RU2165617C1

RU2165617C1 - Device for vibroacoustic test of structures

Info

Publication number: RU2165617C1
Application number: RU99118623A
Authority: RU
Inventors: Д.М. Белый
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-04-20

Abstract

FIELD: nondestructive testing; location of defects in structural members of beam- like structures by means of elastic vibrations. SUBSTANCE: proposed device includes sinusoidal vibration generator and vibrator for exciting flexural vibrations, vibration amplitude sensor mounted on surface of structure and connected to conversion unit, comparison unit and indicator through preamplifier; device includes also retainer of local zones of structure with permanent magnet located on outer surface of structure and ferromagnetic washer located on inner surface of structure in zone of magnet. Local zone retainer has non-magnetic housing with blind cylindrical cavity inside it; axis of this cavity is inclined at acute angle relative to longitudinal axis of structure. Permanent magnet is made in form of cylinder placed in cavity for motion along its axis and spring- loaded relative to bottom of cavity. Housing is provided with pins freely received by holes available in ferromagnetic washer for displacement of housing and washer in way of their mutual approach and departure perpendicularly to longitudinal axis of structure. EFFECT: enhanced productivity and reduced consumption. 2 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для обнаружения дефектов элементов конструкций балочного типа с помощью упругих колебаний. The invention relates to non-destructive testing and can be used to detect defects in structural elements of the beam type using elastic vibrations.

Известно устройство для виброакустического контроля конструкций, содержащее генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкций с изменяющейся частотой, а также установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, соединенный с усилителем и частотомером для регистрации значений частот резонансных колебаний /см. а.с. СССР N 690378, кл. G 01 N 29/04, 1977 г./. A device for vibro-acoustic control of structures, containing a sinusoidal oscillation generator and a vibrator for exciting bending vibrations of structures with a changing frequency, as well as a vibration amplitude sensor mounted on the surface of the structure, is connected to an amplifier and a frequency meter to record the values of the resonance vibration frequencies / cm. A.S. USSR N 690378, class G 01 N 29/04, 1977 /.

Недостатком данного устройства является значительная трудоемкость реализуемого на нем способа контроля, низкая производительность, отсутствие автоматизации процесса контроля. The disadvantage of this device is the significant complexity of the control method implemented on it, low productivity, lack of automation of the control process.

Известно также устройство для виброакустического контроля конструкций балочного типа, содержащее поворотный узел для консольного крепления конструкции, генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкции с заданной частотой, а также установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, подключенный через предварительный усилитель к блоку преобразования сигнала, блоку сравнения и индикатору /см. а.с. СССР N 1397825, кл. G 01 N 29/04, 1988 г./. A device for vibro-acoustic control of beam-type structures is also known, comprising a rotary assembly for cantilever mounting the structure, a sinusoidal oscillation generator and a vibrator for exciting bending vibrations of the structure with a given frequency, as well as an oscillation amplitude sensor mounted on the surface of the structure, connected through a pre-amplifier to the signal conversion unit , comparison unit and indicator / cm. A.S. USSR N 1397825, class G 01 N 29/04, 1988 /.

Недостатком данного устройства являются значительная трудоемкость реализуемого на нем способа контроля и низкая производительность, что обусловлено необходимостью при практически полном отсутствии автоматизации многократного перезакрепления балки с выставкой разной длины ее консольной части, а также многократного поворота балки вокруг ее продольной оси при каждом закреплении и, наконец, измерения в каждом из положений балки отношения амплитуд колебаний с фиксацией максимума данного отношения. The disadvantage of this device is the significant complexity of the control method implemented on it and low productivity, which is due to the need for the almost complete absence of automation of multiple re-fastening of the beam with an exhibition of different lengths of its cantilever part, as well as multiple rotation of the beam around its longitudinal axis with each fixing and, finally, measuring in each of the beam positions the ratio of the amplitudes of the oscillations with fixing the maximum of this ratio.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для акустического контроля изделий, содержащее ударное устройство для возбуждения импульсов свободных упругих колебаний в изделии, приемник упругих колебаний, установленный на поверхности изделия и подключенный к измерителю частоты, а также фиксатор локальных зон изделия, выполненный в виде постоянного магнита, размещенного на внешней поверхности изделия, и ферромагнитной шайбы, размещенной в зоне магнита на внутренней поверхности изделия /см. а.с. СССР N 2117940, кл. G 01 N 29/04, 1998 г./, принятое за прототип. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a device for acoustic control of products, containing a percussion device for exciting pulses of free elastic vibrations in the product, a receiver of elastic vibrations mounted on the surface of the product and connected to a frequency meter, as well as a local area lock products made in the form of a permanent magnet located on the outer surface of the product, and a ferromagnetic washer placed in the magnet zone on the inside enney surface of the product / cm. A.S. USSR N 2117940, class G 01 N 29/04, 1998 /, adopted as a prototype.

Недостатком устройства - прототипа являются низкая производительность процесса контроля, что объясняется необходимостью при практически полном отсутствии автоматизации многократно при каждом измерении перемещать приемник упругих колебаний и фиксатор локальных зон поверхности изделия. The disadvantage of the prototype device is the low productivity of the control process, which is explained by the need for almost complete absence of automation to repeatedly move the elastic vibration detector and the clamp of local zones of the product surface during each measurement.

Сущность изобретения заключается в создании устройства, позволяющего полностью автоматизировать процесс контроля за счет обеспечения возможности в процессе контроля самостоятельного однонаправленного перемещения фиксатора локальных зон вдоль конструкции под действием вибрационных сил, возникающих в результате тех же изгибных колебаний, которые сообщаются конструкции при контроле. The essence of the invention is to create a device that allows you to fully automate the control process by providing the possibility in the control process of independent unidirectional movement of the clamp of local zones along the structure under the action of vibrational forces resulting from the same bending vibrations that are communicated to the structure during control.

Технический результат - повышение производительности процесса контроля и уменьшение его трудоемкости за счет полной автоматизации данного процесса. The technical result is to increase the productivity of the control process and reduce its complexity due to the complete automation of this process.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для виброакустического контроля конструкций балочного типа, содержащем генератор синусоидальных колебаний и вибратор для возбуждения изгибных колебаний конструкции, установленный на поверхности конструкции датчик амплитуды колебаний, подключенный через предварительный усилитель к блоку преобразования, блоку сравнения и индикатору, а также фиксатор локальных зон конструкции, включающий постоянный магнит, размещенный на внешней поверхности конструкции, и ферромагнитную шайбу, размещенную в зоне на внутренней поверхности конструкции, особенность заключается в том, что в фиксатор локальных зон введен немагнитный корпус с выполненной в нем глухой цилиндрической полостью, ось которой наклонена под острым углом к продольной оси конструкции, а постоянный магнит выполнен в форме цилиндра, размещенного в полости с возможностью перемещения вдоль ее оси, и подпружинен к дну полости, при этом на корпусе установлены штыри, свободно введенные в выполненные в ферромагнитной шайбе отверстия с возможностью смещения корпуса и шайбы в направлении их взаимного сближения или удаления перпендикулярно продольной оси конструкции. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known device for vibro-acoustic control of beam-type structures containing a sinusoidal oscillator and a vibrator for exciting bending vibrations of the structure, an oscillation amplitude sensor mounted on the surface of the structure, connected through a pre-amplifier to the conversion unit, the comparison unit and the indicator, as well as the clamp of local zones of the structure, including a permanent magnet placed on the external surface of the structure, and a ferromagnetic washer located in the zone on the internal surface of the structure, the peculiarity is that a non-magnetic body with a blind cylindrical cavity made in it is inserted into the locator of the local zones, the axis of which is inclined at an acute angle to the longitudinal axis of the structure, and the constant the magnet is made in the form of a cylinder placed in the cavity with the possibility of movement along its axis, and is spring-loaded to the bottom of the cavity, while the pins are installed on the housing, freely inserted into the ferromagnet hole washer with the possibility of displacement of the housing and the washer in the direction of their mutual approach or removal perpendicular to the longitudinal axis of the structure.

Сущность изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство с центральным разрезом фиксатора локальных зон; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically depicts the proposed device with a Central section of the clamp local zones; in FIG. 2 - section aa in figure 1.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор синусоидальных колебаний 1, усилитель мощности 2 и вибратор 3 для возбуждения изгибных колебаний конструкции балочного типа /балки/ 4, консольно закрепленной в жесткой опоре 5 /в частности, рассмотрена балка 4 с прямоугольным поперечным сечением/. На поверхности балки 4 со стороны ее свободного конца установлен датчик амплитуды колебаний 6, подключенный через последовательно соединенные предварительный усилитель 7, блок преобразования 8 и блок сравнения 9, к индикатору 10, а также фиксатор локальных зон балки 4, имеющий возможность перемещения относительно балки 4 при вибрациях и состоящий из двух частей, размещенных соответственно на внешней поверхности балки 4 /в данном случае верхней/ и внутренней поверхности /в данном случае нижней/. Верхняя часть включает в себя немагнитный корпус 11 с выполненной в нем глухой цилиндрической полостью 12, ось которой наклонена под острым углом к продольной оси балки 4, а также постоянный магнит 13, выполненный в форме цилиндра, размещенный в полости 12 с возможностью перемещения вдоль ее оси и прикрепленный к дну полости 12 с помощью цилиндрической пружины 14. Нижняя часть фиксатора локальных зон представляет собой плоскую ферромагнитную шайбу 15, размещенную в зоне корпуса 11 и прижатую к нижней поверхности балки 4 за счет сил магнитного взаимодействия с магнитом 13. При этом на корпусе 11 установлены штыри 16, свободно введенные в выполненные в шайбе 15 отверстия 17 с возможностью смещения корпуса 11 и шайбы 15 в направлении их взаимного сближения или удаления перпендикулярно продольной оси балки 4. Подвижное соединение штыри 16 - отверстия 17 препятствуют относительному смещению корпуса 11 и шайбы 15 в поперечной плоскости, играя при этом для смещений в вертикальной плоскости под действием сил магнитного взаимодействия роль направляющих. При этом /не показано/ наличие в корпусе 11 различного набора посадочных мест для крепления штырей 16, а в шайбе 15 соответственно набора отверстий 17, позволяет использовать один и тот же фиксатор локальных зон для различных типоразмеров балок 4. The device comprises a serially connected sinusoidal oscillation generator 1, a power amplifier 2 and a vibrator 3 for exciting bending vibrations of the beam-type structure / beam / 4, cantilevered in a rigid support 5 / in particular, a beam 4 with a rectangular cross-section / is considered. On the surface of the beam 4 from the side of its free end, an oscillation amplitude sensor 6 is installed, connected through a series-connected preamplifier 7, a conversion unit 8 and a comparison unit 9, to the indicator 10, as well as a local area clamp of the beam 4, which can be moved relative to the beam 4 when vibration and consisting of two parts located respectively on the outer surface of the beam 4 / in this case, the upper / and the inner surface / in this case, the lower /. The upper part includes a non-magnetic body 11 with a blind cylindrical cavity 12 made therein, the axis of which is inclined at an acute angle to the longitudinal axis of the beam 4, as well as a permanent magnet 13 made in the form of a cylinder, placed in the cavity 12 with the possibility of movement along its axis and attached to the bottom of the cavity 12 by means of a cylindrical spring 14. The lower part of the local zone retainer is a flat ferromagnetic washer 15 located in the area of the housing 11 and pressed against the lower surface of the beam 4 due to the forces of the magnetic action with the magnet 13. At the same time, pins 16 are installed on the housing 11, freely inserted into the holes 17 made in the washer 15 with the possibility of displacing the housing 11 and the washer 15 in the direction of their mutual approach or removal perpendicular to the longitudinal axis of the beam 4. Movable connection of the pins 16 - holes 17 interfere with the relative displacement of the casing 11 and the washer 15 in the transverse plane, while playing the role of guides for displacements in the vertical plane under the influence of magnetic interaction forces. At the same time / not shown / the presence in the housing 11 of a different set of seats for attaching the pins 16, and in the washer 15, respectively, of a set of holes 17, allows you to use the same clamp of local zones for different sizes of beams 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом. The operation of the device is as follows.

В исходном состоянии фиксатор локальных зон устанавливают в левой части балки 4 вблизи жесткой опоры 5. С помощью генератора 1, усилителя 2 и вибратора 3 возбуждают изгибные колебания балки 4 с постоянной амплитудой и частотой возмущающего сигнала. Пусть, например, в первый полупериод действия вибрации балка 4 вместе с фиксатором локальных зон движется вниз /все перемещения в этот полупериод показаны на фиг. 1 сплошной стрелой, в полупериод второй - пунктирной стрелкой/, при этом за счет действия сил инерции магнит 13 смещается в полости 12 вверх, заставляя, тем самым, смещаться весь фиксатор /корпус 11 с шайбой 15/ относительно балки 4 вправо. Однако магнит 13 в этот полупериод значительно удален от ферромагнитной шайбы 15 и силы их магнитного притяжения слабы. Учитывая, что эти силы являются одновременно силами прижатия корпуса 11 и шайбы 15 к балке 4, препятствующими перемещению фиксатора относительно балки 4, в этот полупериод вибрации происходит интенсивное смещение фиксатора относительно балки 4 вправо. Во второй полупериод действия вибраций балка 4 движется вверх, магнит 13 в полости 12 - вниз, фиксатор относительно балки 4 - влево. Однако теперь сила взаимодействия магнита 13 с шайбой 15, а следовательно, и сила прижатия фиксатора к балке 4 значительна, и смещение фиксатора относительно балки 4 влево мало. В результате за полный период действия вибрации фиксатор получает постоянную составляющую силу, направленную вправо, и при непрерывной вибрации балки 4 фиксатор плавно и непрерывно движется слева в направлении к свободному концу балки 4. Одновременно в каждый момент времени датчиком 6 измеряется амплитуда колебаний свободного конца балки 4 /текущее значение амплитуды/, данное текущее значение через усилитель 7 поступает на блок преобразования 8, где запоминается каждое предшествующее значение амплитуды, и далее оба вышеуказанных значения амплитуды поступают на блок сравнения 9. В случае скачкообразного изменения значений амплитуды колебаний, то есть отличия отношения текущего и предыдущего значений амплитуд от единицы на заранее заданную величину срабатывает индикатор 10, и по положению фиксатора локальных зон на балке 4 в данный момент времени определяется поперечное сечение балки 4 с наличием дефекта. In the initial state, the local zone clamp is installed on the left side of the beam 4 near the rigid support 5. Using the generator 1, amplifier 2 and vibrator 3, bending vibrations of the beam 4 are excited with a constant amplitude and frequency of the disturbing signal. Let, for example, in the first half-cycle of the vibration, the beam 4 together with the local zone retainer moves downward / all movements in this half-cycle are shown in FIG. 1 by a solid arrow, in the half-period of the second - by the dashed arrow /, while due to the action of inertia forces the magnet 13 is displaced upward in the cavity 12, thereby forcing the entire latch / housing 11 with the washer 15 / relative to the beam 4 to the right. However, the magnet 13 in this half-period is significantly removed from the ferromagnetic washer 15 and the forces of their magnetic attraction are weak. Considering that these forces are simultaneously the forces of pressing the housing 11 and the washer 15 against the beam 4, which prevent the latch from moving relative to the beam 4, an intensive shift of the latch relative to the beam 4 to the right occurs during this half-period of vibration. In the second half-cycle of the vibration, the beam 4 moves up, the magnet 13 in the cavity 12 - down, the retainer relative to the beam 4 - to the left. However, now the force of interaction of the magnet 13 with the washer 15, and therefore the clamping force of the latch to the beam 4 is significant, and the displacement of the latch relative to the beam 4 to the left is small. As a result, for the full period of vibration, the clamp receives a constant component of force directed to the right, and with continuous vibration of the beam 4, the clamp smoothly and continuously moves from the left towards the free end of the beam 4. At the same time, at each instant of time, the amplitude 6 of the vibrations of the free end of the beam 4 is measured by the sensor 6 / current amplitude value /, this current value through the amplifier 7 is fed to the conversion unit 8, where each previous amplitude value is stored, and then both of the above values the amplitudes are sent to the comparison unit 9. In the case of an abrupt change in the values of the amplitude of the oscillations, that is, the ratio of the current and previous values of the amplitudes from unity to a predetermined value, indicator 10 is activated, and the cross-section is determined by the position of the local zone clamp on beam 4 at a given time beam 4 with a defect.

Поясним природу появления скачка сигнала при попадании фиксатора в локальную зону с дефектом. Очевидно, что при заданных и постоянных величинах амплитуды и частоты сигнала возбуждения амплитуда колебаний конца балки определяется ее изгибной жесткостью. В свою очередь, можно грубо считать, что результирующая изгибная жесткость всей балки определяется жесткостью всей части балки без дефектов и жесткостью локальной зоны с дефектом. Естественно, что при нахождении фиксатора в бездефектной части балки на жесткость балки он практически не влияет, то есть амплитуда колебаний свободного конца балки при смещении фиксатора в бездефектной зоне остается постоянной. В случае же попадания фиксатора в локальную зону с дефектом /например, трещиной/, фиксатор выключает из работы данную зону балки, результирующая изгибная жесткость балки сразу скачком увеличивается, и в итоге скачком изменяется амплитуда колебаний свободного конца балки. Let us explain the nature of the appearance of a signal jump when a latch enters a local zone with a defect. Obviously, for given and constant values of the amplitude and frequency of the excitation signal, the amplitude of the oscillations of the end of the beam is determined by its bending stiffness. In turn, we can roughly assume that the resulting bending stiffness of the entire beam is determined by the stiffness of the entire part of the beam without defects and the stiffness of the local zone with the defect. Naturally, when the latch is in the defect-free part of the beam, it practically does not affect the stiffness of the beam, that is, the amplitude of oscillations of the free end of the beam when the latch moves in the defect-free zone remains constant. In the case of a latch falling into a local zone with a defect (for example, a crack), the latch disables this beam zone from operation, the resulting bending stiffness of the beam immediately increases in a jump, and as a result, the amplitude of oscillations of the free end of the beam jumps.

Предлагаемое устройство позволяет полностью автоматизировать процесс контроля и, тем самым, предельно уменьшить его трудоемкость и повысить производительность. При реализации контроля на данном устройстве исключается необходимость перед каждым измерением, многократно повторяемым, смещать вручную фиксатор локальных зон либо присоединенную массу в новую точку контролируемой конструкции. Здесь данное действие достигается за счет самостоятельного автоматического перемещения фиксатора вдоль балки от ее начала у жесткой опоры до свободного конца. The proposed device allows you to fully automate the control process and, thereby, ultimately reduce its complexity and increase productivity. When implementing control on this device, the need is eliminated before each measurement, repeatedly repeated, to manually displace the local zone retainer or the attached mass to a new point in the controlled structure. Here, this action is achieved due to independent automatic movement of the latch along the beam from its beginning at the rigid support to the free end.

Claims

A device for vibro-acoustic control of beam-type structures, containing a sinusoidal oscillation generator and a vibrator for exciting structural bending vibrations, a vibration amplitude sensor mounted on the surface of the structure, connected through a pre-amplifier to the conversion unit, the comparison unit and the indicator, as well as a latch to the local zones of the structure, including a constant a magnet placed on the outer surface of the structure, and a ferromagnetic washer placed in the magnet zone on the inner surface design surface, characterized in that a non-magnetic housing with a blind cylindrical cavity made in it is inserted into the local area retainer, the axis of which is inclined at an acute angle to the longitudinal axis of the structure, and the permanent magnet is made in the form of a cylinder placed in the cavity with the possibility of movement along its axis , and spring-loaded to the bottom of the cavity, while the pins are installed on the housing, freely inserted into the holes made in the ferromagnetic washer with the possibility of displacement of the housing and the washer in the direction of their mutual approach removal perpendicular to the longitudinal axis of the structure.