Разработка магнитопорошкового метода неразрушающего контроля надрессорной балки тележки КВЗ-ЦНИИ

Контроль СОН применяют для  деталей из термически обработанных конструкционных сталей. Магнитные свойства этих металлов должны характеризоваться значениями B_r > (0,6…0,8) Тл и Н_с > 800…1000 А/м.

По зависимости B_r=f(H_с) исходя из значения коэрцитивной силы (Н_с=640 А/м) и остаточной индукции (B_r = 1,1 Тл) определено, что для надрессорной балки тележки применим способ приложенного поля [3].

При контроле СПП операции намагничивания объекта контроля и нанесения суспензии выполняют одновременно. При этом индикаторные рисунки выявляемых дефектов образуются в процессе намагничивания. Намагничивание прекращают после стекания с контролируемой поверхности основной массы суспензии. Осмотр контролируемой поверхности проводят после прекращения намагничивания.

Для уменьшения нагрева объекта  контроля рекомендуется применять  прерывистый режим намагничивания, при котором ток по намагничивающему устройству пропускают в течение 0,1 – 3 с с перерывами до 5 с.

 

4. Методика расчета устройства для намагничивания надрессорной балки тележки КВЗ-ЦНИИ

Схема намагничивающего устройства приведена на рисунке 1. Определим величину намагничивающей силы Iw устройства для создания в изделии необходимой индукции.

 

Рисунок 1  – Расчетная схема  намагничивающего устройства

Рисунок 2 – Эквивалентная электрическая схема намагничивающего устройства

 

С учетом требований технического, технологического и экономического характера магнитное приспособление изготавливаем из стали 10 [4].

Согласно имеющимся  в научно-технической литературе рекомендациям, толщину полюсов d намагничивающего устройства выбираем в 2 – 3 раза больше толщины намагничивающего изделия. Так как толщина изделия b = 15мм, то толщина полюсов d = 30 мм. Принимаем: высота намагничивающего устройства с = 20 мм, расстояние между полюсами намагничивающего устройства L = 180мм, высота намагничивающего устройства h = 120 мм, толщина неферромагнитного покрытия δ = 0,05 мм. 

Величину намагничивающей  силы можно определить исходя из закона Кирхгофа:

,

где      I   – ток в обмотке электромагнита;

          w – число витков в обмотке;

          H_il_i – падение магнитного напряжения на участке магнитной цепи l_i

Сумму падений магнитных  напряжений в изделии U_и находим из выражений:

                                                    (1)

        Строим кривую намагничивания материала шейки оси (сталь ОСЛ) (рисунок 4) значения H_и и B_и принимаем из таблицы 3 [5]. Аналогично строим кривую намагничивания материала магнитопровода  (стали 10) (рисунок 3) значения H_и и B_и принимаем из таблицы 2.

 

Таблица 2 – Данные для построения кривой намагничивания (Сталь 10)

Напряженность намагничивания поля H, A/м	200	500	1000	1500	2000	2500	3000	4000	5000	7500	10000	12500	15000	20000	25000	30000	35000	40000	45000	50000
Магнитная индукция В, Тл	0,090	0,535	1,110	1,250	1,360	1,445	1,490	1,575	1,635	1,710	1,780	1,835	1,870	1,940	2,000	2,040	2,070	2,090	2,100	2,100

 

Таблица 3 – Данные для построения кривой намагничивания изделия (сталь ОСЛ)

Напряженность намагничивания поля H, A/м	200	500	1000	1500	2000	2500	3000	4000	5000	7500	10000	12500	15000	20000	25000	30000	35000	40000	45000	50000
Магнитная индукция В, Тл	0,015	0,033	0,110	0,340	0,580	0,810	0,960	1,160	1,280	1,470	1,580	1,650	1,720	1,790	1,850	1,890	1,920	1,950	1,980	2,010

                          

Рисунок 3 – Кривая намагничивания                              Рисунок 4 – Кривая намагничивания

            материала магнитопровода                                         материала изделия

Сумму падений магнитных  напряжений в изделии U_и находим из выражений:

                                                    (1)

 

    Используя  выражения (1) по 6–8 значениям H_и и B_и, взятым с кривой намагничивания, строим зависимость U_и = f(Ф_и), и U_у = f(Ф_и), (рисунок 5):

,                                                           (2)

где Ф_и – магнитный поток в изделии;

δ – толщина суммарного зазора (0,05 мм);

μ₀ – магнитная постоянная (4π·10^-7Гн/м);

S_и – площадь сечения изделия.

 

Рисунок 4 – Зависимость  магнитного напряжения в изделии U_и от магнитного потока Ф_и в изделии.

Рисунок 5 – Зависимость магнитного напряжения в зазоре U_у от магнитного потока Ф_и в изделии.

 

Затем на отдельном графике (рисунок 6) строим кривую падения магнитного напряжения в магнитопроводе в зависимости от потока Ф_п в нем:

U_п = f(Ф_п):

                                                       (3)

Значения В и Н определяем по кривой намагничивания материала магнитопровода (рис. 3).

Рисунок 6 – Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе  U_п от магнитного потока Ф_п в нем.

 

Рисунок 6 – Зависимость  магнитного напряжения в магнитопроводе  U_п от магнитного потока Ф_п в нем.

 

Чтобы пересчитать U_п в зависимости от Ф_и, запишем уравнение Кирхгофа для точки М в эквивалентной электрической схеме (рисунок 2):

,                                                   (4.4)

где F – магнитный поток рассеяния, шунтирующий изделие и переходный участок.

Так как отношение потоков Ф_и и F обратно пропорционально магнитным сопротивлениям R_и + R_y и R_F, то справедливо следующее выражение:

 

откуда следует 

                                                  (4.5)

где R_F – магнитное сопротивление потока рассеяния между полюсами электромагнита.

,                                                    (4.6)

где G_F – проводимость участка между параллельными призмами (полюсами  намагничивающего устройства):

 

,                                           (4.7)

где:

Из выражений (4.4) и (4.5) следует:

,                                               (4.8)

где R_F получаем из соотношений (4.6) и (4.8) – оно постоянно;

– тоже постоянно;

;

здесь l_и – длина средней линии в изделии, l_и=225мм; В_и и Н_и – соответствуют оптимальному режиму намагничивания.

Путем пересчета с  использованием формулы (4.8) из последнего графика (рисунок 6) получаем зависимость U_п = f(Ф_и) (рисунок 7). Затем, суммируя U_и, U_y, U_п, получаем зависимость U_Σ = f(Ф_и) (рисунок 8). Зная сечение изделия, строим второй график с аналогичной зависимостью U_Σ  =  f(В_и), где В_и = Ф_и/S_и.

По известному значению оптимальной индукции В_опт = 1,87 Тл ( из рисунка 3, так как В_r=0,97, а В_max=2,1, то выбираем значение из этого интервала) в контролируемом сечении определяем U₁ = Iw=7000 В (см. рисунок 7). Затем с учетом коэффициента заполнения К_з = 0,4 и площади S окна, занимаемого всеми витками катушки, в сечении, перпендикулярном осям витков (S ≈ 80 % площади окна, образованного П-образным сердечником и намагничиваемым изделием).

 

Рисунок 7 – Зависимость  магнитного напряжения в магнитопроводе

от магнитного потока в изделии

Рисунок 8 – Зависимость суммарного магнитного напряжении в  магнитопроводе от магнитного потока и индукции в изделии

 

Определяем число витков w обмоточного провода, задаваясь различными его диаметрами (d₁ = 0,5÷3,5 мм), изначально примем d₁ = 2 мм:

,                                                     (4.9)

где  S= 0,8*2*(d+L)*(h+b+δ) мм²;

d – толщину полюсов, d=30 мм;

L – расстояние между полюсами намагничивающего устройства, L=180 мм;   

h – высота намагничивающего устройства, h=120 мм;

δ – толщина неферромагнитного покрытия, δ=0,05 мм;

b – толщина изделия, b=15 мм; 

К_з – коэффициента заполнения; К_з = 0,4;

при d₁ = 2 мм

w₁=0.8*((2*0.03+0.18)*(0.12+0.015+0.00005))*0.4/[3.14*0.002 ² /4]=2201 витков.

Определяем величину тока в катушке по известным намагничивающей силе и числу витков:

I₁ = U₁/w_1,                                                     (4,10)

I ₁ =7000/2201=3,18 А.

Определяем электрическое  сопротивление обмотки и потребляемую мощность:

,                                                    (4,11)

,                                             (4,12)

где l_ср – средняя длина витка провода в катушке;

ρ – удельное электрическое сопротивление,  ρ=1.7*10^-8 Ом*м

R=1.7*10 ^-8 *2*3.14*0.03*2201/[3.14*0.002² /4]=2,25 Ом,

Тогда

P=3,18²*2,25=22,75 Вт.

 

при  d₁=1 мм 

w₁=0.8*((2*0.03+0.18)*(0.12+0.015+0.00005))*0.4/[3.14*0.001 ² /4]=8804 витков;

 

I ₁ =7000/8804=0,8 А,

Тогда

,

R=1.7*10 ^-8 *2*3.14*0.03*8804/[3.14*0.001 ² /4]=35,92 Ом,

P=0,8²*35,92=22,75 Вт.

при  d₁=1,5 мм 

w₁=0.8*((2*0.03+0.18)*(0.12+0.015+0.00005))*0.4/[3.14*0.0015 ² /4]=3913 витков;

I ₁ =7000/3913=1,79А,

 

R=1.7*10 ^-8 *2*3.14*0.03*3913/[3.14*0.0015 ² /4]=7,095 Ом,

 

P=1,79²*7,095=22,75 Вт.

Так как потребляемая мощность одинакова и не зависит от диаметра обмоточного провода, то его диаметр d₁ выбираем равным 2мм исходя из приемлемого числа витков катушки.

 

5 Выбор средств для проведения  магнитопорошкового неразрушающего контроля

Выбор дефектоскопа

Рисунок 9 –Дефектоскоп магнитно-порошковый переносной ПМД-70

Назначение:

Магнитопорошковый метод контроля нашел широкое применение в авиации, железнодорожном транспорте, химическом машиностроении, при контроле крупногабаритных конструкций, в судостроении и многих других отраслях промышленности.

Этот  метод позволяет обнаруживать трещины  усталости и другие дефекты на начальной стадии развития.

Предназначен  для выявления поверхностных  и подповерхностных дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов с относительной максимальной магнитной проницаемостью не менее 40 магнитопорошковым или магнитолюминисцентным методом.

Дефектоскоп позволяет контролировать различные  по форме детали, сварные швы, внутренние поверхности отверстий, путем намагничивания отдельных контролируемых участков или изделия в целом циркулярным или продольным полем, создаваемым с помощью набора намагничивающих устройств, питаемых импульсами тока (электроконтакты, гибкий кабель), а также постоянным током (электромагнит, соленоид). Дефектоскоп обеспечивает размагничивание деталей после контроля.

Документирование  результатов контроля может быть обеспечено изготовлением магнитограммы рисунка дефектов посредством снятия отпечатка рисунка на полиэтиленовой липкой ленте ГОСТ 20477-86 или аналогичного материала, а также фотографированием.

Технические характеристики магнитопорошкового дефектоскопа ПМД–70 представлены в таблице 4.