УДК: 620.179.16 Экспериментальные исследования лазерно-ультразвукового метода акустической тензометрии резьбовых соединений

УДК: 620.179.16
Экспериментальные исследования лазерно-ультразвукового метода акустической
тензометрии резьбовых соединений
Беркутов Игорь Владимирович, Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных
технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.
Научный руководитель: Марусина Мария Яковлевна, Федеральное государственное
автономное образовательное учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных
технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.
На сегодняшний день резьбовые соединения составляют до 70% от общего количества
соединений. Это объясняется достоинствами данных соединений: такими как простота,
удобство сборки и разборки, широкая номенклатура, стандартизация и массовый характер
производства резьбовых деталей, взаимозаменяемость, относительно невысокая стоимость и
высокая надежность. Главной технической проблемой при этом является обеспечение
оптимального усилия затяжки болтов (шпилек). К резьбовым соединениям в процессе сборки
предъявляют требования по соблюдению определенного усилия затяжки, а при хранении и
эксплуатации - по сохранению заданного усилия, так как основными причинами разрушения
резьбовых деталей являются следующие факторы:
- были неправильно подобраны компоненты соединения;
- недостаточное или превышенное усилие предварительного затягивания;
- неравномерное распределение усилия предварительного затягивания.
В обычных случаях для обеспечения оптимального усилия затяжки достаточно
использования примитивных устройств, например, динамометрических ключей. Однако, во
многих случаях – при креплении элементов в ракетно-космической технике, при сборке
фланцевых соединений, при креплении узлов и элементов ответственных или дорогостоящих
изделий – контроль напряжений связан с большими трудностями. В частности, контролю
подлежат разъемные резьбовые соединения малых диаметров или с большим отношением
длины к диаметру, которые в силу конструкционных особенностей недостаточно достоверно
контролируются существующими средствами.
Целью данной работы является повышение точности измерения напряжений в
специальных резьбовых соединениях на основе использования и совершенствования
современных методов и средств.
По результатам анализа существующих методов измерения напряжений в резьбовых
соединениях решено, что такую задачу можно решить методами акустической тензометрии.
Основное преимущество этих методов заключается в возможности установки первичного датчика
(пьезопреобразователя) на недеформированную поверхность (торец) резьбовой детали. Такой
возможностью не обладает больше ни один из известных физических методов.
Таким образом, для обеспечения применимости акустического вида контроля к описанным
объектам контроля необходим метод и средства, которые обладали бы показателями,
обеспечивающими необходимую достоверность и чувствительность контроля.
В настоящей работе используется следующий общеизвестный принцип акустической
тензометрии: для каждого конкретного резьбового соединения в лабораторных условиях,
максимально приближенных к реальным эксплуатационным, проводят предварительную
градуировку, т.е. определяют экспериментально зависимость абсолютного ∆t или относительного δt
изменения времени распространения УЗ волны конкретной поляризации в образце от приложенного
усилия. Затем в производственных условиях, контролируя изменение t в деталях реального объекта, с
помощью полученных ранее градуировочных зависимостей определяют значения напряжения σ. В
данной работе решено использовать данный подход как наиболее точный, но с переходом на
измерение скорости УЗВ, что позволяет в некоторой степени снизить влияние длины разных болтов
одного материала на градуировочные характеристики, и применение лазерно-ультразвуковой
дефектоскопии с термооптическим возбуждением ультразвуковых колебаний в виде лазерноультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М и специализированных датчиков.
Для проведения дальнейших работ была определена необходимость разработки и
изготовления оснастки для градуировки дефектоскопического оборудования, которая позволяет
закреплять исследуемые болтовые соединения в захватах универсальной электромеханической
испытательной машины для последующего ступенчатого нагружения разъемного соединения и
получения регрессионных зависимостей; позволяет установить на объекты контроля лазерноультразвуковые датчики, обеспечивает с помощью пружины необходимое для надежного
акустического контакта усилие прижима датчика к объекту контроля и его (датчика) центрирование
относительно оси болта.
В дальнейшем, с использованием разработанного и изготовленного оборудования были
проведены экспериментальные исследования применения метода лазерно-ультразвуковой
диагностики для контроля усилия затяжки разъемных соединений. По результатам исследований
подтверждена работоспособность разработанных средств и получены регрессионные зависимости
значений растягивающего усилия от относительного изменения скорости распространения
ультразвуковой волны для болтов, на которые не распространяется действие ГОСТ Р 52889-2007.
Полученные регрессионные зависимости могут быть использованы для определения
действующих растягивающих усилий при контроле усилия затяжки разъемного соединения, а
изготовленное оборудование и приемы позволяют проводить исследования лазерно-ультразвукового
метода применительно к ранее неконтролепригодным разъемным соединениям.
Автор
Беркутов И.В.
Научный руководитель
Марусина М.Я
Зав. кафедрой ИТиКТ
Марусина М.Я