способ оценки запаса прочности изделий в процессе эксплуатации

Формула изобретения

Способ оценки запаса прочности изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, подвергающихся воздействию рабочей нагрузки, использующий свойство материала изделия, находящегося в намагниченном состоянии, изменять местные значения магнитной индукции в зависимости от изменения формы нагружения, отличающийся тем, что о располагаемом коэффициенте запаса прочности изделия судят по отношению между нормируемой (эталонной для данного объекта) величиной изменения магнитной индукции для характерных точек сечения исследуемого изделия и рабочим значением этой величины для данной формы напряженного состояния объекта исследования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследований, в ходе которых, непосредственно в процессе эксплуатации, оценивается работоспособность подвергающихся воздействию рабочей нагрузки изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, путем определения и сравнения их прочностных характеристик.

Известен традиционный в инженерной практике способ определения прочностных характеристик, предлагаемый классическим курсом «Сопротивления материалов», согласно которому свойство изделия сохранять длительную работоспособность определяется величиной коэффициента запаса прочности, рассчитываемого отношением величин допускаемого и рабочих напряжений для стандартизированных по форме и материалу изделий. База рекомендаций курса «Сопротивления материалов» представлена огромным объемом результатов лабораторных исследований, сложившейся и оправдавшей себя на практике методикой проведения этих исследований. Однако при общепризнанной эффективности известный способ ограничен необходимостью проведения исследований в условиях стационара, не всегда дающих возможность смоделировать одновременное сочетание в лабораторных условиях всего многообразия физических факторов, оказывающих влияние на работоспособность изделия в процессе эксплуатации. Яркую иллюстрацию этому соображению представляет пример сложного динамического состояния рельсов железнодорожной транспортной системы, чаще всего являющегося причиной аварий на железнодорожном транспорте в результате разрушения рельсов, выбросов бесстыкового пути и т.д. [1, 2].

Предлагаемый способ решает задачу определения прочностных характеристик изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, непосредственно в процессе эксплуатации, с обеспечением перемещения исследовательско-измерительной аппаратуры вдоль объекта исследования, в том числе в процессе выполнения им рабочих функций.

К решению поставленной задачи привлечена информация о проявлении магнитных аномалий, т.н. эффект Виллари [3], выраженных изменением величины магнитной индукции в локальных зонах объектов исследования, в зависимости от напряженного состояния изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, намагниченность которых определяется условиями эксплуатации или осуществляется принудительно, с возможностью формирования и обнаружения местных магнитных аномалий.

В ходе лабораторного моделирования, осуществленного в соответствии с методикой курса «Сопротивление материалов», с использованием рельса в качестве объекта исследования, обнаружено, что в случае положительного эффекта Виллари, величина индукции магнитного поля в точке на границе поперечного сечения образца на участке растяжения образца будет больше, а в симметричной ей точке этого же сечения образца относительно оси симметрии на участке сжатия образца будет меньше, чем ранее, до возникновения напряжения в образце в обеих точках, т.е. величина индукции магнитного поля в точке поперечного сечения образца при растяжении В_р будет больше величины магнитной индукции в симметричной ей точке того же сечения образца при сжатии В_с (В_р >В_с). Измерением величины индукции магнитного поля вдоль длины изделия в характерных (указанных выше) точках, выбираемых в зависимости от профиля сечения изделия, по разности индукций в симметричных точках, определяются локальные зоны появления и возрастания напряжений в материале изделия при изгибе, в соответствии с направлением изгиба, и оценивается величина этих напряжений.

При сложных профилях поперечного сечения изделия, например у рельсов, потребуется измерение магнитной индукции в двух парах характерных точек при намагничивании по вертикальной оси симметрии профиля рельсов для создания симметричного магнитного поля с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии профиля рельсов. На рисунке 1 указаны две пары характерных точек, лежащих на границе поперечного сечения рельсов, симметричных друг другу относительно оси симметрии сечения, являющейся осью намагничивания; введены следующие обозначения: величина индукции магнитного поля для симметричной пары точек головки рельса B_г1 и В _г2, для симметричной пары точек подошвы рельса B_п1 и В_п2, где индекс «1» относится к левой части от оси симметрии, индекс «2» - к правой части от оси симметрии.

По результатам этих измерений обнаружены и оценены следующие основные варианты напряжений, возникающих при изгибе рельса:

1) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал растянут, справа - сжат: B_г1>В_г2 , B_п1>В_п2 или

_г=В_г1-В_г2>0, _п=В_п1-В_п2>0;

2) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал сжат, справа - растянут: B_г1 <В_г2, B_п1<В_п2 или

_г=B_г1-В_г2<0, _п=B_п1-В_п2<0;

3) изгиб рельса в вертикальной плоскости, материал головки рельса растянут, материал подошвы рельса сжат: B_г1=В _г2, B_п1=В_п2, B_г1>B _п1, В_г2>В_п2 или

₁=B_г1-B_п1>0, ₂=В_г2-В_п2>0, ₁= ₂;

4) изгиб в вертикальной плоскости, материал головки рельса сжат, материал подошвы рельса растянут: B_г1=В_г2, B_п1=В_п2, B_г1<B_п1, В_г2<В_п2 или

₁=B_г1-B_п1<0, ₂=В_г2-В_п2<0, ₁= ₂.

Комбинированные продольные изгибы рельсов идентифицируются по приведенным выше соотношениям.

Результаты лабораторного моделирования свидетельствуют, что накопление информации о точном соответствии характеристик напряженного состояния изделия и характера проявления в нем при этом местных магнитных аномалий является чисто технической задачей с предсказуемым результатом исследований в виде таблиц строгого соответствия исследуемых параметров физического состояния объектов исследования. Т.е. прочностная характеристика - коэффициент запаса прочности, рассчитываемая отношением допускаемого и рабочего напряжений, становится взаимозаменяемой с характеристикой, рассчитанной как отношение между нормируемой (эталонной для данного объекта) величиной изменения магнитной индукции в характерных точках профиля сечения исследуемого объекта и рабочим значением этой величины для данной формы напряженного состояния изделия.

Назовем эту характеристику коэффициент изменения магнитной индукции. Согласно эффекту Виллари, этот коэффициент несет ту же самую смысловую нагрузку, что и коэффициент запаса прочности в сопромате.

С учетом изложенного, предлагаемый способ оценки запаса прочности изделий, изготовленных из ферромагнитного материала, подвергающихся воздействию рабочей нагрузки, заключается в том, что показания исследовательско-измерительной аппаратуры, представленной комплектом магнитометров, перемещающихся вдоль объекта наблюдения, получают в виде величин изменения магнитной индукции для характерных точек сечения исследуемого изделия, которые сравнивают с нормируемыми (эталонными), сосредоточенными в компьютерной базе данных. По величине отношения между нормируемой (эталонной для данного объекта) величиной изменения магнитной индукции и рабочим значением этой величины для данной формы напряженного состояния объекта исследования судят о располагаемом коэффициенте запаса прочности.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

- предшествующий этап работ формирует базу данных, в которой сосредоточена информация о соответствии значений напряженности магнитного поля и механических напряжений для эталонных образцов изделий при различных формах нагружения;

- объект исследования подвергают намагничиванию (с помощью постоянных магнитов или путем пропускания тока по изделию) или определяют характеристику его магнитного поля, в случае его естественной намагниченности, обусловленной условиями эксплуатации (например, рельс);

- выделяют характерные точки профиля сечения исследуемого изделия, для которых будут определяться величины изменения магнитной индукции (в нашем примере выбран рельс как объект со сложной формой профиля);

- вдоль объекта наблюдения перемещают комплект магнитометров, показания которых, с помощью микропроцессорной техники, регистрируются, сравниваются, обрабатываются до получения параметра, по величине которого судят о располагаемом коэффициенте запаса прочности изделия.

Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в возможности получения и накопления информации о динамическом состоянии изделия в каждый рабочий момент, на участке любого отрезка времени эксплуатации, за весь исследуемый период эксплуатации.

Источники информации

1. Почему разбиваются поезда. Евразия Вести IX 2003. www.eav.ru.

2. Вериго М.Ф. К вопросу об устойчивости бесстыкового пути под проходящими поездами. Железные дороги мира. 2002. № 4, www.css?rnd=OOXELWD63TD86AINK2GNNC3Z-rzd.ru.

3. Физическая энциклопедия. http://allphysics.ru.