Magnetyczne metody diagnostyki technicznej elementów maszyn

(1)

ZESZY TY N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: TR A N SPO R T z. 43

2001 N r kol. 1529

Zbigniew H. ŻU R EK

MAGNETYCZNE METODY DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ ELEMENTÓW MASZYN

S treszczenie. Z astosow anie nowych technik projektow ania ułatw ia i przyspiesza proces budow y now ych m aszyn, pom im o to wytw orzony produkt nie je st całkow icie wolny od wad.

T em atyka artykułu dotyczy m odelow ania związanego z kontrolą stanu technicznego wyrobu gotow ego podczas je g o eksploatacji. Powszechnie stosowana ocena w ibroakustyczna w nie

których przypadkach m oże zostać uzupełniona o ceną zm ian natężenia pola m agnetycznego.

Zagadnienie to opisano i zilustrow ano przykładam i badania stanów naprężeń m etodam i ma

gnetycznym i w elem entach utw ierdzonych ja k i wirujących. M odelow ane zm iany pola m a

gnetycznego porów nyw ano z wynikam i badań eksperym entalnych, jak i z badaniam i zm ian m agnetyzacji pod wpływem obciążeń dla w ybranych gatunków stali.

M AG NETIC M ETH ODS IN TECHNICAL DIAGNOSTICS OF M A C H IN ES’

ELEM ENTS

S u m m a ry . N ew techniques o f design make process o f new m achines building easier and quicker, besides the m anufactured projects have som e defects. The them e o f the article deals w ith m odelling connected w ith technical condition supervision o f the product during its oper

ating. G eneral vibro-acoustic evaluation in some cases may be com pleted by the evaluation o f m agnetic em ission changes. This problem has been presented and described w ith the exam ples o f stresses condition research with the help o f the magnetic m ethod in held and vibrated elem ents. M odelling o f m agnetic changes are com pared with the results o f experim ental re

search as well as w ith the research o f m agnetisation changes under the influence o f the loads for selected types o f steel.

1. W S T Ę P

Przyłożenie zew nętrznych sił rozciągających, ściskających, skręcających lub zginających do ciała ferrom agnetycznego będącego pod w pływ em zew nętrznego pola m agnetycznego pow oduje zm ianę jego m agnetyzacji. Zmiany te są odw racalne w określonych zakresach na

tężeń pól m agnetycznych i obciążeń m echanicznych dla większości m ateriałów ferrom agne

tycznych. Zapis term odynam iczny om awianych zależności przedstaw ia równanie (1) [1,2],

(2)

Zm iany odkształceń S i m agnetostrykcji X=81/l równoważne zm ianom m agnetyzacji J oraz indukcji, B określane są jako czułość piezom agnetyczna -d . Zależnie od znaku m agne- to- strykcji, który m oże przyjm ow ać wartości dodatnie lub ujemne, kierunek działania sił może zm niejszać lub zw iększać w ypadkow ą m agnetyzację. W artykule om ów iono badania ferro- m agnetyka o m agnetostrykcji dodatniej na przykładzie stali ST3.

1.1. Z w iązk i m a g n eto m ec h an ic zn e

O prócz zm ian długości AL/L (m agnetostrykcja) w ferrom agnetykach poddaw anych od

działyw aniu pola m agnetycznego w ystępują równolegle zm iany jego objętości AV/V i m odułu sprężystości E. Efekt ten odkryty został przez Joule’a w 1842 roku. Efektem od

w rotnym do m agnetostrykcji jest m agnetoelastyczna konwersja, polegająca na zm ianie para

m etrów m agnetycznych ferrom agnetyków pod w pływ em naprężeń zew nętrznych, odkryta w 1865 roku przez Yillariego. O dkrycie to stało się teoretyczną podstaw ą działania w szystkich późniejszych konstrukcji czujników m agnetosprężystych, służących do pom iaru sił. W spół

czynnikiem , który łączy m agnetostrykcję i m agnetoelastyczną konwersję je st X*. Zam ieszczo

ne wzory (2) i (3) [4] opisują m agnetom echaniczne związki w ferrom agnetykach pomiędzy stanem naprężeń a param etram i m agnetycznym i.

Js - m agnetyzacja nasycenia,

po - przenikalność m agnetyczna próżni, p r - przenikalność m agnetyczna względna.

gdzie: X, - je st w spółczynnikiem m agnetostrykcji nasycenia, 6- je st kątem między wektorem m agnetyzacji a naprężeniam i o.

Teoretyczne i praktyczne badania m agnetosprężystości skierowane są najczęściej, jeżeli nie w yłącznie na struktury krystaliczne o szczególnych składach chem icznych. O pracowanie podejm uje tem at badań tych zjawisk w przypadkowo dobranych elem entach ze stali ST3, dla których niew iadom y je st nawet kierunek obróbki plastycznej. Dla stali tej przeprow adzono w iele eksperym entów [6,7] z wykorzystaniem m agnetorezystancyjnych przetw orników po

m iarow ych [9,15] do pom iaru w pływ u naprężeń na natężenia pola m agnetycznego przy jej powierzchni.

(3) E - m oduł Younga,

£ - odkształcenie,

Xs - w spółczynnik m agnetostrykcji nasycenia.

Gęstość energii m agnetycznej określa zależność:

Et

t

= E . = — Xs s in 2 5

o 2 s

⁽⁴⁾

2. P O M IA R Y N A P R Ę Ż E Ń W E L E M E N T A C H U T W IE R D Z O N Y C H

W stępne pom iary pola m agnetycznego przy powierzchni obciążanych dynam icznie stalo

w ych płaskow ników ze stali ST3 [5,6,7] potw ierdziły istniejące związki m agnetom echanicz

ne. Kolejny etap badań pośw ięcono w yznaczaniu zm ian krzyw ych m agnesow ania drutu ze

(3)

M agnetyczne m etody diagnostyki technicznej 171

stali niskow ęglow ej o składzie zbliżonym do stali ST3 pod w pływ em obciążeń m echanicz

nych. Pom iary te pozw oliły uzupełnić katalog danych w program ie FEM M (Finite Element M ethod M agnetic) o interesujące nas zależności m agneto- mechaniczne.

2.1. Sym ulacja w pływu naprężeń rozciągających na rozkład pola m agnetycznego wokół próbki

Przed przystąpieniem do sym ulacyjnej oceny zmian natężenia pola m agnetycznego od naprężeń w yznaczono m etodą elem entów skończonych równom ierność rozkładu naprężeń w próbce poddanej rozciąganiu. Efekt sym ulacji przedstaw iono na rysunku 1. Poza miejscem utw ierdzenia i przyłożenia siły rozkład pozostaje równom ierny.

Rys. 1. Obraz rozkładu naprężeń w próbce podczas rozciągania [8]

Fig. 1. Stress distribution in sample w hile stretching [8]

D la w ykazanego rów nom iernego rozkładu naprężeń w środkowej części próbki wyliczono program em FEM M rozkład pola m agnetycznego na odcinku 4 mm (rys.2). Założono odle

głość 0,5m m od pow ierzchni próbki nasycanej polem m agnetycznym m agnesów stałych. Z a

łożenia w ynikały z budow y sondy, którą prowadzono następne badania eksperym entalne. W badanej próbce zm ieniano param etry krzywej pierw otnego m agnesowania, zgodnie z uprzed

nio przeprow adzonym i pomiarami zm ian krzywych m agnetyzacji od naprężeń [9]. W przedziale odkształ

ceń sprężystych próbki w zakresie o 0.

oi odnotow ujem y znaczne przyrosty natężenia składowej stycznej pola magnetycznego. Składniki stopowe oraz podstawowe zależności magneto- m echaniczne pom ierzone dla badane

go drutu przedstaw iono w tabeli 1 [9],

Rys. 2. Ilustracja rozkładu pola magne

tycznego od naprężeń o [8]

Fig. 2. Distribution o f m agnetic field as function o f stress

[mm]

-o MP a

■240 MP a -3 6 0

MP a -6 0 0

MP a 90

80 70 60 50 40 30 20 10

0

[A /m ]

(4)

Tabela 1 Typ

drutu

P odstaw ow e składniki stopow e drutu [%]

J , max [T]

H max [kA/m]

00 [MPa)

0 |

|M P a |

02

|M P a |

03

|M P a |

SG2 C

0,07

Si 0,085

Mn

1,2 ^0,477 ^5,86 ⁰ ²⁴⁰ ³⁶⁰ ⁶⁰⁰

2.2. B adania eksperym entalne

Badania polegały na pom iarze zm ian natężenia pola m agnetycznego przy powierzchni rozciąganego drutu sondą pom iarow ą z w budow anym przetw ornikiem m agneto- rezystancyj- nym [8,13,15]. W przetw orniku pom iarow ym natężenie pola m agnetycznego przetw arzane je st na proporcjonalną w artość S napięcia zgodnie z zależnością:

S=16x w x ax [(/?jF I V ) I k A I m ] (gdzie: w - w zm ocnienie w zm acniacza pom iarowego, a - krot

ność napięcia zasilania m ostka w stosunku do napięcia IV ). Trzy kolejne pom iary wykonano w odstępach kilkum inutow ych bez zmiany położenia czujnika. W yniki przedstaw iono wy- kreślnie na rysunku 3.

PM

035

03

0.25

02

0.15

0.1

0.05

Rys. 3. N a p ięcie przetwornika w funkcji zmian naprężeń rozciągających Fig. 3. D ependence o f stress at output voltage absolute value o f sensor

2.3. Sym ulacja w pływ u naprężeń zginających na rozkład pola m agnetycznego wokół próbki

Belkę utw ierdzoną w obu końcach zginano siłą skupioną, ja k pokazano na rysunku 4.

10 120 240 360

Naprężenie [MPa]

(5)

Rys. 4. Mapa rozkładu naprężeń w próbce zginanej od siły skupionej Fig. 4. Map o f stress distribution in bent sample by assem bled force

W yliczone w M ES obszary zm ian naprężeń widoczne na rysunku 4 w prow adzono do pro

gram u sym ulacyjnego FEM M . Granice obszarów zm ian naprężeń przedstaw iono na rysunku 5. C elem tych działań było w yznaczenie różnic w rozkładzie pola m agnetycznego na po

wierzchni próbki zginanej i porównanie ich ze stanem naprężeń oi= 240 M Pa zbliżonych do jednorodnych ja k dla belki rozciąganej.

A A v — I

¡F

f "

I i

Rys. 5. W yznaczone granice zmian naprężeń dla programu FEMM Fig. 5. Imported to FEMM program bounds o f stress changes

Sym ulacje przeprow adzano w kilku etapach N ajpierw zadeklarowano dla całego obszaru stan naprężeń ao=0 M Pa, następnie uw zględniono pełny stan naprężeń. Przykłady rozkładu linii sił pola m agnetycznego dla stanu bez obciążeń i dla pełnego obciążenia przedstaw iono na rysun

ku 6 i rysunku 7.

Rys. 6. Rozkład indukcji magnetycznej w próbce bez obciążenia m echanicznego Fig. 6. Distribution o f m agnetic induction in the sample without mechanical loads

(6)

Rys. 7. Rozkład indukcji m agnetycznej w próbce przy uwzględnieniu stref obciążeń (o ) jak na rys. 5 Fig. 7. M agnetic flux density in sample and at its surface containing detailed stress distribution as on

figure 5

Zm iany natężenia pola m agnetycznego przy powierzchni badanej próbki w zależności od naprężeń zam ieszczono na rysunku 8.

L [m m ]

Rys. 8. Zm iany natężenia pola m agnetycznego na powierzchni próbki od naprężeń Fig. 8. Distribution o f m agnetic field intensity over surface o f sample as function o f stress

3. B A D A N IA W IR U JĄ C Y C H E L E M E N T Ó W M A SZY N

N ajbardziej efektow nym przykładem je st analiza zm ian pola m agnetycznego przy po

wierzchni bocznej u podstaw y zęba w spółpracującego koła zębatego przekładni jak na rysun

ku 9. Zam odelow ano koło zębate, w którym jeden ząb został podcięty. Oceniono stan naprę

żeń u podstaw y zęba dobrego i uszkodzonego w MES. N astępnie wprow adzono do program u FEM M strefy zm ian naprężeń. W w yniku obrotu koła zębatego z uszkodzonym zębem w sto

sunku do sondy pom iarowej usytuow anej ja k na rysunku 1 0 uzyskano przebiegi am plitudowo - czasow e i częstotliw ościow e przedstaw ione na rysunku 12. W pływ uszkodzenia koła zęba

tego na zm iany indukcji pola m agnetycznego pokazano na rysunku 1 1.

(7)

Rys. 9. Zmiany w rozkładzie naprężeń u podstawy zęba dla koła dobrego (lew y w ycinek koła) i koła uszkodzonego (prawy w ycinek koła)

Fig. 9. Stress distribution in part o f sprocket wheel: a- for not injured w heel, b- for cut at base cog

Rys. 10. Sposób pomiaru naprężeń w kole zębatym przekładni m etodą magnetyczna. M R- magneto- rezystor

Fig. 10. Measurement o f gear wheel stresses by magnetic method, MR - magnetoresistant element

(8)

Rys. 11. Rozkład indukcji magnetycznej w wycinku koła zębatego dobrego i uszkodzonego Fig. 11. Distribution o f m agnetic induction at gear pedestal in undamaged and damaged wheel

Rys. 12. W yniki symulacji w pływ u m ikropęknięcia u podstawy zęba obciążonego na charakterystyki am plitudowo - czasow e i częstotliw ościow e

Fig. 12. Results o f micro- cracks influence o f simulation at the basis o f loaded sprocket on time -a m  plitude and frequency characteristic

t—i—t—i--- —r-r

Rys. 13. W ynik pomiaru z badań eksperymentalnych Fig. 13. Results o f the experimental measurements

(9)

4. P O D S U M O W A N IE I W N IO S K I

W m etodzie w ibroakustycznej stan techniczny m aszyny oceniany je s t w edług krzywej w zrostu poziom u drgań czy em itow anego hałasu w funkcji czasu. Z a p om ocą takiej oceny jesteśm y w stanie określić procentow y stopień zużycia m aszyny. Trudniej natom iast je st w y

kryć stan nadchodzącej awarii. Zm ianę poziom u em isji wibroakustycznej w funkcji czasu pracy m aszyny na przykładzie przekładni zębatej przedstawiono na rysunku 14 [16]. Rozpa

trując dalej przekładnię zę b atą m ożem y udow odnić, że zm ę

czeniowe m ikropęknięcie u podstaw y zęba przekładni zę

batej i nagły w zrost stanu na

prężeń trudne do ujawnienia m etodam i wibroakustycznym i w ykryte m oże być metodami m agnetycznym i.

Rys. 14. Krzywa zm iany stanu technicznego przekładni zębatej Fig. 14. Curve o f technical condition changes o f the gear transmission

Dla ferrom agnetyków , które pozostaną przez długi czas podstaw ow ym surow cem do produk

cji m aszyn, przypisane są w łaściw ości fizykochem iczne i odkryte efekty m agnetyczne, które um ożliw iają w cześniejsze w ykrycie awarii. Umieszczenie bardzo czułego przetw ornika po

m iarow ego pola m agnetycznego z boku koła zębatego na wysokości podstaw y zęba umożliwi w ykrycie stanu naprężeń w przypadku zastosow ania odpowiedniego układu pomiarowego.

W yniki przeprow adzonych badań dośw iadczalnych zw eryfikow ane sym ulacją FEM M po

tw ierdzają przydatność przyrządów pom iarowych i metody w pom iarach naprężeń i drgań.

Zaproponow ano now e m ożliw ości w diagnostyce technicznej.

L ite ra tu r a

1. Etienne du Trem o let de Lacheisserie, Theory and A pplications o f M agnetoelasticity, CRC PRESS - B oca Raton, Ann Arbor, Boston, London 1992.

2. K aczkow ski Z.: M agnetosprężystość - M ateriały piezom agnetyczne i ich zastosowanie praca zbiorow a pod redakcją Z. K aczkow skiego, PAN Instytut Fizyki, PW N, W arszawa

1978.

3. Boll R.: W eichm agnetische W erkstoffe, 4., Erw eiterte Auflage, V A CU UM SC CH ELC E G M BH , 1990.

4. H inz G., V oigt H.: Sensors. A com prehensive survey - M agnetoelastic sensors, V acuum schm elze Gm bH , Edited by VCH V erlagsgesellschaft G m bH FRG 1990, s. 99-

102, s. 31.

(10)

5. ŻU R EK Z. H.: U żyteczność w ybranych m etod i narzędzi pom iarow ych w diagnostyce technicznej, X X V II O gólnopolskie Sym pozjum D iagnostyka M aszyn, Politechnika Ślą

ska, W ęgierska G órka 2000.

6. ŻUREK Z. H.: Przetw orniki m agnetorezystancyjne pola m agnetycznego w badaniach sta

nów naprężeń m echanicznych próbki stalowej, Politechnika Śląska, N ow e technologie i materiały w m etalurgii i inżynierii materiałowej, V III Seminarium N aukow e, Katowice 2000.

7. ŻU REK Z.H .: Cienkow arstw ow e czujniki m agnetorezystancyjne jako narzędzia pom iaro

we w diagnostyce technicznej, Politechnika W rocławska, XX XVI M iędzynarodow e Sym pozjum N aukow e M aszyn Elektrycznych, SM E ’ 2000.

8. ŻU REK Z. H.: Pom iary sił i naprężeń w stalach w ęglow ych w oparciu o m agnetom echa- niczny efekt V illariego, Politechnika Śląska, N ow e technologie i m ateriały w m etalurgii i inżynierii m ateriałow ej, IX Sem inarium N aukow e, Katow ice 2001.

9. ŻU REK Z. H.: Efekty m agnetyczne użyteczne w diagnostyce technicznej. Politechnika Śląska, X X X V II M iędzynarodow e Sym pozjum M aszyn Elektrycznych, S M E ’ 2001.

10. ŻU REK Z.H .: B adania naprężeń w w irujących elem entach m aszyn, X V II O gólnopolska K onferencja P R ZEK ŁA D N IE ZĘBATE, Politechnika Śląska -W ę g iersk a G órka 2000.

11.TU M A N SK I S.: C ienkow arstw ow e czujniki m agnetorezystancyjne, W arszawa, Oficyna W ydaw nicza Politechniki W arszawskiej, 1997.

12. BO ZO RTH R ichard M.: Ferrom agnetism , The institute o f Electrical and Electronics En- gineers, IEEE M agnetics Society, Sponsor, Inc., N ew York 1993.

13. ŻU REK Z.H .: Sonda defektoskopu m agnetycznego, Zgłoszenie patentow e P 344 955.

Politechnika Śląska G liw ice, 2000.

14. W ILK A., Ż urek Z.H ., Łazarz B., W ojnar G.: W ykryw anie uszkodzeń kół.zębatych prze

kładni m etodam i m agnetycznym i, Politechnika Śląska, X XVIII O gólnopolskie Sym po

zjum D iagnostyka M aszyn, W ęgierska G órka 2001, str. 381-387.

15. ŻU REK Z. H ., W ilk A., Madej H.: M etoda diagnozow ania w yłam ania zęba koła zębate

go, Zgłoszenie patentow e P 331 223, Politechnika Śląska, G liwice, 1999.

16. B A R TELM U S W.: D iagnostyka m aszyn górniczych, W ydaw nictwo Śląsk, Katow ice, 1998.

Recenzent: Prof. dr hab. Jó z ef Rasek

A b stra c t

This w orks concentrates on Joule's effect and V illarie's effects, w hich are the basis for the proposed m agnetic m easurem ents and suggests m easuring transducers from am ong the group o f m agnetic bridge m easurem ents. The field o f application o f the proposed m ethod is lim ited and connected only w ith ferrom agnetic materials.

The w ork is undertaken on the basis o f a clear need for new m easuring investigating m ethods, because th e possibilities o f vibro-acustive studies and currently em ployed transduc

ers are not sufficient. The base property o f the m agnetic field and ferrom agnetic materials perm its the wide use o f m agnetic m easurem ents as supplem entary or even essential in techni

cal diagnostics. The series o f investigations were carried out in the area o f technical and m ate

rial research. The m ethod o f verification o f m easurem ent and m easuring m ethod w as chosen forecasting the results o f the m easurem ents using FEM M sim ulating methods.

(11)

The results o f the work and industry experience provide a basis for form ulation o f practical suggestions for the use o f the proposed m agnetic-m easurem ent transducers in tech

nical diagnostics and in m aterial research.

The results o f the work provide a basis for continuation o f the interesting and useful re

search as well as industrial application.