Zbigniew H. ŻU REK
METODA MAGNETYCZNA OCENY RÓWNOMIERNOŚCI ROZKŁADU NAPRĘŻEŃ W POŁĄCZENIU WCISKOWYM
Streszczenie. W artykule opisano badania mające na celu wyznaczenie równom ierno
ści stanu naprężeń w połączeniu wciskowym . Badania prow adzono za pom ocą pom iaru natę
żenia pola m agnetycznego przy pow ierzchni bocznej zew nętrznego pierścienia stalowego naprężonego od wcisku. Badania m agnetyczne zostały w sparte pomiarami tensometrycznymi i symulacjami M ES. Wyniki badań przeprow adzonych na modelu połączenia wciskowego potwierdziły użyteczność badań magnetycznych w bezstykowym pomiarze naprężeń w sta
lach konstrukcyjnych.
MAGNETIC EVALUATION METHOD OF STRESSES DISTRIBUTION IN INTERFERENTIAL CONNECTION
Summary. Article describes research determining uniformity o f stresses distribution in interferential connection. These studies w ere made using measurem ent o f m agnetic field intensity at the lateral surface o f external steel ring stressed by interference. M agnetic investi
gations w ere supported by extensom eter m easurem ents and M ES simulation. Investigation results, made using interferential connection model, confirmed the usefulness o f magnetic research in stress m easurem ent “w ithout contact” o f constructional steels.
1. WPROWADZENIE
Połączenia w ciskow e stosow ane są w m ontażu elem entów lub podzespołów części ma
szyn. Stan i jakość połączenia w ciskow ego w pływ ają na niezawodność i czas życia maszyn.
Ocena równom ierności rozkładu naprężeń na drodze pom iarów tensometrycznych je st złożo
na, związana z koniecznością pom iaru odkształceń podczas procesu łączenia i m ożliwa dla ograniczonej serii badań.
Większość elem entów maszyn wykonyw ana je st z m ateriałów ferromagnetycznych. Wła
ściwości ferrom agnetyków opisane między innymi zależnościami magnetomechanicznymi Joule’a i Villariego um ożliw iają bezstykow e badanie naprężeń w materiale [1, 2, 3, 10]]. Ba
dania te polegają na pom iarze natężenia pola magnetycznego [4, 6] przy pow ierzchni magne
sowanego wycinka elementu. Stań naprężeń zmienia przenikalność w zględną materiału, a tym samym mierzone zew nętrzne natężenie pola m agnetycznego [5], Sposób te n um ożliwia auto
matyzację pom iaru dla dużej serii elem entów i jest tani. Jedynym warunkiem, jaki należy spełnić, jest poznanie zależności magnetom echanicznych danego materiału, a w szczególności krzywych pierw szego m agnesow ania w funkcji obciążeń. Znajom ość krzywych m agnesow a
nia jest niezbędna w procesie w yznaczania podstaw ow ych param etrów pom iarowych przy-
74 Z. H. Żurek
rządu [8, 11], jak charakterystyka przetw arzania i czułość pomiarowa. Badanie przetworni
ków pomiarowych ze względu na złożoność procesów na drodze przetwarzania sygnału pro
w adzone jest za pom ocą m etod numerycznych. Potw ierdzono użyteczność program u symula
cyjnego 2D FEM M (Finite Element M agnetic Method).
2. EK SPERY M ENT BAD AW CZY
Ograniczenia związane ze stanowiskiem pomiarowym i oprzyrządowaniem pomiarowym narzuciły kształt, wymiar elementu oraz m etodykę pomiaru. Przyjęto pierścień stalowy zakończony pow ierzchnią umożliwiającą jego mocowanie na obrotowej tarczy (paramagne- tyk) stanow iska pom iarowego. W badaniach zapewniono pow tarzalność pomiaru przez sta
łość w zajem nego położenia elementu w stosunku do przetw ornika pomiarowego, jak i miej
sca początku pomiaru. N iezbędność powtarzalności pomiaru wynikała z konieczności dem on
tażu pierścienia pomiędzy kolejnymi etapami badań związanymi z pomiarami natężenia pola magnetycznego, pomiarami tensometrycznymi oraz wtłaczaniem pierścienia wewnętrznego.
2.1. Projekt połączenia w ciskowego
Badanie połączenia w ciskowego przeprow adzono na pierścieniu o średnicy 143 mm. W y
miary, przekrój oraz rozmieszczenie tensom etrów pokazano na rysunku 1.
a) b)
5
77
Rys. 1. Badany element Fig. 1. The object o f research
2.2. Założenia
Eksperyment dotyczył materiału, zakresu naprężeń i metodyki pom iaru [9]. Badania te sta
nowiły pierwszy etap eksperym entu związanego z wykorzystaniem pom iarów magnetycznych do oceny rów nom ierności rozkładu naprężeń. Pierścień zewnętrzny i pierścień wciskany wewnętrzny wykonano ze stali St3. Dla stali tej dysponowano związkami magnetomecha- nicznymi (krzywe m agnesow ania w funkcji naprężeń) wyznaczonymi we wcześniejszych badaniach.
Naprężenia sprężyste w yznaczono analitycznie, zakładając param etry wcisku 5=0,2 mm
(różnica średnic). N
Do w yznaczenia równom ierności rozkładu naprężeń w połączeniu w ciskowym zastosow a
no sondę pom iarow ą przetestow aną na maszynie wytrzymałościowej [6, 11]. Ocenę rozkładu naprężeń przeprow adzono dodatkow o za p om ocą pom iarów tensometrycznych.
2.3. Sonda pom iarow a i stanow isko badaw cze
Pomiary natężenia pola m agnetycznego wykonywano magnetorezystancyjnymi przetw or
nikami pola m agnetycznego M R zabudow anym i w sondę pomiarową. Przetworniki sondy zostały rozm ieszczone niezależnie dla pom iaru składowych natężenia pola magnetycznego:
H„ i Ht. Badany m ateriał m agnesowano polem magnetycznym od m agnesów trw ałych sondy pomiarowej [6,8].
Na wynik pom iaru natężenia pola m agnetycznego przy powierzchni materiału m ają wpływ: wymiary sondy, lokalizacja m agnetorezystora, jego odległość od powierzchni badanej i zastosowane m agnesy [8],
Badania symulacyjne pom iaru prow adzone w program ie FEM M oparto na następujących założeniach związanych z konstrukcją sondy:
1. Przyjęto magnesy trw ałe typu N dFeB 32M G O e (z katalogu program u FEM M ) o wymia
rach 0 3mm x 2mm zbliżone energią (238,8kJ/m 3) oraz zgodne z materiałem m agnesów zabudowanych w sondzie pom iarowej N dFeBM 1219-2 30MGOe.
2. Odległość pom iaru składowej stycznej natężenia pola magnetycznego od powierzchni rów ną lm m i symetryczne zam ontow anie m ostka m agnetorezystancyjnego w sondzie.
3. Odległość pom iaru składowej normalnej natężenia pola magnetycznego od powierzchni rów ną 1,25mm i asymetryczne (+5mm) zam ontowanie m ostka m agnetorezystancyjnego w sondzie.
4. Parametry magnetom echaniczne pom ierzone dla stali St3 [4],
5. Jednakowy materiał krążka zew nętrznego, jak i wewnętrznego.
76 Z. H. Żurek
N a rysunku 2 przedstaw iono wyznaczony program em FEM M obraz linii sił pola magne
tycznego i indukcji magnetycznej w strefie pomiaru natężenia pola magnetycznego dla pier
ścienia zewnętrznego bez oddziaływania materiału pierścienia wewnętrznego.
Rys. 2. Pole magnetyczne w strefie pomiaru Fig.2. M agnetic field in m easuring zone
Fotografię stanowiska badaw czego z zamontowanym pierścieniem pokazano na rysunku 3.
Rys.3. Stanowisko badawcze: a- badany pierścień, b- układ pom iarowo-rejestrujący Fig.3. Test stand: a/ investigated ring: b/ measuring - recording system
Zam ontowany do tarczy element układu optycznego synchronizował moment wyzwalania pomiaru.
3. POMIAR N A TĘ Ż E N IA PO LA M A G NETY CZN EG O
Pomiar natężenia pola m agnetycznego prow adzono w odległości lm m od powierzchni ze
wnętrznej krążka. W ykryto nierów nom iem ość jego w artości, a tym samym i różnice naprę
żeń, które potw ierdzone zostały pomiarami tensometrycznymi. Dla tensom etrów T4 i T2, naklejonych ja k pokazano na rys. 1, zanotow ano m etodą wzorcow ania oporow ego asymetrię.
Różnice naprężeń w ykryto także w pomiarze natężenia pola magnetycznego. Asymetria ta widoczna je st na rysunku 4a w miejscach oznaczonych literami a i b. Rysunki 4b oraz 4c przedstawiają prezentacje w yników pom iaru i wyników symulacji na wykresie kołowym.
bez pierścienia w ew nętrznego w łożony pierścień w ewnętrzny w cisk I
w cisk II
j e d e n o b r ó t i ________ 360°
z rra c z n ik obrotu
809 [A/m]
bez krążka
Rys. 4. Wyniki badań rozkładu naprężeń: a, b- pomiar, c- symulacja
Fig.4. Measuring results o f stresses distribution a/ m easurem ent b/ simulation
Synchronizacja procesu pom iaru z obrotem pierścienia umożliwia lokalizacje miejsc, w k tó rych wykryto zmiany w rozkładzie naprężeń.
78 Z H. Żurek
4. POD SUM OW ANIE I W N IOSKI
Założony cel badań polegający na ocenie równom ierności naprężeń w pierścieniu od wci
sku został zrealizowany. Potw ierdzono eksperymentalnie możliwość wykrywania zmian na
prężeń dla stali konstrukcyjnych o niewielkich czułościach magnetomechanicznych i w spół
czynnikach magnetostrykcji [2, 3], Badania wstępne posłużą do weryfikacji założeń pomia
rowych i wyniku pom iaru w dalszych badaniach.
Przeprow adzona zostanie analiza mająca na celu wykrycie przyczyn rozbieżności pomię
dzy badaniami a symulacją. Przyczyna rozbieżności m oże być związana z konstrukcją sondy przystosowanej do pomiaru powierzchni płaskich, wpływem materiału i przekroju pierścienia wciskanego, zakresem zadanych naprężeń, a także przebiegiem linii sił pola magnetycznego na wewnętrznej powierzchni styku pierścieni. D latego w dalszych badaniach przewidziano:
ograniczenie zakresu w prow adzonych naprężeń do 50% granicy sprężystości, zmianę materiału pierścienia wewnętrznego,
- modyfikację sposobu pom iaru odległości pomiarowej sondy,
- zmiany w konstrukcji sody przystosowanej do pomiaru powierzchni płaskich.
Literatura
1. Bieńkowski A .: M eto d a badania m agnetosprężystego zjawiska Villariego w ferrytach. VI Krajowe Sympozjum Pom iarów M agnetycznych, str. 59-66.
2. Kaczkowski Z: M ateriały piezoceram iczne i ich zastosowanie. Praca zbiorowa PWN, W arszawa 1978.
3. Etienne du Trem olet de Lacheisserie.: Theory a n d A pplications o f M agnetoelasticity.
CRC PRESS - B oca Raton, Ann A rbor, Boston, London 1992.
4. Żurek Z.H.: Pom iary sił i naprężeń w stalach węglowych, w oparciu 0 m agnetom echaniczny efekt Villariego, Politechnika Śląska, N ow e technologie 1 materiały w metalurgii i inżynierii materiałowej, IX Seminarium N aukow e, Katowice 2001, str. 197-202.
5. Żurek Z.H.: Wykorzystanie efektu Villariego w diagnostyce technicznej, X L Sympozjum PTM TS, M odelow anie w Mechanice, Wisła, Polska, 2001, ZN Katedry Mechaniki Sto
sowanej z.17, str.251-256.
6. Żurek Z.H.: Przetworniki pom iaru sił i naprężeń w oparciu o efekt Vilariego. Politechni
ka Śląska, ZN Transport, z,43, Gliwice 2002, str. 153-168.
7. Żurek Z.H.: U tilization o f m agneto m echanical effects f o r detecting m aterial stress and defects in technical diagnostics. A dvances in manufacturing science and technology, Pol
ish Academy O f Sciences, Com m ittee O f Mechanical Engineering, vol.26/3, 2002.
8. Żurek Z.H.: Pom iary p o la m agnetycznego w diagnostyce technicznej i materiałowej ele
mentów maszyn. X X V I IC -SPETO M iędzynarodow a Konferencja z Podstaw Elektro
techniki i Teorii O bw odów, Gliwice-Ustroń 22-25. m aja 2002, str. 75-80.
9. Żurek Z.H.: P om iary naprężeń wewnętrznych w materiałach ferrom agnetycznych. 10 Jubileuszowe Seminarium N aukow e,Politechnika Śląska. N ow e technologie i materiały w metalurgii i inżynierii materiałowej, Katowice, 10 maja 2002. str. 203-208.
10. Żurek Z.H.: E fekty m agnetyczne użyteczne w diagnostyce technicznej, Politechnika Ślą
ska, ZN Elektryka, z 176, Gliwice 2001, str. 153-158.
11. Żurek H. Z: Sonda pom iarow a defektoskopu m agnetycznego P 344 055. Politechnika Ślą- ska,Gliwice 2001.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Zdzisław Kabza Abstract
Magnetic investigations o f machine elements made o f ferromagnetic materials have signifi
cant meaning in technical diagnosis. They can give additional findings, which couldn’t be obtained w ith the use o f vibroacoustic research. M easurem ents o f stresses distribution in the interferential connection o f tw o ferrom agnetic elements proved, that these m easurem ents are possible and easy - to - take for low materials o f m agneto - elastic sensitivity and low mag- netostricion coefficients. Additional advantage o f above mentioned researches are m easure
ments w ithout contact in running and mechanical loaded elements.
