УДК. 620.178.151.2
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ
СТАЦИОНАРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНСТРУКТИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ
Колганов О.А.1, Фёдоров А.В.1
Научный руководитель – д.т.н. Лукьянов Г.Н.1
1
– Университет ИТМО
e-mail: kolganoff2014@yandex.ru, afedor62@yandex.ru, gen-lukjanow@yandex.ru
Работа выполнена в рамках темы НИР №620164 «Методы искусственного интеллекта для
киберфизических систем».
В данной работе рассматриваются вопросы создания экспериментального стенда для
исследований метода и прибора динамического индентирования. Представлены основные
требования к разработке данного стенда. Предложено использовать пьезоэлектрический сброс
ударника датчика динамического индентирования. Разработан прототип датчика для прибора
динамического индентирования.
Ключевые слова: динамическое индентирование, контактно-ударное взаимодействие, система
регистрации, параметры движения, прототип датчика динамического индентирования,
пьезоэлектрический сброс, стенд.
Контроль качества материалов на различных стадиях жизненного цикла изделия
является актуальной и востребованной задачей на производстве. В настоящее время для
решения задачи по неразрушающему контролю (НК) материалов изделий или их
составных частей на этапах производства, испытаний и эксплуатации широкое
применение находят безобразцовые методы контроля физико-механических свойств.
Применение этих методов, там, где это возможно снижает конечную стоимость
продукции, повышает оперативность и дает возможность осуществлять контроль на
стадии эксплуатации изделия иногда без остановки его работы
Одним из перспективных поверхностных методов безобразцового контроля для
оценки физико-механических свойств материала образца или изделия является метод
динамического индентирования.
Сущность метода ДИ и его приборной реализации заключается в регистрации
параметров движения ударника в процессе контактно-ударного взаимодействия (КУВ) с
испытуемым материалом. В качестве средства регистрации параметров движения
ударника применяется неподвижная катушка индуктивности. В процессе КУВ движение
магнита вызывает изменение магнитного потока, проходящего через катушку
индуктивности. При этом, к последней наводится сигнал ЭДС, пропорциональный
скорости движения ударника на всем временном интервале его КУВ.
На рис. 1 показан график изменения ЭДС в катушке индуктивности. До ударноконтактного взаимодействия на ударника действует только сила тяжести. В момент
касания объекта контроля скорость ударника убывает от максимального значения до нуля,
а затем меняя знак, поскольку меняется направление движения ударника, скорость
достигает своего минимального значения называемого скоростью отскока [1].
Рис. 1. График изменения ЭДС в катушке индуктивности
Одним из основных элементов прибора динамического индентирования является
первичный преобразователь с помощью, которого производится получение первичной
информации при КУВ.
Датчик для прибора динамического индентирования состоит из следующих
конструктивных элементов: 1. система сброса; 2. система регистрации параметров
движения ударника; 3. ударника. На рис. 2 показана 3D модель датчика для
динамического индентирования.
Рис. 2. – Датчик для прибора ДИ: а) Конструкция датчика – 1. Система
сброса; 2. Система регистрации параметров движения ударника; 3. Ударник; б)
Система регистрации – 4. Катушка индуктивности; 5. Магнит; 6. Корпус катушки
индуктивности; 7. Защитная крышка
Система регистрации является одним из важных элементов устройства. В настоящее
время для регистрации параметров движения ударника, согласно ГОСТ Р 56474-2015,
используется магнитоиндукционный метод [2]. Однако следует отметить, что значения
параметров первичного преобразователя и устройства его разгона стандартом не
нормированы [3].
На сегодняшний день исследования для совершенствования метода динамического
индентирования сосредоточены на решении вопросов перехода от значений
характеристик КУВ ударника с испытываемым материалом. Исследования связанные с
вопросами повышения точности и достоверности получения аналоговой информации с
датчика динамического индентирования не получило должностной проработки.
Основным требованием к получаемому аналоговому сигналу с первичного
преобразователя, при разработке датчика динамического индентирования, является то,
чтобы на всем участке КУВ наблюдалась линейная зависимость скорости внедрения. На
сегодняшний день данное требование достигается конструктивными особенностями
системы регистрации и электрическими параметрами катушки при настройке и отладке
датчика.
В настоящее время разработка, испытание и внедрение датчиков для прибора
динамического индентирования является актуальной задачей для совершенствования
метода динамического индентирования. Для решения вышеуказанной задачи необходимо
провести
исследования
конструктивных
элементов
датчика
динамического
индентирования, провести оценку получаемых результатов и решить оптимизационную
задачу повешения точности получения аналоговой информации. Разработка стенда для
стационарных исследований конструктивных элементов датчика необходима в первую
очередь для выбора и отработки метода регистрации параметров движения ударника,
исследования конструктивных элементов датчика и определения факторов, влияющих на
точность формы получаемого аналогового сигнала.
Целью данной работы является разработка стенда для стационарных исследований
конструктивных элементов датчика динамического индентирования.
Для разработки экспериментального стенда исследований конструктивных
элементов датчика динамического индентирования были выдвинуты следующие
требования:
 фиксирование момента времени падения ударника;
 установка систем регистрации движения ударника, основанных на различных
физических методах;
 изменение высоты и скорости падения ударника;
 возможность регистрации движения ударника при сквозном пролете и при КУВ;
 перпендикулярное
расположение
прототипа
датчика
динамического
индентирования.
Для выполнения выше поставленных требований к экспериментальному стенду была
разработана модель (рис. 3), которая включает в себя следующие блоки: конструктивномеханизированную оснастку; лабораторный блок питания; цифровой осциллограф и
прототип датчика динамического индентирования.
Рис. 3. Модель стенда для стационарных исследований конструктивных
элементов датчика динамического индентирования
Используя систему автоматизированного проектирования (САПР) Solid Works (SW),
была разработана 3D модель экспериментального стенда для стационарных исследований
конструктивных элементов датчика для динамического индентирования (рис. 4). Для
выполнения требования перпендикулярного расположения, фиксации прототипа датчика
динамического индентирования была разработана конструкционно-механизированная
оснастка, которая состоит из механизма фиксации и позиционирования прототипа датчика
и его линейного перемещения по оси Z.
Рис. 4. Стенд для стационарных исследований конструктивных элементов
датчика для динамического индентирования: 1. конструкционномеханизированная оснастка; 2. лабораторный блок питания (источник питания); 3.
осциллограф цифровой; 4. прототип датчика динамического индентирования
На рис. 5 разработана модель прототипа датчика, которая включает в себя
следующие блоки: устройство сброса ударника; система регистрации параметров
движения ударника и ударник. Разработка этих блоков выполнена для обеспечения
вышеуказанных требований к стенду.
Рис. 5. Модель прототипа датчика динамического индентирования
На рис. 6 показана 3D модель прототипа датчика для прибора динамического
индентирования, который состоит из ударника, устройства сброса ударника и системы
регистрации параметров движения ударника, направляющего штока и соединителя.
Прототип разработан модульным способом, что позволяет менять конструкцию
датчика, использовать различные методы регистрации параметров движения ударника и
изменяя высоту падения ударника менять скорость движения.
Преимуществом использования модулей системы регистрации параметров движения
ударника заключается в возможности использования для экспериментальной отработки
различных методов регистрации движения тела.
Рис. 6. Прототип датчика для прибора динамического индентирования: 1 –
Устройство сброса ударника; 2 – Направляющий шток; 3 – Система регистрации
параметров движения ударника; 4 – Ударник; 5 – Соединитель
В качестве устройства сброса и фиксации ударника был разработан механизм на
основе пьезоэлектрического актуатора. Устройство пьезоэлектрического сброса состоит
из основания, пьезоэлектрического керамического привода PZT и фиксирующей
пластины. Принцип действия пьезоэлектрического устройства сброса следующий,
пьезоэлектрические элементы (2) фиксируют ударник (4) с помощью фиксирующей
пластины (3).
Рис. 7. 3D модель пьезоэлектрического устройства сброса:
1. Основание; 2. Пьезоэлектрический керамический привод PZT; 3. Фиксирующая
пластина; 4. Ударник
На рис. 8 показана схема управления пьезоэлектрическим устройством сброса. На
усилитель напряжение подается входное напряжение смещения. Усилитель предназначен
для емкостной нагрузки и позволяет приводить в действие пьезоэлектрические приводы в
диапазоне напряжений 0…140 вольт. В начальном положении ударник зафиксирован с
помощью пьезоэлектрических приводов. Используя микроконтроллер выполняется
фиксирование момента времени падения ударника.
Обоснованием использования представленной системы заключается в отсутствии
электромагнитного влияния на систему регистрации параметров движения ударника.
Рис. 8. Схема пьезоэлектрического устройства сброса ударника
Таким образом было выполнено проектирование экспериментального стенда для
исследований метода и прибора динамического индентирования. Представлены основные
требования к разработке стенда. Предложено использовать пьезоэлектрический сброс
ударника. Разработан прототип датчика для прибора динамического индентирования.
Литература
1. ГОСТ Р 56474-2015 Системы космические. Контроль неразрушающий физикомеханических свойств материалов и покрытий космической техники методом
динамического индентирования. Общие требования.
2. Крень А.П., Рабцевич А.В., Зинкевич Н.В. Моделирование ударного контакта
индетора с нежесткими стальными конструкциями при изменении твердости // Известия
национальной академии наук Беларуси. Серия Физико-технических наук. 2017. №4. С. 38
– 45.
3. Крень А.П., Рудницкий В.А., Делендик М.Н. Оценка погрешности определения
физико-механических характеристик материалов при их контроле методом
индентирования // Приборы и методы измерений. 2018. Т.9. №3. С. 263 – 271.
Аспирант
____________________
Колганов О.А.
Научный руководитель
____________________
Лукьянов Г.Н.