CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 194 1972
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРУЖИН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ МЕТОДАМИ
И. Г. ЛЕЩЕНКО, В, Д. САРТАКОВ
(Представлена научным семинаром кафедры информационно-измерительной техники)
Большинство методов электромагнитного контроля качества изделий из ферромагнитных материалов основано на существовании однозначных зависимостей между электромагнитными параметрами материала и его механическими или физическими характеристиками, такими как состав, структура, глубина закаленного слоя, твердость и другие.
Определение удельной электропроводности а, магнитной проницаемости ¡11, статической коэрцитивной силы Нс связано с большими трудностями из-за сложной геометрической формы манометрических пружин и большими колебаниями их геометрических размеров.
В результате различных исследований электромагнитных характеристик пружин было выяснено, что для практического использования целесообразно применить метод контроля твердости пружин по составляющим вторичной эдс проходного датчика с контролируемым изделием и по динамической коэрцитивной силе частного цикла. В первом случае был применен датчик с числом витков намагничивающей обмотки I?7! = 450 и измерительной обмоткой — 1000.
Размеры датчика (длина / = 20 мм, внутренний диаметр датчика ^ вн =16 мм) выбраны достаточно малыми, чтобы имелась возможность контроля электромагнитных характеристик пружин в ее средней части без заметного влияния длины.
Применение датчика накладного типа без магиитопровода ограничивается невозможностью создать высокую напряженность магнитного поля //, а электромагнитные характеристики (коэрцитивная сила, магнитная проницаемость) в большей степени зависят от напряженности намагничивающего поля [1, 2].
Схема экспериментальной установки (рис. 1) включает регулируемый источник переменного тока, двухобмоточный проходной датчик, в который помещается контролируемое изделие, компенсирующее устройство на основе вращающего трансформатора ВТМ-5, и фазочувст-вительный вольтметр В5-1, позволяющий измерять квадратурные составляющие напряжения разбаланса схемы.
Для питания установки использовалось напряжение сети 220 в, 50 гц.
Установка позволяет получить годограф напряжения разбаланса измерительной схемы в зависимости от частоты от [мип = 20 гц до умах =20 кгц. При этом необходимо соблюдать условие о = 1, что вызвано применением в качестве фазовращателя ВТМ-5.
Применение дифференциальной схемы в данном случае значительно увеличивает чувствительность экспериментальной установки.
Компенсирующее устройство позволяет с достаточной точностью скомпенсировать эде вторичной обмотки датчика по модулю и по фазе, что выгодно отличает измерительную схему установки от схем с применением компенсирующего датчика.
В качестве образцового изделия была выбрана пружина со средними геометрическими размерами и максимальной твердостью. Для этой пружины производилось уравновешивание схемы по мнимой ,и ве-
щественной осям изменением положения ротора вращающего трансформатора и движка реостата Яз. В качестве эталонного напряжения для фазочувствительного вольтметра используется падение напряжения на сопротивлении Я2, по фазе совпадающее с намагничивающим током.
Так как датчик работает в режиме заданного тока, то форма кривой эде во вторичной обмотке искажена. Если учесть, что у фазочувствительного вольтметра ослабление высших гармоник не менее 40 дб, то заметного влияния па результаты измерений высшие гармоники не оказывают: определение характеристик проводилось по основной гармонике эде Е2. При помещении в датчик контролируемого изделия по индикаторам вольтметра измеряются вещественная и мнимая составляющие напряжения разбаланса схемы.
По данным измерений были построены комплексные плоскости разбаланса напряжения, анализ которых позволяет определить такой едзиг по фазе между первичным током датчика и эталонным напряжением, чтобы схема имела максимальную чувствительность к измеряемому параметру изделия.
Измерения приращения эде во вторичной обмотке датчика были проведены при намагничивающих токах (0,1; 0,2; 0,3; 0,5 а) для целого ряда манометрических пружин из стали 50ХФА следующих
типоразмеров: МГн 160X160, МГн 160X250, МГн 160X400, МГн 160X600.
иа
Рис. 1
На рис. 2 приведена зависимость мнимой составляющей напряжения разбаланса схемы от твердости манометрических пружин типоразмера МГн 160X250 при величине намагничивающего тока /==0,2 а. При других намагничивающих токах наблюдается больший разброс экспериментальных точек. Разброс экспериментальных точек относительно усредненной характеристики можно объяснить различным подходом к изменению твердости механическими и электромагнитными методами.
При электромагнитном методе контроля на переменном токе следует говорить о средних электромагнитных параметрах материала, что связано с неравномерным распределением магнитного потока по сечению материала, а также неодинаковыми параметрами материала по сечению.
Перед исследованием на установке твердость измерялась на приборе Виккерса в 7 -т- 9 точках, близко расположенных друг от друга.
Необходимо отметить, что требуется тщательная подготовка поверхности образца, для чего верхний (наиболее закаленный) слой металла удаляется и подготовленная плоская поверхность шлифуется. Следовательно, если материал подвергнут неравномерной закалке, то измеренная на приборе Виккерса твердость не равна средней твердости материала.
Нами также была проверена возможность контроля твердости пружин с помощью прибора ЭМТ-1 (электромагнитный твердометр), разработанного на кафедре электроизмерительной техники Томского политехнического института. Прибор предназначен для измерения твердости стальных изделий по динамической коэрцитивной силе и представляет собой фазометр, построенный па принципе измерения временных интервалов [3, 4].
В качестве опорного сигнала прибора используется выходное напряжение мостового фазовращателя, питаемого напряжением промышленной частоты. Для получения сигнала, пропорционального ин-
т т т т Цу[еИ]
Идеи]
т т № Нф]
Рис. 2 Рис. 3
дукции в изделии, эдс вторичной обмотки подается на вход интегрирующего устройства, состоящего из Я—С-элементов. Погрешность интегрирования не превышает 3%.
ЭМТ-1 имеет стрелочный индикатор, шкала которого градуируется в единицах твердости по Виккерсу. Этим прибором контролировались пружины из стали 50ХФА перечисленных выше типоразмеров и пружины из стали ЗОХГСА следующих типоразмеров: АМ 160 УЮ, АМ 160X16, АМ 160X25.
Для исследования характеристик манометрических пружин из стали 50ХФА был применен проходной двухобмоточный датчик с числом вит-
ков намагничивающей и измерительной обмоток = 2500 и 10000 соответственно, внутренним диаметром ¿/вн= 14 мм и длиной / = 25 мм; при контроле пружин из стали ЗОХГСА имел соответственно ^ = 980 и Г2 = 6700, й вн = 20 мм, 1 = 25 мм.
Для определения максимальной чувствительности прибора к твердости контроль производился при различных намагничивающих токах (0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5 а).
Отмечено, что максимальная чувствительность прибора к твердости пружин из стали 50ХФА обнаруживается при намагничивающих токах 0,1 н- 0,15 а.
На рис. 3 представлена зависимость показаний прибора а от твердости пружин МГн 160X400 при намагничивающем токе 0,1 а.
При меньших намагничивающих токах появляется значительная нестабильность работы прибора, что объясняется наличием элементов в схеме прибора, обладающих высоким порогом чувствительности.
Если намагничивающий ток больше 0,2 а, то чувствительность прибора к твердости пружин из стали 50ХФА практически стремится к нулю.
Для пружин из стали ЗОХГСА максимальная чувствительность к твердости имеет место при токе / = 0,15 а.
На рис. 4 представлена зависимость показаний прибора а от твердости манометрических пружин АМ. 160X25, определенная при токе / = 0,15 а.
При токах больше 0,2 а и меньше 0,4 а не наблюдается подобия однозначной зависимости между твердостью пружин и показаниями прибора.
Однако, если />>0,4 а, зависимость между твердостью и показаниями прибора проявляется в ином виде, чем в случае намагничивания током 0,15 а: твердой детали соответствуют большие показания прибора, мягкой — меньшие. Это подтверждается литературными данными [2], что зависимость коэрцитивной силы от напряженности поля носит явно нелинейный характер.
Выводы
Предлагаемая установка и приборы типа ЭМТ-1 могут быть применены для грубой разбраковки по твердости манометрических пружин из стали 50ХФА и ЗОХГСА.
Показано, что напряженность намагничивающего поля необходимо экспериментально подбирать в каждом конкретном случае, чтобы получить максимальную чувствительность метода.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. И. Кифер. Испытание ферромагнитных материалов. Госэнергоиздат, М.—Л,,
1962.
2. Б о з о р т. Ферромагнетизм, Изд. иностр. лит., М., 1956.
3. И. М. Вишенчук, А. Ф. К о т ю к, Л. Я. Мизюк. Электромеханические и электронные фазометры. Госэнергоиздат, М—Л., 1962.
4. Г. А. Ремез. Радиоизмерения. Связьиздат, М., 1966.
6 Известия ТПИ, т. 194.
