обоснование предложенного способа заключается в следующем.
При намагничивании ферромагнитного изделия в разомкнутой магнитной цепи магнитным полем He, напряженность которого установлена в зависимости от магнитных
свойств и размеров изделия в соответствии с аналитическим выражением (1), удается
обеспечить намагничивание изделий в процессе контроля минимально допустимым магнитным полем, гарантирующим контроль изделий по коэрцитивной силе их материала
или остаточной намагниченности с погрешностью не выше заданной. Необходимым условием достижения этого является подстановка в выражение (1) достаточно точного значения основного параметра, характеризующего размеры контролируемого изделия - его
размагничивающего фактора N.
Точный расчет N возможен только для однородно намагничиваемых тел. Если моделью изделия может быть эллипсоид вращения с отношением осей λ, для расчета его размагничивающего фактора N = Э(λ) можно воспользоваться точными формулами (5) и (6).
Если моделью изделия может быть цилиндр с отношением λ длины к диаметру из материала с высокой магнитной проницаемостью µ >> 1, для расчета его N можно воспользоваться различными аппроксимирующими выражениями. Анализ наиболее полных
исследований размагничивающего фактора цилиндрических стержней показал, что для
практических расчетов размагничивающего фактора (центрального коэффициента размагничивания) NЦ цилиндра следует рекомендовать интерполирующее выражение (4). Точность интерполяции (4) результатов измерения NЦ, полученных различными авторами во
всем практически важном диапазоне изменения λ, следует признать высокой.
Физической моделью многих стальных и чугунных изделий и заготовок, физикомеханические свойства и структура которых контролируются магнитным методом, может
быть полый цилиндр (трубка) из ферромагнитного материала. Однако методики достоверного расчета размагничивающего фактора N таких изделий во всем возможном диапазоне
изменения их размеров при намагничивании параллельно или ортогонально образующей
отсутствуют. Известные методики и аналитические выражения для такого расчета не пригодны для использования в расчетах требуемой напряженности намагничивающего поля
He по аналитическому выражению (1) в силу их физической несостоятельности, не достаточной точности и чрезмерной сложности.
Так, распространенной является рекомендация [5] вычисления N стержней произвольного сечения так же, как цилиндра, площадь сечения которого равна площади сечения
стержня. При использовании такого подхода для вычисления N полого цилиндра получим:
5
BY 11980 C1 2009.06.30
N = NЦ (λэф), где λэф =
λ
.
h (2 − h )
(7)
Этот подход оправдал себя для расчета N стержней произвольного профиля сечения,
однако для полых цилиндров (особенно коротких - при λ ≤ 10) приводит к чрезмерно завышенным результатам (см. табл. 1). Погрешность расчета σ в табл. 1 вычислялась по формуле:
σ, % = 100 % × (NЦрасчет - NЦэксперимент) / NЦэксперимент.
Погрешность σ расчета N полого цилиндра по (7) возрастает с уменьшением его длины в исследованном диапазоне изменения λ и h и достигает максимума в +73 % при
λ ≈ 1,3 (образец № 3 в табл. 1). Большая погрешность расчета по сравнению с экспериментальными данными в практически важном диапазоне изменения λ и h делает применение
(7) для расчета N конкретных изделий не целесообразным. Использование результатов
расчета N полого цилиндра по (7) для расчета требуемой напряженности намагничивающего поля He по (1) приведет к низкой надежности контроля из-за повышения вероятности
зависания изделий при выходе из зоны действия намагничивающего поля, чрезмерному
энергопотреблению и перегреву средств создания намагничивающего поля He.
Таблица 1
Сопоставление результатов измерения N трубок по [6 - 8] с расчетом по (7), (8) и (2)
№
пп
Ист.
инф.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
[6]
[6]
[6]
[6]
[6]
[6]
[7]
[8]
[8]
[8]
Размеры
образцов, мм
Обобщенные
параметры
L
D
Н
λ
h
N
Эксперимент
25,5
20,1
40,7
39,0
59,0
85,9
270
76,0
60,0
100
41,7
20,2
30,0
26,2
26,2
26,2
40,0
2,7
2,0
2,0
5,1
5,1
2,75
3,1
3,1
3,1
5,0
0,15
0,10
0,10
0,612
0,995
1,357
1,489
2,252
3,416
6,75
28,15
30,0
50,0
0,245
0,505
0,183
0,237
0,237
0,237
0,25
0,111
0,100
0,100
0,2037
0,2208
0,0634
0,0755
0,0457
0,0270
0,01114
0,000641
0,000551
0,000232
Отклонение σ, % результатов
расчета и эксперимента
Расчет
Расчет
Расчет
по (7)
по (2)
по (8)
+44,3
-14,0
-61,7
+10,5
-4,6
-48,4
+72,6
+5,8
-37,8
+51,0
+3,3
-36,4
+46,6
+7,5
-27,8
+40,7
+7,4
-22,2
+34,6
+7,7
-16,5
+29,2
-1,6
-18,4
+24,1
-6,5
-22,5
+22,8
-4,2
-22,8
D, L, Н - соответственно наружный диаметр, длина и толщина стенки полого цилиндра.
В [9] расчет размагничивающего поля на оси полого ферромагнитного цилиндра предложено вести с использованием "условного" коэффициента размагничивания, равного
разности коэффициентов размагничивания цилиндров, имеющих диаметры, равные наружному и внутреннему диаметрам полого цилиндра. Такой подход позволяет получить
для N полого цилиндра:
N = NЦ (λ) - NЦ (λ'), где λ' =
λ
.
1− h
(8)
Расчет N полого цилиндра по (8) приводит к существенно заниженным значениям (см.
табл. 1). Погрешность расчета возрастает с уменьшением λ. Поэтому применение (8) для
расчета по (1) напряженности намагничивающего поля N коротких полых цилиндров не
целесообразно в силу низкой достоверности контроля таких изделий при их намагничивании полем, напряженность которого рассчитана по (1).
6
BY 11980 C1 2009.06.30
Напротив (см. табл. 1), расчет N полого цилиндра по предложенному аналитическому
выражению (2) обеспечивает хорошее совпадение с экспериментальными результатами.
Практически во всем исследованном диапазоне изменения λ и h полых цилиндров расхождение с экспериментальными данными не превышает ±7,5 %. Это находится в пределах
возможной в силу влияния различных факторов погрешности экспериментов.
Сложное (содержащее не берущиеся двойные интегралы) аналитическое выражение
для расчета N полых цилиндров, предложенное в [10], также не пригодно для использования в технических расчетах N коротких полых цилиндров из-за его чрезмерной сложности
и недостаточной точности описания экспериментальных результатов, связанных с методическими допущениями при выборе расчетной модели.
Сопоставление результатов расчета N полых цилиндров по предложенному аналитическому выражению (2) с экспериментальными результатами, представленными в [10],
проведено в табл. 2.
Таблица 2
Сопоставление результатов расчета N полых цилиндров по (2)
с экспериментальными результатами по [10]* и [11]**
h
1
0,8
0,6
0,4
0,3
0,2
0,1
λ
0,2
0,709
0,681
0,51
1
0,276
0,257*
0,265
0,2509*
2
0,134
0,125*
0,129
0,1213*
3
0,082
0,0782*
0,056
0,079
0,0741*
0,054
0,041
0,0407*
0,026
0,0254*
0,015
0,01495*
0,0814
0,0794*
0,040
0,0389*
0,025
0,0245*
0,014
0,01455*
0,007816
0,255
0,26**
0,191
0,17**
0,099
0,0975*
0,082**
0,048
0,0451*
0,042**
0,029
0,02807*
0,020
0,021**
0,015
0,01459*
0,0092
0,00995*
0,0054
0,00527*
0,00293
0,002499*
0,135
0,532
0,452
0,4**
0,34
0,29**
0,177
0,1726*
0,15**
0,086
0,0814*
0,08**
0,052
0,05*
0,036
0,038**
0,026
0,02621*
0,016
0,01592*
0,0097
0,00943*
0,0052
0,005*
0,362
0,4
0,595
0,5**
0,446
0,36**
0,232
0,2161*
0,19**
0,113
0,1053*
0,1**
0,069
0,0649*
0,047
0,5**
0,035
0,0337*
0,021
0,02133*
0,013
0,01249*
0,006839
4
5
7
10
15
0,271
0,147
0,1296*
0,069
0,0633*
0,042
0,0391*
0,029
0,021
0,02009*
0,013
0,01235*
0,0077
0,00721*
0,004152
0,00375*
0,101
0,053
0,0483*
0,026
0,02416*
0,016
0,01477*
0,011
0,0078
0,00797*
0,00485
0,00462*
0,00287
0,002372*
0,001547
Представленные результаты показывают, что предложенное аналитическое выражение (2) с высокой (достаточной для практики) точностью описывает все экспериментальные точки, в том числе и при λ = 0,2. Это представляется особенно важным, так как при
λ→0 рассчитанная по (2) величина N стремится не к 1 для любого h ≠ 0, а к значению h(2-h),
что физически не верно. Тем не менее, как показывают представленные в табл. 1 и 2 результаты, это никак не сказывается на высокой точности описания экспериментальных
данных измерения N полых цилиндров, намагниченных параллельно образующей, в практически важном диапазоне изменения их λ (0,2 ≤ λ ≤ 15). Диапазон изменения λ полых
цилиндров λ ≤ 0,2 при намагничивании параллельно образующей представляется практи7
BY 11980 C1 2009.06.30
чески не важным для целей настоящего изобретения, так как в этом диапазоне изменения
λ значение N полых цилиндров становится (см. табл. 2) больше 0,2 и далее стремится к 1,
что приводит к чрезмерному (практически не реализуемому в средствах неразрушающего
контроля) значению требуемой для намагничивания изделий из любых конструкционных
ферромагнитных материалов напряженности намагничивающего поля He, рассчитанного
по (1). В этом случае контролируемые изделия целесообразно намагничивать в направлении, ортогональном их образующей.
Аналитические выражения для расчета N полых ферромагнитных цилиндров, намагничиваемых ортогонально образующей, получаемые из формул, рекомендуемых для расчета проницаемости формы m кольцевых сердечников феррозондов, пригодны для
использования только в узком диапазоне малых λ и h. Например, из полуэмпирической
формулы, предложенной в [12] для вычисления m, получим для расчета N полых ферромагнитных цилиндров, намагничиваемых ортогонально образующей:
1,5
1  λh 
 .
N ≈ 
4  1 − 0,5h 
(9)
Расчет [12] относительной чувствительности кольцевого феррозонда от относительной
напряженности поля возбуждения по формулам, использующим (9), по сообщению авторов, хорошо согласуется с экспериментальными данными лишь при 0,0002 ≤ λ ⋅ h ≤ 0,25.
Аналитическое выражение (9) и другие известные принципиально пригодны лишь для
расчета N полых ферромагнитных цилиндров, намагничиваемых ортогонально образующей, лишь в узкой области малых значений λ и h. С увеличением λ они не только не обеспечивают необходимой точности расчета, но и теряют физический смысл. Наглядно это
показывают результаты сопоставления функциональных зависимостей размагничивающего
фактора N полых цилиндров от изменения их λ при h = 0,1 и h = 0,5 при намагничивании
ортогонально образующей по предложенному соотношению (3) и известным аналитическим выражениям, представленные на фиг. 1 (номер кривой на фиг. 1 соответствует номеру расчетной формулы).
В соответствии с проведенным в табл. 3 на основе экспериментальных данных [13]
анализом погрешности расчета N экспериментальных образцов по различным аналитическим выражениям точность расчета N полых ферромагнитных цилиндров, намагничиваемых ортогонально образующей, по (9) следует признать удовлетворительной лишь при λ,
h < 0,3. При дальнейшем увеличении λ и h погрешность расчета N по (9) возрастает до сотен процентов. Поэтому использовать их для расчета N полых ферромагнитных цилиндров, намагничиваемых ортогонально образующей, в диапазоне изменения их размеров,
соответствующих цели настоящего изобретения, нельзя. Другие известные формулы
обеспечивают еще худшее совпадение расчета и эксперимента. Наилучшее описание экспериментальных результатов во всем представленном диапазоне изменения параметров λ
и h экспериментальных образцов обеспечивает расчет их N по предложенному аналитическому выражению (3).
В [14] для λ > 0,25, h << 1 предложено пользоваться эмпирической формулой для расчета m экрана, на основании которой получим:
N≈
λh
.
2(λ + 0,345)
(10)
Формула (10) не теряет физического смысла во всем возможном диапазоне изменения λ
и h. При этом результаты расчета N полых ферромагнитных цилиндров, намагничиваемых
ортогонально образующей, по (10) при λ, h < 0,3 близки к результатам расчета по специально для этого случая разработанному аналитическому выражению (9). Но при λ ≤ 1 по
8
BY 11980 C1 2009.06.30
мере увеличения h результат расчета по (10) N полых ферромагнитных цилиндров, намагничиваемых ортогонально образующей, становится явно завышенным. Его использование
для расчета требуемой напряженности намагничивающего поля He по (1) приведет к снижению надежности контроля и чрезмерному энергопотреблению. Этот диапазон изменения размеров полых цилиндров важен для реализации целей настоящего изобретения.
Представленные в табл. 3 и на фиг. 1 результаты показывают, что предложенная формула (3) с достаточной для практики точностью (с учетом проведенного анализа методической погрешности экспериментов [13] ) описывает все экспериментальные точки и физиически правильно представляет характер изменения N полых ферромагнитных цилиндров,
намагничиваемых ортогонально образующей, во всем диапазоне изменения 0 ≤ λ ≤ ∞ и
0≤ h ≤ 1.
Таблица 3
Размеры экспериментальных образцов кольцевой формы
и результаты измерения (по [13]) и расчета их размагничивающего фактора N
при намагничивании ортогонально образующей
№№ образцов
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
По [13]
9
8
7
18
25
6
5
24
23
17
16
4
15
22
14
13
3
2
12
21
1
20
11
Размеры, мм
D
100,0
90,0
90,0
70,0
90,0
50,0
50,0
70,0
70,0
90,0
80,0
50,0
70,0
50,0
60,0
50,0
50,0
50,0
40,0
40,0
50,0
50,0
30,0
H
4,0
5,0
6,0
2,0
2,0
5,0
6,0
2,0
2,5
6,0
6,0
10,0
6,0
3,0
6,0
6,0
14,0
16,0
6,0
4,0
20,0
6,0
6,0
L
5,0
5,0
6,0
5,0
8,0
5,0
5,0
10,0
10,0
15,0
15,0
10,0
15,0
12,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
16,0
20,0
25,0
15,0
Параметры
λ
0,05
0,0556
0,0667
0,0714
0,0889
0,1
0,1
0,143
0,143
0,167
0,1875
0,2
0,214
0,24
0,25
0,3
0,3
0,3
0,375
0,4
0,4
0,5
0,5
h
0,08
0,111
0,133
0,0571
0,0444
0,2
0,24
0,0571
0,0714
0,133
0,15
0,4
0,1714
0,12
0,2
0,24
0,56
0,64
0,3
0,2
0,8
0,24
0,4
Nэксп.
по [13]
0,004
0,006
0,009
0,004
0,003
0,016
0,020
0,006
0,008
0,017
0,019
0,048
0,023
0,017
0,029
0,038
0,080
0,090
0,054
0,037
0,150
0,047
0,079
Результаты расчета N
по формулам
(9)
(10)
(3)
.00423 .00506 .00353
.00600 .00770 .0054
.00801
.011
.00765
.00421 .00490 .00350
.00407 .00455 .00330
.016
.022
.016
.018
.027
.020
.00709 .00837 .00637
.00848 .00100 .00797
.016
.022
.017
.019
.026
.021
.053
.073
.058
.024
.033
.026
.019
.025
.020
.031
.042
.034
.042
.056
.047
.107
.130
.109
.129
.149
.125
.062
.078
.068
.044
.054
.047
.229
.215
.187
.062
.071
.064
.104
.118
.106
Анализ представленных на фиг. 1 графиков показывает, что при λ, h ≤ 0,3 результаты
расчета N по (3) практически совпадают с результатами расчета N по специально для этого случая предназначенному аналитическому выражению (9). Формула (10) дает в этом
диапазоне существенно завышенные результаты. С увеличением h физически верные (и
наилучшим образом совпадающие с экспериментом) результаты могут быть получены при
использовании только аналитического выражения (3). При дальнейшем увеличении λ физически верные и весьма близкие (фиг. 1б) результаты могут быть получены при вычисле9
BY 11980 C1 2009.06.30
нии N по (10) и (3). Это делает целесообразным использование формулы (3) для расчета N
конкретных изделий, имеющих форму полых цилиндров, во всем возможном диапазоне
изменения их λ и h.
Таким образом, использование предложенных для расчета размагничивающего фактора N полых цилиндров из ферромагнитных конструкционных материалов при их намагничивании в направлениях параллельно и перпендикулярно образующей аналитических
выражений (2) и (3) позволяет рассчитать по аналитическому выражению (1) напряженность магнитного поля He, требуемого для намагничивания изделий, имеющих форму полого цилиндра, при контроле их физико-механических свойств магнитным методом. При
этом будет обеспечено повышение достоверности и надежности контроля изделий,
имеющих форму полых цилиндров, при снижении энергозатрат на контроль за счет исключения погрешности измерения магнитного параметра из-за намагничивания изделия
полем недостаточной напряженности и снижения вероятности зависания изделий на выходе из области с намагничивающим полем из-за намагничивания изделий полем, напряженность которого превышает оптимальную.
Устройства, предназначенные для реализации предложенного способа, функциональные схемы которых представлены на фиг. 2, содержат направляющую 1, вдоль которой
движутся контролируемые изделия 7 в процессе контроля, намагничивающую катушку 2,
охватывающую направляющую 1 и подключенную к регулируемому источнику 3 намагничивающего тока, индукционные измерительные катушки 4 и 4', охватывающие
направляющую 1, расположенные за намагничивающей катушкой 2 по ходу движения
контролируемых изделий 7 и подключенные к блоку 5 обработки сигналов и вычисления,
который управляет исполнительным механизмом 6, осуществляющим сортировку контролируемых изделий 7 на годные и брак по результатам контроля.
Направляющая 1 устройства (фиг. 2а), осуществляющего контроль изделий 7 при их
намагничивании параллельно образующей, имеет форму полого цилиндра, внутренний
диаметр которого несколько превышает наружный диаметр контролируемого изделия 7
для обеспечения его свободного падения вдоль направляющей 1 в процессе контроля. В
этом случае устройство содержит одну индукционную измерительную катушку 4, плоскость расположения витков которой ортогональна продольной оси направляющей 1.
Направляющая 1 устройства (фиг. 2б), осуществляющего контроль изделий 7 при их
намагничивании ортогонально образующей, имеет форму полого параллелепипеда, размеры внутренних сторон поперечного сечения которого несколько превышают диаметр и
длину контролируемого изделия 7 для обеспечения его свободного падения вдоль направляющей 1 в процессе контроля. В этом случае устройство содержит две индукционные
измерительные катушки 4 и 4', плоскости расположения витков которых ортогональны и
составляют с продольной осью направляющей 1 углы ± 45°.
Работают устройства следующим образом. Контролируемые изделия 7 при помощи,
например, не показанного на фиг. 2 автоматического загрузочного устройства подаются в
направляющую 1 и движутся вдоль нее под действием силы тяжести. В процессе своего
движения контролируемые изделия 7 пересекают область расположения намагничивающей катушки 2 и намагничиваются в создаваемом ею магнитном поле. В соответствии с
настоящим изобретением напряженность Не намагничивающего поля в центре намагничивающей катушки 2 при помощи регулируемого источника 3 намагничивающего тока устанавливают для конкретного типа изделий в соответствии с аналитическим выражением
(1) с учетом аналитических выражений (2) и (3) - соответственно для устройств, функциональные схемы которых представлены на фиг. 2а и фиг. 2б. При меньшей величине Не не
удается обеспечить необходимую достоверность контроля. Погрешность измерения магнитного параметра при малой величине He обусловлена влиянием магнитной предыстории
изделия и спецификой зависимости измеряемого магнитного параметра при He = const от
коэрцитивной силы HCS предельной петли магнитного гистерезиса материала контроли10
BY 11980 C1 2009.06.30
руемого изделия. Увеличение He сверх значения, рассчитанного по (1), мало снижает погрешность измерения магнитного параметра и практически не повышает достоверность
контроля. Но чрезмерное для конкретного изделия увеличение He ухудшает условия движения изделий при контроле. При выходе изделия из области с намагничивающим полем
оно оказывается под действием слишком сильного отрицательного градиента магнитного
поля. Это повышает вероятность зависания изделий в преобразователе, снижая надежность
контроля, приводит к резкому увеличению энергопотребления в процессе контроля для
создания намагничивающего поля He. При установлении намагничивающего поля в соответствии с аналитическим выражением (1) с учетом аналитических выражений (2) и (3)
этого не происходит, и изделие выходит из зоны действия магнитного поля намагничивающей катушки 2 и движется дальше в намагниченном состоянии. При этом оно пересекает плоскости расположения индукционных измерительных катушек 4 и 4' и индуцирует
в них сигналы, однополярные импульсы которых интегрирует блок 5 обработки сигналов
и вычисления. Результаты интегрирования в блоке 5 обработки сигналов и вычисления
сравниваются с предварительно установленными порогами годности контролируемых изделий 7 по измеренному параметру. Блок 5 обработки сигналов и вычисления устройства
по фиг. 2б предварительно вычисляет корень квадратный из суммы квадратов результатов
интегрирования однополярных импульсов напряжения сигналов индукционных измерительных катушек 4 и 4' и с предварительно установленными порогами годности контролируемых изделий 7 сравнивает результат вычисления. Это позволяет отстроиться от
возможных вращений в процессе движения контролируемых изделий 7, намагниченных
ортогонально образующей (фиг. 2б). По результату сравнения блок 5 обработки сигналов
и вычисления формирует сигнал управления исполнительным механизмом 6, который
осуществляет сортировку контролируемых изделий 7 на годные и брак с высокой надежностью и достоверностью.
Источники информации:
1. Чернышев Е.Т., Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г., Студенцов Н.В. Магнитные измерения. - М.: Стандартов, 1969. - 248 с.
2. SU 1078310 А, 1984.
3. SU 1118906 А, 1984.
4. RU 2051380 С1, 1995.
5. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. - М.-Л., ОНТИ, 1934. Ч. 1. - 230 с.
6. Сливинская А.Г. Проницаемость формы цилиндров и призм. Труды МЭИ. Вып. 16,
1956. - C. 67-81.
7. Табачинский В.Ф. Расчет коэффициентов размагничивания для цилиндрических постоянных магнитов по методу векторных потенциалов. - В кн.: Сборник Ленинградского
ордена Ленина Института инженеров железнодорожного транспорта им. Акад. В.Н. Образцова, вып. 169. Автоматика, телемеханика и связь.- М.: ВИПО МПС, 1960. - C. 93-103.
8. Розенблат М.А. Коэффициенты размагничивания стержней высокой проницаемости
// Журнал технической физики. - 1954. - Т. XXIV. - Вып. 4. - С. 637-661.
9. Горбаш В.Г., Сандомирский С.Г., Делендик М.Н. Коэффициент размагничивания
полых ферромагнитных стержней // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1999. - № 2. - C. 9-15.
10. Матюк В.Ф., Осипов А.А., Стрелюхин А.В. Центральный коэффициент размагничивания полых цилиндрических стержней из материала с высокой магнитной проницаемостью // Дефектоскопия. - 2007. - № 3. - C. 26-36.
11. Okoshi Т. Demagnetizing Factors of Rods and Tubes Computed from Analog Measurements // J. Appl. Physics. - 1965. - V.36. - No. 8. - P. 2382-2387.
11
BY 11980 C1 2009.06.30
12. Беркман Р.Я., Мартынюк-Лотоцкий Р.Е., Спектор Ю.И. Особенности расчета феррозондов с кольцевыми сердечниками. Автоматический контроль и измерительная техника. Вып. 8. - Киев: Навукова думка, 1964. - C. 95-99.
13. Мельников И.В., Семенов Е.Н. К определению размагничивающего фактора колец
подшипников // Дефектоскопия. - 1982. - № 7. - C. 76-81.
14. Лангваген Е.Н. Расчет магнитных экранов, подмагничиваемых переменным полем //
Электромеханика, 1969. - № 12. - C. 1306-1312.
Фиг. 1
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
351 Кб
Теги
by11980, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа