Глубина проникновения вихревых токов
Лабораторная работа по исследованию вихретоковых диаграмм состояния поверхностных слоёв шлифованных деталей.
Введение
В машиностроении при изготовлении изделий всегда большое внимание уделяется их качеству, надёжности, длительному сохранению технических (паспортных) характеристик в процессе эксплуатации. Высокие требования предъявляются, в частности, к серийно изготавливаемым подшипникам. Даже при различных внешних благоприятных факторах эксплуатации деталей подшипников происходит преждевременный отказ подшипника по причине наличия скрытого дефекта в его деталях. Дефекты могут быть металлургического происхождения или как результат нарушения режимов термохимической, механической обработки деталей в производстве [1, 2].
В связи с тем, что современная технология производства изделий массового выпуска, которыми являются подшипники, требует повышения скоростей автоматического контроля и включения систем контроля непосредственно в технологическую линию, возникает задача автоматизации обнаружения и идентификации дефектов поверхностного слоя и сортировки деталей на годные и бракованные. Основное влияние на формирование поверхностного слоя деталей подшипников оказывает процесс шлифования, который осуществляется специальными режущими инструментами абразивными кругами. В зависимости от воздействия внешних условий, могут возникать структурные изменения обрабатываемого металла, что приводит к различным дефектам поверхностного рабочего слоя.
|
|
|
При шлифовании выделяется теплота за счет трения между кругом и деталью при высокой скорости резания. Это количество теплоты возрастает с увеличением подач и глубины резания круга. Однако круговая подача и подача на глубину неодинаково влияют на температуру шлифования. Температура шлифования зависит от времени воздействия источника теплоты на обрабатываемую поверхность: с увеличением скорости детали она сокращается, а с увеличением подачи на глубину возрастает продолжительность воздействия источника теплоты на обрабатываемую поверхность. Низкая теплопроводность шлифовального круга из обычных абразивных материалов вызывает переход большей части теплоты в деталь. Основное количество теплоты, выделяющейся при шлифовании, распределяется между деталью (77¸86 %) и кругом.).
В таблице 1 приводятся факторы, влияющие на качество обработки деталей подшипников при шлифовании.
Таблица 1. Факторы, влияющие на качество обработки подшипников
Предпочтительным методом контроля качества, надежности и основных рабочих свойств и параметров деталей подшипников в условиях массового производства является неразрушающий контроль (НК). Повышение качества прецизионных изделий может быть достигнуто при разработке и внедрении на промышленных предприятиях автоматизированных систем мониторинга качества их изготовления, а также эффективных систем управления технологическими процессами. Эти системы позволяют вывести процесс производства продукции предприятия на более высокий уровень, существенно снизить или практически исключить брак, обеспечить конкурентное преимущество в борьбе за потребителя[1, 2, 3].
|
|
|
Одним из методов неразрушающего контроля является метод вихретокового контроля.
Индукционные (вихревые) токи
Поле, создаваемое индукционным током. В любом замкнутом токопроводящем контуре (короткозамкнутый виток, объем токопроводящего материала, катушка с подключенным к ее зажимам сопротивлением нагрузки и т.п.), согласно закона электромагнитной индукции, возникает индукционный (наведенный) ток. Индукционные токи в массивных объемах токопроводящих материалов (например в магнитопроводах электротехнических устройств), замкнутые по кольцевым траекториям, лежащим в плоскости перпендикулярной направлению магнитного потока, получили название вихревые токи или токи Фуко.
|
|
|
Индукционные токи создают создают собственное магнитное поле. Магнитный поток индукционных токов (токов Фуко), согласно правилу Ленца, всегда направлен встречно (находится в противофазе) основному магнитному потоку.
Распределение вихревого тока. Вихревые токи (токи Фуко) - это замкнутые электрические токи, возникающие в объеме токопроводящего материала под воздействием переменного магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и в отличие от токов, протекающих в проводах (обмотках, токоведущих жилах и пр.) по строго определенным направлениям, замыкаются в объеме токопроводящей среды, как правило, по кольцевым (вихревым) траекториям. Основным параметром вихревых токов является их плотность. Плоскость вихревых токов всегда перпендикулярна направлению возбуждающего их магнитного потока. Если магнитный поток пронизывает плоский проводник нормально его плоскости, как показано на рисунке 3. 1 а, то в проводнике возникают вихревые токи. В случае если магнитный поток пронизывает проводник вдоль его плоскости, как показано на рисунке 3. 1 б вихревые токи не возникают.
|
|
|
Рис. 1 Возбуждение вихревых токов в плоском проводнике: магнитны й поток направлен нормально плоскости проводника и вызывает возникновение вихревых токов (а), магнитный поток направлен вдоль плоскости проводника, вихревые токи не возникают (б).
Этот же эффект дроблеия вихревых токов положен в основу вихретоковой дефектоскопии, когда дефект (трещина) выступает в роли изолирующего слоя и дробит вихревые токи (рис. 2). Исходя из этого, для уменьшения влияния вихревых токов на работу электрических машин (например, трансформатора) их сердечники выполняют из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоями лака.
Рис. 2 дробление вихревых токов: принудительное в сердечнике трансформатора (а); дефектом при вихретоковой дефектоскопии (б).
Изменение амплитуды и фазы тока. Плотность вихревых токов в массиве токопроводящего материала не равномерна (рис. 3). Распределение вихревых токов по объему токопроводящей среды сопровождается изменением амплитуды и фазы. Так при возбуждении вихревых токов в листе металла катушкой с протекающим по ее виткам током максимальная плотность вихревых токов будет наблюдаться в поверхностном слое объекта непосредственно под витками катушки. При удалении вдоль поверхности от витков катушки плотность вихревых токов будет уменьшаться по закону близкому к экспоненциальному. Также с увеличением глубины вихревые токи больше отстают по фазе от поверхностных.
Рис. 3. распределение плотности вихревых токов в токопроводящей среде: в поверхностном слое (а); по глубине объекта (в).
При анализе распределения вихревых токов по глубине объекта можно наблюдать уменьшение амплитуды с ростом глубины, подчиняющееся экспоненциальному закону
ј = ј0·е-mz, ………………………(1) где ј0– плотность вихревых токов на поверхности объекта, m – коэффициент затухания, зависящий от электромагнитных свойств объекта и частоты тока катушки. Также наблюдается изменение фазы вихревых токов. С увеличением глубины фаза тока в более глубоких слоях все больше отстает от тока в поверхностном слое.
где f – частота тока возбуждения, 
– абсолютная магнитная проницаемость материала объекта, σ – удельная электрическая проводимость материала объекта.
Условная глубина не зависит от величины магнитного потока (геометрии возбуждающей катушки, наличия сердечника, зазора между катушкой и объектом и т.п.). С увеличением частоты возбуждения глубина проникновения вихревых токов уменьшается. Вихревые токи выталкиваются к поверхности объекта. Такой же эффект наблюдается при возбуждении вихревых токов в ферромагнитных материалах (конструкционных сталях), у которых влияние магнитной проницаемости на глубину проникновения во много раз больше чем влияние удельной электрической проводимости, как правило меньшей чем у меди, алюминия и сплавов на их основе.
Глубина проникновения вихревых токов
Глубина вихревых токов зависит от величины возбуждающего их магнитного потока, частоты возбуждения и электромагнитных свойств материала объекта. Для оценки глубины вихревых токов используют относительную величину – условную глубину проникновения вихревых токов. Условная глубина проникновения вихревых токов – это расстояние от поверхности объекта контроля (где наблюдается максимальная плотность вихревых токов) до слоя в котором плотность уменьшается в е раз (е ≈ 2,71 – основание натурального логарифма):
,
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 241; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!