Nagyszilárdságú feszítőcsavarokban ébredő orsóerő meghatározása mágneses Barkhausen-zaj mérésére alkalmas műszerrel Műszaki szabályozás végleges tervezete
METALELEKTRO KFT 2004.
Tartalomjegyzék 1. A VIZSGÁLAT CÉLJA.................................................................................................................. 2 2. A VIZSGÁLATI MÓDSZER ELVI ALAPJAI ............................................................................ 2 3. AZ ALKALMAZÁS FELTÉTELEI .............................................................................................. 2 4. A BERENDEZÉS LEÍRÁSA.......................................................................................................... 2 5. A VIZSGÁLAT ELŐKÉSZÍTÉSE, KALIBRÁLÁS.................................................................... 3 5.1. MINTAVÉTEL ................................................................................................................................... 3 5.2. GERJESZTÉSI SZINT OPTIMALIZÁLÁSA .............................................................................................. 4 5.3. KALIBRÁLÁS.................................................................................................................................... 4 6. A VIZSGÁLAT VÉGREHAJTÁSA .............................................................................................. 5 7. A VIZSGÁLAT EREDMÉNYEI, A VIZSGÁLATI JEGYZŐKÖNYV TARTALMA ........... 5
1. A vizsgálat célja A vizsgálat célja nagyszilárdságú feszítőcsavarokkal (továbbiakban NF csavarok) szerelt szerkezetek feszítőcsavarjaiban lévő orsóerő meghatározása. Az NF csavaros kötésekben a kapcsolat teherbírását nem a csavarorsó nyírással szembeni ellenállása adja, hanem az előfeszített NF csavar által összeszorított elemek között ébredő súrlódás. Könnyen belátható, hogy a szerelt kapcsolat minősítésének (az NF csavaros kapcsolat minősítése) szempontjából döntő fontosságú az NF csavaron jelentkező orsóerő. A vizsgálathoz alkalmazott mérési módszer: a csavarfej meghatározott nagyságú és frekvenciájú mágneses térrel végzett átmágnesezése során a fej középső részén mérjük a mágneses Barkhausen-zajt, melynek nagyságát összehasonlítjuk ugyanolyan csavartípuson különböző orsóerők mellett mért Barkhausen-zaj értékekkel, az u.n. kalibrációs görbével, és ebből határozzuk meg a vizsgált csavarban ébredő orsóerőt. 2. A vizsgálati módszer elvi alapjai Végeselemes számítással, feszültségoptikai modellkísérlettel és mérési kísérlettel bizonyítható, hogy a csavarfej felső lapján kialakuló feszültség függ az orsóerőtől, a csavarfej középső felületén mért feszültségváltozás arányos az orsóerővel és bizonyos átfogott lemezvastagság felett független az átfogott lemezek vastagságától. A csavarfej felső lapjának középső felületén az orsóerő változására bekövetkező feszültségváltozás mérését a mágneses Barkhausen-zaj mérésével valósítjuk meg. Ismert, hogy a ferromágneses anyagok átmágnesezése során a mágnesezettségi állapot nem folyamatosan, hanem kis ugrásokal változik, ami mágneses illetve akusztikus zajt indukál. A zaj intenzitása függ az anyag mikrostruktúrájától (ötvözőtartalom, hőkezelési állapot, diszlokációsűrűség, szövetelemek, szemcseméret, gyártástechnológia) és a mechanikai feszültségtől, ezáltal ellenőrzött struktúra mellett a mágneses Barkhausen-zaj mérésével következtetni lehet az anyagban kialakult mechanikai feszültségre. 3. Az alkalmazás feltételei A vizsgált NF csavar fejénél akkora helynek kell lenni, hogy a mérőfejet pontosan hozzá lehessen illeszteni, a csavarfej korrózióvédő bevonata nagyjából egyenletes legyen (pl. ne legyenek rajta festékmegfolyások). Nem hajtható végre a mérés, ha a csavarfejen lévő festékréteg olyan vastag, hogy a műszer nem képes a beállított mágnesezésre, vagy ha a csavarfej középső része szemmel látható sérülést szenvedett. Szintén nem hajtható végre a mérés, ha a környezeti hőmérséklet kívül esik a műszer specifikációjában megadott tartományon. (A mérési elv a gyakorlatilag hőmérsékletfüggetlen, a megadott hőmérséklethatárok a műszer elektronikájának és beépített számítógépének szempontjából fontosak.) 4. A berendezés leírása A berendezés két fő részből áll: Egyéb tartozékok:
- Mérőfej - Műszer - Akkumulátor + Töltő - 3,5'' mágneslemez-meghajtó - Soros csatolókábel
A mérőfej egy 60 x 50 x 30 mm méretű 250g súlyú egység, melyet csatlakozóval ellátott, 5 m hosszú kábel köt össze a műszerrel. A mérőfejben van az átmágnesező egység, a mérőtekercs és a légrésmérő valamint a mérést indító kapcsoló. 2
A műszer 330 x 300 x 210 mm-es állítható hordfogantyúval ellátott egység, amelynek súlya akkumulátorral együtt 7 kg. A műszer vezérlését egy beépített számítógép végzi. A számítógéphez a műszerdobozba beépített folyadékkristályos képernyő és fóliabillentyűzet tartozik (1. ábra). A műszer tartalmaz: – Gerjesztő elektronikát, mely alkalmas a szokásos festékréteg mellett is a beállított gerjesztési szintet stabilan tartani. – Mérő és jelfeldolgozó elektronikát, mely a detektált mágneses Barkhausen-zaj erősítését és a zajnak a mechanikai feszültségtől függő valamely jellemzőjének, pl. RMS (négyzetes középérték) vagy abszolút középértékének, képzését végzi. – Beépített számítógépet, mely az elektronikát vezérli és az adatok rögzítését végzi. A beépített számítógépen futó program a következő felépítésű: – Kalibráló egység, mely a kalibrálandó csavartípus adataihoz hozzárendeli az optimális gerjesztési szintet, az alkalmazott mérőfejet és a kalibráló mérés eredményeiből meghatározott kalibrációs görbét. – Mérőegység, mely a mérendő csavartípus adatainak bevitele után meghatározza a gerjesztési szintet, a mérési eredményből a csavartípusra a vonatkozó kalibráció alapján számítja az orsóerőt és menti a mérési eredményt. – Kiértékelő egység, mely a mérések dokumentálását és jegyzőkönyv készítését teszi lehetővé.
1. ábra A BOLTSTRESS műszer 5. A vizsgálat előkészítése, kalibrálás A vizsgálat előkészítése három lépésből áll: – Mintavétel – Gerjesztési szint optimalizálása – Kalibrálás 5.1. Mintavétel Kalibráláshoz a vizsgálandó szerkezet csavarjaiból mintát kell venni, mert minden csavartípus más és más mágneses tulajdonságokkal rendelkezhet. Csavartípus alatt az egy gyártótól származó, azonos méretű, azonos hosszúságú, szilárdságú, azonos felületi kezeléssel rendelkező csavarokat értjük. Hidak esetében egy tétel 3
megegyezően az új kiadás előtt álló Hídszabályzattal - 2000 db csavar egy csavartípusból. A kalibrálást beépítés előtt tételenként 5 db csavaron kell elvégezni hidak időszakos vizsgálatánál. Ha a vizsgálandó csavarok között egy-egy csavartípus mennyisége nem éri el a 2000 db-ot, akkor 100db-ig 1db, 500db-ig 2db, 1000db-ig 3db, 1500db-ig 4db csavart kell kiszerelni, és a kalibrálásba bevonni. 5.2. Gerjesztési szint optimalizálása A vizsgált csavaron a feszültségvizsgálat szempontjából optimális gerjesztési szint az, melynek alkalmazásával a legnagyobb jelváltozás következik be a csavar névleges orsóerőre történő meghúzása során. Ennek a gerjesztési szintnek a nagysága függ a vizsgált csavar anyagától, annak kémiai összetételétől, szilárdságától stb... Tipikus értéke 0.1-1 kA/m. Meghatározása úgy történik, hogy a csavar erőmentes valamint névleges orsóerőre meghúzott állapotában a mágnesezési szintet növelve lemérjük a mágneses Barkhausen-zajt és képezzük az erőmentes és névleges erőhöz tartozó, azonos mágnesezési szintek mellett mért mágneses Barkhausen-zaj értékek arányát, mint a mágnesezési szint függvényét. Az optimális gerjesztési szintet ezen függvény maximumához tartozó mágnesezési szint jelenti; ezt kell a műszeren beállítani kalibráláskor, illetve a mérés során (2. ábra). Mágneses Barkhausen-zaj 1.2 MBN
Erõmentes MBN0 (H)
1
Névleges orsóerõ MBN1 (H)
0.8 0.6 0.4
MBN0 (H) ———— arány MBN1 (H)
0.2 0 0
5
10
Optimális gerjesztési szint
15
20
25 H Mágnesezési szint
2. ábra Az optimális gerjesztési szint meghatározása 5.3. Kalibrálás A kalibrálást lehetőség szerint a helyszíni mérés elvégzése előtt kell végrehajtani. Kalibrálás alatt a vizsgált csavartípusból származó mintákon végrehajtott azon mérést értjük, mely során meghatározzuk a csavar fején mérhető mágneses Barkhausen-zaj és az orsóerő közötti összefüggést. A kalibrálás menete a következő: A csavarra két alátét közé behelyezett erőmérő cellát a csavaranya meghúzásával szorítjuk össze. Ez az erőmérő cella szolgál az orsóerő mérésére. A csavar fején - az optimális gerjesztési szint meghatározása után - három irányban mérjük a mágneses Barkhausen-zajt a különböző orsóerők mellett. Az erőmentes állapottól a névleges orsóerő 110%-áig terjedő erőtartományt célszerű legalább 4-5 pontra felosztani. A típikus összefüggés a csavar fején mért mágneses Barkhausen-zaj és a névleges orsóerő között - mindkét
4
mennyiség normálása után - a 3. ábrán látható. A bemutatott diagram csak tájékoztató adat, az összefüggést minden egyes kalibrálásnál fel kell venni. Összefüggés a normált orsóerõ és a normált Barkhausen-zaj között
B/Bo
1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
0,25
0,5
0,75
0,1
F/Fnévl
3. ábra Az egy csavartípusokból számazó egyes csavarokon elvégzett kalibrációból átlagolva kapjuk az adott csavartípusra jellemző kalibrációs görbét. 6. A vizsgálat végrehajtása A vizsgált szerkezeten a vonatkozó vizsgálati szabályzat (pl. Vasúti Hídszabályzat) szerint előírt mennyiségű csavart kell kijelölni vizsgálatra a szabályzat által megadott irányelveknek megfelelő helyeken. A csavarokat a mérés kezdetekor egyedi jellel kell ellátni, melyet a mérőprogramba is be kell vezetni. Egy NF csavar vizsgálata három mérésből áll, melyeket a mérőfej három különböző, 120°- onként elfordított helyzetében kell végezni. A mérés során a mérőfejet - ügyelve a lehető legjobb felfekvésre - a csavarfejre kell helyezni, majd a mérőfejen lévő indítógombbal megkezdhető a mérés. A mérés befejezésekor a műszer hangjelzést ad. A mérés ideje alatt a mérőfejet mozdulatlanul kell tartani. Ha a mérés folyamán a mérőfej megmozdult, vagy egyéb ok miatt a mért eredmények hibásak, a műszer hibajelzést ad. Ekkor a mérést meg kell ismételni. 7. A vizsgálat eredményei, a vizsgálati jegyzőkönyv tartalma A vizsgálat eredménye a vizsgált csavarok orsóerejének meghatározása. Az eredményekből a vizsgált szerkezetre vonatkozó értékelések, illetve következtetések a vizsgált szerkezet fajtára érvényes előírások (pl. Hídszabályzat) alapján tehetők meg. A vizsgálati jegyzőkönyv egyes csavarokra vonatkozóan tartalmazza: – a csavar helyét a vizsgált szerkezeten, – a csavar jelölését, – a csavar típusát gyártó, méret, hossz és esetleg további gyártási adatok (pl. adagszám) szerint, – a kalibráció során meghatározott MBN RMS értékhez tartozó orsóerő értékét – az alkalmazott vizsgáló berendezés adatait, – az alkalmazott mérési paramétereket.
5
