Намагниченность ферромагнитного тела

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Размагничивание, уменьшение остаточной намагниченности ферромагнитного тела (образца, детали) после устранения внешнего намагничивающего поля.

Намагниченные детали из ферромагнитных материалов перед сборкой из них технических установок и приборов обычно размагничивают для устранения влияния остаточных магнитных полей на измерительные устройства, прилипания к деталям ферромагнитных частиц и так далее. Размагничивают также образцы, служащие для определения магнитных свойств материалов, так как эти свойства зависят от магнитной предыстории образцов.

Детали или образцы считаются размагниченными, если векторы намагниченности областей самопроизвольного намагничивания располагаются в них хаотически и средняя намагниченность в любом их сечении равна нулю или меньше величины, заданной техническими условиями или другим нормативными документами.

Примером вредного влияния намагниченности могут служить сварочные работы на магистральных нефтепроводах. Опыт этих работ показал, что сроки и стоимость ремонта трубопровода во многом зависят от уровня магнетизма в трубах. При строительстве и ремонте трубопроводов используют сварку на постоянном токе. Наблюдаемое при этом воздействие магнитного дутья, которое является следствием наличия остаточного магнетизма в металле трубопровода, на сварочный процесс нарушает стабильность горения дуги и формирование сварного шва. Предельные значения индукции магнитного поля в зоне сварки, не оказывающие вредного влияния на процесс, находятся на уровне 1-3 мТл для ручной дуговой сварки в зависимости от положения шва (нижнее, вертикальное, потолочное).

Остаточная намагниченность при сборке подшипников качения также оказывает существенное влияние на их качество и эксплуатационные показатели. Она вызывает их повышенный износ из-за удержания ферромагнитных частиц на поверхности трения, а также электроэрозионное разрушение подшипников при возникновении паразитных электрических токов от вращающихся намагниченных узлов. Намагниченность возникает, в основном, на стадии изготовления колец подшипника и роликов при их шлифовании на станках с электромагнитными закрепляющими устройствами и затем сохраняется после сборки подшипников.

Важной особенностью является векторное сложение магнитных полей элементов собранного подшипника, в связи с чем, намагниченность отдельных участков подшипника не остается постоянной как по величине, так и по их месторасположению, а изменяется при относительном вращении колец подшипника. Эта особенность не всегда учитывается на предприятиях - изготовителях при контроле остаточной намагниченности подшипников.

Таким образом, размагничивание деталей и контроль уровня остаточной намагниченности являются весьма актуальными задачами, грамотное решение которых позволяет достигать высокого качества и долговечности продукции.

До настоящего времени качество и производительность размагничивания подшипников качения оказываются недостаточно высокими и не соответствуют современным требованиям производства. В связи с этим возникает задача поиска новых методов и средств размагничивания подшипников.

1. Анализ существующих методов размагничивания подшипников

1.1 Теория намагничивания ферромагнетиков

Характеристиками магнитного поля являются его напряженность (А/м) и магнитная индукция (Тл), внесистемными единицами для их измерения-соответственно эрстед (Э) и гаусс (Гс). Единицы напряженности (А/м и Э) и магнитной индукции (Тл и Гс) связаны между собой следующей зависимостью:

1 Гс = 1 Э = 80А/м = 1*10-4Тл.

Даже полностью размагниченный магнетик имеет некую элементарную намагниченность, распределенную по всему его объему. Эта самопроизвольная намагниченность, обусловленная обменным взаимодействием электронов, из-за существования других взаимодействий (магнитокристаллического, магнитоупругого и магнитостатического) обычно неоднородна по всему объему, т.е. имеет место распределение намагниченности по кристаллографическим направлениям, соответствующим минимуму полной энергии магнетика. Опыт показывает, что самопроизвольная намагниченность в магнетике обычно имеет сложное распределение, состоящее в том, что магнетик разбивается на множество областей (доменов), в каждой из которых самопроизвольная намагниченность однородна и направлена по одной из осей легкого намагничивания. Образуется доменная структура. На рисунке 1.1.1 приведена доменная структура кремнистого железа на плоскости (001). Направление спонтанной намагниченности в доменах указано стрелками. Кристаллическая решетка кремнистого железа имеет три оси легкого намагничивания (001), (010) и (100).



Рисунок 1.1.1. Доменная структура на поверхности (001) кристалла FeSi.

Кристаллическая решетка гексагонального кобальта имеет лишь одну ось легкого, намагничивания. На рисунке 1.1.2а схематически представлена доменная структура магнитоодноосного магнетика. Основная доменная структура представляет совокупность доменов 180°-го типа. В доменах меньшего размера намагниченность противоположна намагниченности основных доменов. Эти домены, уменьшающие магнитные полюса и, следовательно, магнитостатическую энергию на поверхности магнетика, называются замыкающими.

Замыкающие домены магнитотрехосного монокристалла с правильной кристаллографической ориентацией показаны на рисунке 1.1.2б, 1.1.2в. Из-за явления магнитострикции возникновение замыкающих доменов сопровождается магнитострикционной деформацией и упругими напряжениями (рисунок 1.1.3). В монокристаллах кремнистого железа с небольшим отклонением их поверхностей от кристаллографических плоскостей возникают замыкающие домены в виде "елочек" (рисунок 1.1.4). Внутренние упругие напряжения вызывают искажение доменной структуры (рисунок 1.1.5а). В поликристаллических магнетиках в каждом зерне своя доменная структура (рисунок 1.1.5б), доменные структуры соседних зерен сочетаются таким образом, чтобы магнитные заряды на границах и магнитостатическая энергия были минимальными.

а) б)

в)

Рисунок 1.1.2. Схематическое изображение доменной структуры: а - одноосного ферромагнетика, б - замкнутой доменной структуры, в - магнитострикционной деформации замыкающих доменов.



Рисунок 1.1.3. Смещение доменной границы и вращение намагниченности: а - намагничивания в направлении (100); б - (110).



а) б)

Рисунок 1.1.4. а) Иллюстрация доменов типа «елочка», б) Доменная структура (елочка) на поверхности FeSi, немного отклоняющаяся от плоскости (001)

а) б)

Рисунок 1.1.5. а) Доменная структура при хаотическом распределении внутренних напряжений. б) Схематическое представление доменной структуры поликристалла.

В малых магнитных частицах возможна однодоменная структура (рисунок 1.1.6а). В зависимости от величины кристаллографической анизотропии и магнитострикции доменная структура может быть разной (рисунок 1.1.6). Под действием пластической деформации, например, при нанесении царапины, доменная структура может резко измельчаться и принимать очень сложную форму (рисунок 1.1.7). Вблизи включения посторонних, немагнитных фаз или фаз с другими магнитными константами, возникает специфическая доменная структура (рисунок 1.1.8).

а) б) в)

г) д)

Рисунок 1.1.6.Доменные структуры: а) однодоменная структура, б) магнитная структура ферромагнитной частицы с малой магнитной анизотропией, в) доменная структура ферромагнетика с одноосной анизотропией, г) доменная структура ферромагнетика с большой кристаллографической анизотропией, д) доменная структура ферромагнетика с большой магнитострикцией.

Рисунок 1.1.7. Доменная структура, возникшая из царапины на поверхности (100) 3% Fe-Si кристалла.

Рисунок 1.1.8. Свободные полюса и доменная структура вблизи сферических включений.

Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то оно, воздействуя на магнитные моменты доменов, приведет к смещению границ между доменами и к повороту направления спинов (круговых токов) внутри доменов. Оба эти эффекта вызовут намагничивание образца, которое называют техническим намагничиванием, в отличие от спонтанного намагничивания, всегда (и без наличия внешнего магнитного поля) имеющего место внутри доменов.

Рисунок 1.1.9. Типичная кривая намагничивания и петля гистерезиса мягкого железа

Надо заметить, что происходит усиление приложенного магнитного поля в несколько тысяч раз. Усиление поля происходит благодаря ориентации круговых токов электронов в приложенном магнитном поле вокруг атомов, под действием электромагнитной индукции.



Рисунок 1.1.10. Кривая намагничивания ферромагнетика

Рисунок 1.1.11. Различные виды магнитной восприимчивости в зависимости от намагниченности.

Рассмотрим подробнее процесс намагничивания ферромагнетика. Типичная кривая намагничивания поликристаллического ферромагнетика (стали, ферриты, магнитные сплавы) приводится на рисунке 1.1.10 и на рисунке 1.1.9, участок a. Крутизна кривой намагничивания характеризует магнитную восприимчивость ? (проницаемость ? = 1 + 4??), зависящую от степени намагниченности магнетита (рисунок 1.1.11). На кривой намагничивания (рисунок 1.1.10) можно различить четыре участка, обозначенные цифрами 1--4. Первый участок соответствует очень малым полям. Преобладающим механизмом намагничивания на этом участке будут процессы обратимого упругого смещения границ доменов. Сущность этого механизма сводится к тому, что границы доменов, вектор намагниченности которых составляет с Н (приложенным полем) небольшой угол, смещаются в сторону увеличения размеров этих наиболее удачно расположенных доменов за счет уменьшения объема соседних доменов с иным направлением спонтанной намагниченности. На рисунке 1.1.12 положение а, границы домена, соответствует отсутствию внешнего магнитного поля, положение b - смещению границы при наложении слабого магнитного поля, направление которого показано вектором Н. После снятия внешнего поля граница между доменами снова возвращается в прежнее положение а, - т. е. остаточная намагниченность не возникает. Отсюда ясно, почему такого рода смещения границ доменов называют обратимыми и упругими.

Рисунок 1.1.12. Схематическое, увеличенное изображения участков и границ доменов с разной ориентацией магнитных полей в них

Увеличение напряженности внешнего поля приводит далее к необратимым процессам - к скачкообразной переориентировке спинов (см. рисунок 1.1.10, участок 2). При достаточной величине намагничивающего поля домены, вектор намагниченности которых составляет большой угол с направлением поля Н, будут обладать большой потенциальной энергией, т. е. окажутся в энергетически невыгодном состоянии. Вследствие этого происходит переориентация магнитного момента в сторону уменьшения угла с Н. Внутри домена вследствие наличия сил обменного взаимодействия, все спины ориентированы параллельно. Переориентация спинов внутри одного домена происходит не постепенно, а скачкообразно: спины внутри домена поворачиваются одновременно (см. рисунок 1.1.10, область А).

Участок 3 кривой технического намагничивания (см. рисунок 1.1.10) называется областью вращения. Процесс намагничивания на этом участке состоит в том, что магнитные моменты доменов, составляющие уже небольшой угол с Н, постепенно поворачиваются до полного совпадения с направлением Н, что будет соответствовать намагниченности до насыщения.

При дальнейшем возрастании напряженности поля Н выше состояния технического насыщения все же происходит незначительное увеличение намагниченности образца. Этот процесс называется парапроцессом.

Форма кривой намагничивания каждого магнетика зависит от исходного (начального) магнитного состояния. Из множества кривых намагничивания выделяют основную кривую намагничивания, для получения которой магнетик был предварительно размагничен, причем построение основной кривой намагничивания должно проводиться при непрерывной коммутации намагничивающего поля. В противном случае будут возникать частные петли (рисунок 1.1.13). Для намагничивания магнетика необходимо совершить работу, величина которой графически представляется заштрихованной площадью на рисунке 1.1.14.



Рисунок 1.1.13. Основная кривая намагничивания и частные петли.

Рисунок 1.1.14. Штрихованная площадь пропорциональна работе намагничивания единицы объема.

При ослаблении магнитного поля, кривая намагничивания будет иметь иной вид (см. рисунок 1.1.9, участок b). Исходя из вида кривой, видно, что при ослаблении приложенного поля Н магнитная индукция ферромагнетика В не уменьшается до нуля, а остается довольно значительной.

1.2 Методы размагничивания ферромагнетиков

Технологии изменения магнитного состояния материалов очень давно и активно развиваются в отраслях, связанных с изготовлением постоянных магнитов (электротехнической, приборостроительной, электронной и др.), а также там, где намагниченность является нормируемым параметром (в судостроении). В этих отраслях уже сложились определенные методы, традиции, практика и терминология. Поэтому государственные стандарты, касающиеся терминологии размагничивания (ГОСТ 19693-74, 23612-79, 19880-74), ориентированы в первую очередь на эти отрасли. Размагничивание - это процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля уменьшается намагниченность магнитного материала (ГОСТ 19693-74). Стандарт ограничивает воздействие на материал только одним способом - магнитным, хотя того же эффекта можно добиться воздействием циклических, механических нагрузок или нагреванием до точки Кюри.

Существует три основных принципиальных способа размагничивания ферромагнитных материалов: механический, температурный и электромагнитный.

Механический метод заключается в размагничивании материала под действием циклических, механических нагрузок. Однако он неприменим для размагничивания деталей и готовых изделий по техническим причинам.

Температурный метод заключается в нагреве образца выше температуры, при которой у ферромагнитных доменов нарушается единое направление ориентации, так называемой температуры Кюри. Вещество при этом полностью теряет свои ферромагнитные свойства. После чего происходит охлаждение в отсутствии внешнего поля. Преимуществом такого способа является наиболее полное размагничивание материалов, однако в большинстве случаев такой способ размагничивания недопустим, так как в результате нагрева могут измениться механические и другие свойства материала. Например, для железа температура Кюри составляет 768°С, и такой метод размагничивания в большинстве случаев (в частности, при размагничивании подшипников) оказывается неприемлемым из-за потери заданных механических свойств.

Электромагнитных способа два. Это размагничивание:

1. Компенсирующим постоянным магнитным полем

2. Переменным магнитным полем (импульсный метод размагничивания)

Размагничивание компенсирующим постоянным магнитным полем заключается в создании размагничивающего поля, направленного против поля остаточного магнетизма ферромагнетика. В результате воздействия магнитного поля уровень первоначальной намагниченности детали компенсируется до допустимой величины.

Рассмотрим этот способ подробнее. На рисунке 1.2.1 приведена зависимость намагниченности материала J от напряженности внешнего магнитного поля Н, создаваемого обмоткой с током. Цифрой 1 на рисунке 1.2.1 обозначена точка исходной остаточной намагниченности материала.

ферромагнетик тело размагничивание восприимчивость

Рисунок 1.2.1. Кривая размагничивания.

Увеличивая Н (для данного случая в отрицательную область) до определенного, нужного нам значения, приводим кривую графика в точку 4. Эта точка характерна тем, что если от нее уменьшать Н до нуля, то кривая намагниченности попадает в точку 0. Намагниченность материала в точке 0 равна нулю (при Н = 0). Магнитное состояние материала, полученное таким образом, называется статически размагниченным состоянием (ГОСТ 19693-74).

Такой метод размагничивания получил также название метода прерывания тока, так как реализуется обрывом тока в обмотке размагничивания через определенное время после его включения с помощью специальных выключателей или перегоранием медной или стальной проволоки определенного диаметра, включенной в цепь обмотки размагничивания.

На практике материал детали, как правило, намагничен очень неоднородно. Если деталь с неоднородной остаточной намагниченностью размагничивать описанным выше способом, то происходит следующее (рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2. Кривые размагничивания материала при неоднородной исходной намагниченности.

Остаточная намагниченность J1, J2, J3 каждого участка различна. Воздействие же размагничивающего поля одинаково по величине (и направлению). В результате воздействия размагничивающего магнитного поля кривые из точек J1, J2 и J3 придут соответственно в точки 1, 2, 3. После снижения напряженности магнитного поля до нуля кривые намагниченности придут в точки J1', J2', J3'. Как видно на рисунке 1.2.2, после размагничивания только кривая J2-2-J2' пришла в нулевую точку. Две других кривых заканчиваются выше или ниже нуля. Это свидетельствует о том, что размагничен один участок детали (или участки с одинаковой намагниченностью), а намагниченность других участков будет отличаться примерно на величину исходной неоднородности намагниченности этих участков.

Метод размагничивания компенсирующим постоянным полем может быть реализован магнитным полем, образуемым постоянным током, магнитным полем электромагнита или поля постоянных магнитов.

Таким образом, преимуществом компенсационного метода размагничивания является сравнительно невысокая мощность размагничивающих установок, а недостатками:

Ч сложность размагничивания при неравномерном распределении остаточной намагниченности в детали;

Ч вредное влияние неоднородностей материала на остаточную намагниченность после размагничивания;

Ч необходимость замера остаточной намагниченности каждой детали (как векторной величины), расчета и изменения основных параметров размагничивающего устройства (количество витков в катушке, силы тока, расположение в устройстве самой детали), или необходимость постоянного контроля в процессе размагничивания результата действия размагничивающего поля с корректировкой силы и направления тока.

Следующий метод размагничивания материалов до значений, близких к нулю, давно применяют в приборостроении, машиностроении, судостроении и других отраслях. Он основан на принципе магнитной обработки размагничиваемого изделия знакопеременными затухающими импульсами магнитного поля (рисунок 1.2.3).



Рисунок 1.2.3. Кривые размагничивания знакопеременным затухающим магнитным полем.

Воздействие первого им пульса магнитного поля приводит кривую из точки исходной остаточной намагниченности (точка 1) в точку технического магнитного насыщения материала (точка 2). В этой точке материал детали приобретает одинаковую намагниченность вне зависимости от исходной остаточной намагниченности. Это значит, что далее изменение намагниченности материала по всему объему детали будут происходить по одной кривой. Следующим импульсом меньшей амплитуды и другой полярности приводим кривую намагниченности в точку 3, в которой намагниченность материала по абсолютному значению будет меньшее, чем в точке 2. Следующим импульсом еще меньшей амплитуды приводим кривую в точку 4.

Таким образом, повторяя импульсы, уменьшая их амплитуду и меняя полярность, приводим кривую намагниченности в точку 0 - точку размагниченного состояния. Магнитное состояние материала, полученное таким образом, называется динамически размагниченным состоянием (ГОСТ 19693-74). Кроме гарантированного снижения намагниченности этот метод характеризуется хорошей стабильностью размагниченного состояния.

Таким образом, этот метод размагничивания ферромагнетиков основан на многократном изменении направления внешнего магнитного поля при одновременном плавном уменьшении его амплитуды от значений, обеспечивающих насыщение образца, до попадания в область обратимых смещений доменных границ. При этом намагниченность образца будет уменьшаться за каждый период воздействия в соответствии с частной петлей гистерезиса. Ввиду наличия вихревых токов и магнитной вязкости эти изменения должны производиться достаточно медленно.

При этом максимальная величина амплитуды переменного размагничивающего поля, как правило, должна быть не меньше величины намагничивающего поля. Эффективность размагничивания зависит от частоты размагничивающего поля, скорости его убывания, толщины детали и глубины проникновения поля. Чем толще образец, тем ниже должна быть частота размагничивающего поля. Скорость размагничивания должна быть тем меньше (число циклов размагничивания тем больше), чем выше магнитная проницаемость материала. Например, образец из пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35--0,5 мм размагничивают в течение 1 мин плавным уменьшением магнитного поля частотой 50 гц от максимальной напряжённости поля 2000--2500 а/м до нуля. Как правило, для размагничивания достаточно 30--60 циклов перемагничивания.

Двумя частными случаями метода размагничивания переменным магнитным полем является размагничивание полем, создаваемым переменным низкочастотным током, и размагничивание переменным током промышленной частоты. При этом самым эффективным является размагничивание низкочастотными (около 0,1 Гц) знакопеременными затухающими импульсами магнитного поля. Применение размагничивания же током промышленной частоты (50 Гц) ограничивается эффективностью, например, глубина «промагничивания» трубы газопровода магнитным полем частотой 50 Гц равна 2 мм.

Способы реализации размагничивания переменным затухающим магнитным полем можно условно разделить на три группы:

Ч непрерывное воздействие по времени;

Ч непрерывное воздействие в пространстве;

Ч импульсное воздействие по времени.

Размагничивание с непрерывным воздействием по времени реализуется при помощи магнитного поля, создаваемого убывающим по амплитуде переменным током. Катушка и деталь неподвижны относительно друг друга.

Непрерывное воздействие в пространстве. В этом случае затухание амплитуды магнитного поля обеспечивается перемещением источника переменного магнитного поля или размагничиваемого объекта друг относительно друга, - с ростом расстояния от источника ослабевает магнитное поле. Такое размагничивание реализуется обычно при помощи электромагнитной катушки, сквозь которую пропускают размагничиваемые детали. Размагничивание по этому методу можно также реализовать при помощи системы постоянных магнитов, перемещаемых в пространстве определенным способом.

Размагничивание импульсным воздействием по времени реализуется с помощью магнитного поля катушки колебательного контура. После возбуждающего импульса начинаются колебательные процессы, при этом амплитуда переменного тока через катушку, а, следовательно, и магнитного поля затухают естественным путем. Метод используется достаточно редко. Это связано, прежде всего, с трудностью оптимизации процесса размагничивания по частоте и длительности.

Достоинствами метода размагничивания переменным полем являются:

Ч существенное уменьшение влияния на результаты размагничивания неоднородностей материла;

Ч отсутствие необходимости точного замера остаточной намагниченности материала перед размагничиванием.

А недостатки такого метода:

Ч необходимость расчета величины каждого последующего импульса, с учетом величины остаточного магнитного поля, сформированного предшествующим импульсом;

Ч большая мощность установок.

1.3 Устройства и средства размагничивания

Методику и схему размагничивания выбирают после анализа параметров остаточного магнетизма, а также с учетом конкретных условий (например, из наличия определенной оснастки и оборудования). Поэтому, например, компенсационный метод чаще всего применяется при размагничивании трубопроводов перед сваркой их на постоянном токе. Допустимые уровни магнитной индукции установлены в результате контрольной сварки трубных соединений: уровень индукции в разделке должен быть не более 8-10 мТл. Наличие магнитного поля с уровнем индукции до 8 мТл сварщик вообще не отмечает, в диапазоне индукций 8-10 мТл сварщик отмечает возрастающее волнение металла в сварочной ванне, при индукции выше 10 мТл начинается разбрызгивание металла из зоны сварки, а при индукции выше 30 мТл сварка практически невозможна.

Здесь, размагничивание с использованием постоянного тока проводят по следующей типовой методике:

Ч определяют с помощью магнитометра величину и направление магнитного поля трубы;

Ч размещают на трубе катушку из гибкого сварочного провода сечением 35-50 мм2;

Ч подключают катушку к одному или двум последовательно соединенным сварочным преобразователям так, чтобы действие образовавшегося магнитного поля было направлено против действия магнитного поля трубы. Последовательное соединение двух сварочных преобразователей необходимо для размагничивания труб большого диаметра (более 1000 мм). В процессе размагничивания магнитометром периодически проверяют на трубе результат действия размагничивающего поля (замеры следует проводить при включенном источнике питания), при необходимости регулируют силу тока или изменяют его направление (путем переключения проводов на сварочных преобразователях);

Ч после окончания размагничивания уменьшают силу тока до нулевого значения в течение одной минуты для плавного снижения магнитного потока, а затем выключают источник питания.

Это размагничивание проводится без использования специальных устройств. Такой способ размагничивания (а также существующий метод размагничивания труб прямо во время сварки) требует высокой квалификации оператора и не всегда обеспечивает качественное размагничивание из-за неравномерной намагниченности труб по окружности. Процесс сварки с использованием таких технологий трудоемкий и занимает больше времени, чем сварка при отсутствии магнетизма (обычно на 1 ч и более на каждом стыке). Необходим также дополнительный сварочный агрегат для питания размагничивающей обмотки. Поэтому все чаще применяются специально разработанные устройства для размагничивания трубопроводов перед сваркой.

Все эти устройства имеют схожие принципы работы и характеристики. Примерами могут служить размагничивающее устройство «РУ» ассоциации «Харьковнефтемаш», устройства ОДО «Греленс» АУРА-7001 и АУРА-7001-3 и так далее. В качестве примера рассмотрим автоматизированный комплект средств для размагничивания трубопроводов АУРА-7001-3 (рисунок 1.3.1).



Рисунок 1.3.1. Автоматизированный комплект средств для размагничивания трубопроводов АУРА-7001-3.

Автоматизированный комплект средств размагничивания для ремонта трубопроводов предназначен для автоматического размагничивания ремонтируемого участка трубопровода. В результате полного исключения эффекта "магнитного дутья" обеспечиваются условия для бездефектного качества сварки, сокращается продолжительность ремонтных работ.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

- диаметр размагничиваемых труб - до 1400 мм включительно;

- диапазон размагничиваемых полей, мТл - 2…250;

- поля после размагничивания, мТл, менее - 0,5…2;

- длительность процесса размагничивания - менее 1,5 мин на один цикл;

- напряжение сети, В - 380 ± 10%;

- потребляемая мощность:

- в импульсном режиме (длительность импульса 2 с) - 10...20 кВт;

- в номинальном режиме - до 1,5 кВт;

- величина индицируемого магнитного поля, мТл - ± 0…250;

- сохраняет работоспособность при температуре от - 45°С до +35°С

и относительной влажности до 90% при 25°С.

Технология применения АУРА-7001-3 представлена на рисунке 1.3.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3.2. Технология применения аппарата универсального размагничивающего автоматизированного АУРА-7001 (импульсный метод)

(1) - трубопровод с изъятой дефектной катушкой до производства сварочных работ. На один из открытых торцов трубопровода (1) накидываются разъемные секционированные размагничивающие обмотки (2). На торце трубопровода (1) устанавливается съемный датчик (3). Секционированные обмотки (2) и датчик (3) через пульт дистанционного управления (4) с помощью переходных разъемных кабелей (6, 7) соединяются с АУРА-7001 (5), который может находится вне зоны ремонта. Общее время монтажа - менее 7 мин. На пульте дистанционного управления (4) нажимается кнопка «Пуск» и начинается процесс размагничивания торца трубопровода. Окончание процесса размагничивания (через 1 - 1,5 мин) индицируется на пульте дистанционного управления (4). Секционированные обмотки (2), датчик (3) демонтируются с размагниченного торца трубопровода (1) и в том же порядке устанавливаются на другой торец. Автоматический процесс размагничивания повторяется. Комплект средств размагничивания демонтируется и удаляется из ремонтной зоны. В результате этих действий - оба торца трубопровода (1) размагничены, что позволяет осуществлять качественную сварку ремонтной катушки (8) с трубопроводом (1).

Размагничивание осуществляется на открытых торцах трубопровода до монтажа ремонтной катушки и производства сварочных работ, при этом обеспечивается независимость работы сварщиков от процесса размагничивания. Размагничивание происходит параллельно с подготовкой ремонтной катушки, может использоваться как импульсный, так и компенсационный методы размагничивания. В качестве обмоток применяются легкодоступные, стандартные кабели и разъемы. Установка работает автоматически: применяются системы с обратной связью, что позволяет автоматически корректировать процесс размагничивания. Для использования устройства не требуется наличия квалифицированного оператора, что является несомненным преимуществом перед использованием традиционных средств. Размагничивание происходит за 1,5 - 2 минуты при использовании импульсного метода размагничивания.

Далее рассмотрим устройства, которые могут непосредственно использоваться для размагничивания колец подшипников.

Модуль технологический МДМ 2726 для размагничивания колец подшипников ООО «Микроакустика». Модуль (см. рисунок 1.3.3) входит в состав «Комплекса дефектоскопного автоматизированного ВД-233.1». Этот модуль предназначен для выявления поверхностных дефектов рабочих поверхностей колец роликовых подшипников №2726, используемых в буксовых узлах грузовых вагонов. После контроля рабочих поверхностей колец роликовых подшипников их необходимо размагнить. Для этого используется демагнитизатор МДМ 2726. Модуль технологический МДМ 2726 предназначен для размагничивания наружных и внутренних (с бортом и без борта) колец роликовых подшипников 2726 буксовых узлов грузовых и пассажирских вагонов.

Рисунок 1.3.3. Модуль МДМ 2726

Модуль может работать в составе технологических линий:

· с раздельным транспортным потоком колец (в подводящем и отводящем лотках размещаются только наружные или только внутренние кольца подшипника);

· с совмещенным транспортным потоком колец (к модулю подходят и от модуля отходят два транспортных лотка, по одному из которых транспортируются наружные кольца, по другому - внутренние кольца).

Для работы модуля необходима ручная установка наружного и внутреннего колец в размагничивающее устройство. При необходимости размагничивания только одного кольца, другое кольцо может выполнять роль технологического и его можно не извлекать из размагничивающего устройства. После этого происходит размагничивание колец путем подачи в обмотку катушки знакопеременных импульсов тока с убывающей по времени амплитудой. Затем следует также ручное извлечение колец (или одного кольца) из размагничивающего устройства.

Размагничиванию в модуле могут подвергаться одновременно наружное и внутреннее кольца подшипника. Габаритные размеры устройства размагничивающего, не более 500х450х400 мм. Габаритные размеры блока управления, не более 300х250х150 мм. Продолжительность непрерывной работы при рабочей температуре окружающей среды плюс 30°С может составлять 12 часов. Время цикла (время установки, размагничивания и извлечения колец) работы устройства составляет: для технологической линии с раздельным транспортным потоком колец - не более 2 минут, а для технологической линии с совмещенным транспортным потоком колец не более 4 минут.

Хотя эта установка потребляет сравнительно небольшую мощность (амплитуда импульсов тока в начале процесса размагничивания составляет около 12А при сопротивлении обмотки 2,2 - 3,0Ом), однако остаточная намагниченность кольца может превышать допустимую и составляет 200А/м.

Демагнитизатор MAGNAFLUX S-66 и S-1212 компании «MAGNAFLUX». Эти демагнитизаторы (рисунок 1.3.4) являются самыми маленькими из линейки демагнитизаторов MAGNAFLUX. Предназначены для размагничивания небольших деталей помещающихся в отверстии катушки. Размер отверстия соленоида: у S-66 - 150x150мм, у S-1212 - 310x310мм. Таким образом, эти установки можно использовать для размагничивания подшипников.

а) б)

Рисунок 1.3.4. Демагнитизаторы: а) S-1212, б) S-66

После включения установки типа S-66, S-1212 обеспечивают создание непрерывного обратно направленного магнитного поля. Данный способ обеспечивает быстрое объемное размагничивание небольших деталей на поточных линиях.

Мощность установок достаточно велика: при напряжении 240В сила тока в обмотке установок S-66 и S-1212 составляет соответственно около 5А и 35А. При этом уровень остаточной намагниченности у деталей может быть выше допустимого. Используется метод размагничивания при постоянном магнитном поле.

Демагнитезатор на основе постоянных магнитов. Размагничивание стальных изделий посредством переменного магнитного поля с затухающей амплитудой может быть достигнуто при помощи простейшего устройства - постоянных магнитов, приводимых во вращение. Затухание амплитуды магнитного поля происходит при удалении вращающейся магнитной системы от размагничиваемого объекта.

Демагнетизатор представляет собой кольцевой постоянный магнит с шестью полюсами (намагничивание аксиальное). Внешний вид демагнетизатора показан на рисунке 1.3.5, а чертеж конструкции - на рисунке 1.3.6.

Рисунок 1.3.5. Демагнетизатор на основе шестиполюсного кольцевого постоянного магнита (диаметр магнита 60 мм): вид снизу и сбоку

Рисунок 1.3.6. Конструкция демагнетизатора

Демагнетизатор представляет из себя кольцевой постоянный шестиполюсный магнит (направление намагниченности аксиальное), приклеенный к стальному основанию. К основанию крепится хвостовик, который может быть вставлен в инструмент, способный создавать вращательное движение.

Напряженность магнитного поля на поверхности полюса 140000А/м, на расстоянии 10 мм от полюса - 32000А/м (материал магнита - феррит бария). При работе демагнетизатора на расстоянии менее 10 мм от объекта этого достаточно для перемагничивания и, соответственно, размагничивания стали.

Вариант использования демагнетизатора показан на рисунке 1.3.7. Хвостовик демагнетизатора закрепляется в патроне дрели. Дрель приводится во вращение. Частота вращения патрона должна составлять примерно 5 оборотов в секунду или выше. Демагнетизатор подводится к объекту, который необходимо размагнитить, на расстояние менее 10 мм (размагничиваемый объект обязательно должен быть зафиксирован), затем при необходимости осуществляется движение демагнетизатора вдоль поверхности объекта (змейкой). После этого демагнетизатор отводится от объекта. Для вращения демагнетизатора могут быть использованы и другие инструменты, например, электрическая дрель, сверлильный, токарный или наждачный станок.

Такое устройство размагничивания обладает малой потребляемой мощностью (магнитное поле создается только постоянными магнитами), простотой эксплуатации. Однако устройство не применяется в промышленных масштабах.

Рисунок 1.3.7. Демагнетизатор в комплекте с ручной дрелью

Демагнитизатор поточной линии. Практически на предприятиях - изготовителях подшипников применяются демагнитизаторы в виде электромагнитной катушки, подключаемой через понижающий трансформатор к сети переменного тока частотой 50Гц с неизменной амплитудой тока, обеспечивающей индукцию насыщения размагничиваемого материала.

Подшипники закрепляются на ленте транспортера и пропускаются с его помощью через катушку с постоянной скоростью. Уменьшение внешнего магнитного поля происходит на участке выхода образцов из катушки, где градиент изменения напряженности магнитного поля может быть достаточно большим. Это снижает допустимую скорость движения подшипников и уменьшает производительность работы демагнитезатора. По инструкции ОАО «ВНИПП» эта скорость не должна превышать 0,07м/с. Кроме того, демагнитезатор потребляет значительную мощность (3…6КВт) при непрерывной подаче электроэнергии. Привод транспортера также потребляет дополнительную мощность, так как должен развивать достаточно большое усилие для перемещения образцов, удерживаемых магнитным полем катушки. Установлено, что величина остаточной намагниченности при размагничивании серии подшипников имеет случайный характер и не остается постоянной на поверхности каждого подшипника. Нормы остаточной намагниченности для подшипников в сборе и деталей входящих в них зависят от их типоразмеров и приводятся в руководящих материалах И37.006.032-80 ОАО «ВНИПП». Как показывает практика, при использовании рассмотренного демагнитезатора остаточная намагниченность отдельных подшипников в серии может превышать допустимую.

Для больших конструкций, для которых использование обмоток становится слишком сложным или невозможным (например, корпуса кораблей) применяются установки, которые позволяют размагничивать конструкции без применения традиционных соленоидов или специальных стендов. Размагничивание осуществляется путем пропускания по толщине материала импульсов электрического тока, изменяющихся по заданному закону.

1.4 Инструкция ОАО «ВНИПП», нормы остаточной намагниченности

Для руководства при размагничивании и контроле остаточной намагниченности деталей подшипников и подшипников в сборе существует инструкция ОАО «ВНИПП». В ней описаны способы размагничивания деталей подшипников и подшипников в сборе, установлены для них нормы по остаточной намагниченности и рекомендованы средства и методы контроля.

По ней все детали, которые изготавливаются из ферромагнитных материалов и в процессе изготовления подвергаются намагничиванию, необходимо размагничивать. Размагничивание следует проводить после технологических и контрольных операций, на которых они подмагничиваются, перед сборкой подшипников. Для размагничивания деталей допускаются демагнитизаторы различных типов и конструкций, которые размагничивают детали до норм остаточной намагниченности, установленных этой инструкцией. На каждый типа демагнетизатора отделом главного энергетика завода должен быть составлен технический паспорт с указанием источника питания, потребляемой мощности, напряженности переменного магнитного поля, а также способов размагничивания деталей подшипников и подшипников в сборе.

Для контроля силы тока в цепь рекомендуется включать амперметры. Напряженность магнитного поля следует измерять с помощью индикаторной катушки типа ИК-I, разработанной ВНИППом. Порядок измерения напряженности магнитного поля в демагнетизаторах описан в инструкции по эксплуатации индикаторной катушки ИК-I.

Демагнетизаторы необходимо устанавливать в помещении, в котором отсутствуют источники внешних магнитных полей (электросиловые линии, магнитные столы, электромоторы и т.п.) или на расстоянии от них не менее 1,5 метра. Металлические корпуса демагнетизаторов необходимо заземлить. Электрическая часть демагнетизаторов (заземление, состояние изоляции, контактов и т.п.), а также напряженность магнитного поля их должны проверяться не реже одного раза в квартал подразделением службы главного энергетика завода.

Рекомендуется детали подшипников в процессе размагничивания в соленоиде пропускать через камеру со скоростью не более 0,7 м/с следующим способом:

а) кольца (поштучно) путем качения через камеру, как показано на рисунке 1.4.1а;

б) кольца мелких размеров (типа приборных подшипников) и игольчатые ролики разрешается размагничивать небольшими партиями одновременно. Для этих целей их следует укладывать в неметаллическую тару. Кольца рекомендуется изолировать друг от друга. Тара должна быть таких размеров, чтобы ее можно было развернуть в магнитном поле соленоида в двух взаимно перпендикулярных направлениях (смотри рисунок 1.4.1б). Причем, мелкие кольца нельзя вкладывать в кольца больших размеров, а игольчатые ролики насыпаются в тару навалом без изоляции между ними.

в) детали приборных подшипников типа цапф следует размагничивать поштучно, пропуская через соленоид, с вращением их в вертикальной плоскости, расположенной по оси соленоида или параллельно ей (смотри рисунок 1.4.1в);

г) ролики, валики и шарики при размагничивании рекомендуется пропускать сплошной цепочкой, как показано на рисунке 1.4.1г. Для этих целей следует изготовить из немагнитного материала призматическую направляющую, которую закрепить в камере так, чтобы она ориентировала детали по оси соленоида;

д) кольца карданных подшипников должны пропускаться через соленоид путем качения или сплошной цепочкой, как показано на рисунке 1.4.1а и 1.4.1г;

е) сепараторы, изготовленные из ферромагнитных сталей, следует пропускать через соленоид путем качения по способу размагничивания колец;

ж) крупногабаритные кольца рекомендуется размагничивать между полюсами электромагнита, накладными электромагнитами или обмотками, питаемыми от специальных понижающих трансформаторов.

При других способах размагничивания деталей, обеспечивающих требования по остаточной намагниченности, размагничивание должно производиться в соответствии с инструкцией, разработанной непосредственно на заводе (службой главного металлурга и главного энергетика) и утвержденной главным инженером завода.

а) б)



в) г)

Рисунок 1.4.1. Методики размагничивания деталей подшипников

Выключать размагничивающие установки, после размагничивания деталей, можно только при удалении деталей от установок на расстояние не менее 0,8 метра. Если выключение произошло самопроизвольно, то детали, находящиеся внутри демагнетизатора или на расстоянии от него менее 0,8 метра, подлежат повторному размагничиванию.

Инструкция устанавливает также нормы остаточной намагниченности для деталей на промежуточных технологических операциях и нормы остаточной намагниченности для деталей перед сборкой подшипников.

Нормы остаточной намагниченности для деталей, размагничиваемых после намагничивания на промежуточных технологических операциях (например, при контроле на отсутствие закалочных трещин, обработке торцов на плоскошлифовальных станках и т.п.), разрешается устанавливать непосредственно на заводах (отделом главного металлурга совместно ОТК завода). Нормы должны быть установлены в таких пределах, при которых остаточная намагниченность деталей на влияла бы на их обработку на последующих операциях. Размагничивание и контроль деталей подшипников по остаточной намагниченности на промежуточных операциях разрешается устанавливать непосредственно на заводах по заранее разработанных заводским инструкциям.

По нормам остаточной намагниченности для деталей перед сборкой подшипников детали подшипников считают размагниченными и допускают на сборку в том случае, если их остаточная намагниченность на торцах не превышает норм, установленных в пределах:

1) Для колец с наружным диаметром:

Ч до 10 мм	-	8	А/м
Ч от 10 мм до 25 мм	-	20	А/м
Ч от 25 мм до 50 мм	-	40	А/м
Ч от 50 мм до 100 мм	-	80	А/м
Ч от 100 мм до 200 мм	-	100	А/м
Ч от 200 мм до 300 мм	-	160	А/м
Ч от 300 мм до 700 мм	-	240	А/м
Ч свыше 700 мм	-	280	А/м

Примечания:

Ч Для колец подшипников общего назначения диметром доя 100 мм (не подлежащих приемке представителями заказчика) и колец, у которых h ? 0,8d, норма увеличивается в 2 раза (h - высота, d - внутренний диаметр кольца).

Ч Для колец с фланцем или с бортиком нормы установлены с учетом наружного фланца или бортика.

2) Для колец карданных подшипников с наружным диаметром:

Ч до 25 мм	-	20	А/м
Ч от 25 мм до 50 мм	-	40	А/м
Ч свыше 50 мм	-	60	А/м

3) Для сепараторов, изготовляемых из ферромагнитных сталей, нормы устанавливаются в пределах норм внутренних колец соответствующего типа подшипников.

4) Для роликов диаметров:

Ч до 10 мм	-	40	А/м
Ч от 10 мм до 20 мм	-	60	А/м
Ч от 20 мм до 30 мм	-	80	А/м
Ч от 30 мм до 50 мм	-	120	А/м
Ч свыше 50 мм	-	160	А/м

5) Для игольчатых роликов в зависимости от длины:

Ч до 10 мм	-	12	А/м
Ч от 10 мм до 25 мм	-	20	А/м
Ч от 25 мм до 50 мм	-	30	А/м
Ч свыше 50 мм	-	40	А/м

6) Для шариков диаметром:

Ч до 0,5''	-	40	А/м
Ч от 0,5'' до 1''	-	60	А/м
Ч от 1'' до 2''	-	80	А/м
Ч свыше 2''	-	120	А/м

7) Для валиков длиной:

Ч до 50 мм	-	40	А/м
Ч от 50 мм до 75 мм	-	60	А/м
Ч свыше 75 мм	-	80	А/м

8) Для цапф длиной:

Ч до 10 мм	-	20	А/м
Ч от 10 мм до 20 мм	-	40	А/м
Ч от 20 мм до 30 мм	-	60	А/м
Ч свыше 30 мм	-	80	А/м

Существуют нормы остаточной намагниченности для собранных подшипников:

1) Для подшипников с наружным диаметром:

Ч до 10 мм	-	15	А/м
Ч от 10 мм до 25 мм	-	30	А/м
Ч от 25 мм до 50 мм	-	55	А/м
Ч от 50 мм до 100 мм	-	100	А/м
Ч от 100 мм до 200 мм	-	120	А/м
Ч от 200 мм до 300 мм	-	180	А/м
Ч от 300 мм до 700 мм	-	260	А/м
Ч свыше 700 мм	-	300	А/м

2) Для подшипников имеющих кольца с соотношением h ? 0,8d (h - высота, d - внутренний диаметр кольца) норма установлены в следующих пределах в зависимости от наружного диаметра:

Ч до 10 мм	-	20	А/м
Ч от 10 мм до 25 мм	-	50	А/м
Ч от 25 мм до 50 мм	-	100	А/м
Ч от 50 мм до 100 мм	-	150	А/м
Ч от 100 мм до 200 мм	-	200	А/м
Ч от 200 мм до 300 мм	-	250	А/м
Ч от 300 мм до 700 мм	-	300	А/м
Ч свыше 700 мм	-	350	А/м

Контроль деталей подшипников по инструкции рекомендуется производить на приборах типа ФП-1, а также на приборах других типов, предназначенных для этих целей при условии согласования их применения с ВНИПП и представителями заказчика.

1.5 Контроль остаточной намагниченности

Контроль остаточной намагниченности проводят при помощи специально разработанных для этой цели приборов. Таких приборов достаточно много, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

ФП-5

Полюсоискатель феррозондовый ФП-5 предназначен для обнаружения градиента напряженности стационарных магнитных полей, т.е. нахождения мест с максимальным изменением напряженности магнитного поля. Прибор дает возможность определять величину и направление локальных магнитных полюсов, позволяет определить величину остаточной намагниченности изделий и их составных частей, изготовленных из ферромагнитных материалов. Общий вид прибора приведен на рисунке 1.5.1, а его технические характеристики представлены в таблице 1.5.1.

Рисунок 1.5.1. Общий вид ФП-5

Таблица 1.5.1. Технические характеристики ФП-5

Диапазоны чувствительности, А/м	10 : 30 : 100 : 300 : 1000
Рабочая частота прибора, кГц	10,0
Электропитание	от сети переменного тока
напряжение, В	220±10 %
частота, Гц	50
Мощность потребляемая прибором, ВА	25
Допустимые условия эксплуатации:
температура,°С	-15 - 35
атмосферное давление, кПа	86 - 110
относительная влажность воздуха, %	не более 90
Основная приведенная погрешность при температуре 20°С, %	10
Дополнительная температурная погрешность на 10°С, %	не более 5
Масса прибора, кг	не более 3

Работа прибора построена на взаимодействии внешнего измеряемого стационарного магнитного поля с полом датчика. В результате такого взаимодействия изменяются магнитные свойства датчика, что приводит к изменению сигнала на его выходе, фиксируемого электронной схемой. Структурная схема прибора приведена на рисунке 1.5.2.

Рисунок 1.5.2. Структурная схема прибора ФП-5.

Функционально прибор состоит из следующих основных узлов (смотри рисунок 1.5.2):

1 - генератор

2 - усилитель мощности

3 - датчик

4 - избирательный усилитель

5 - удвоитель частоты

6 - синхронный детектор

7 - измерительный прибор

8 - блок питания

Прибор собран в корпусе из дюралюминия. Микроамперметр, переключатель диапазона чувствительности и тумблер включения прибора укреплены на передней панели (смотри рисунок 1.5.1). На задней панели расположены: сетевой предохранитель, разъем подключения датчика, зажим подключения заземления, кнопка «Контроль». Остальные элементы установлены на легкосъемном шасси. Печатная плата укреплена на двух петлях, что позволяет производить осмотр ее без демонтажа.

Силовые транзисторы установлены на радиаторах, которые через слюдяные прокладки имеют тепловой контакт с шасси, что предохраняет транзисторы от перегрева в случае выхода из режима, например, при наладочных работах.

Резистор установки нуля прибора укреплен непосредственно на печатной плате. Отверстие для регулировки нуля расположено на верхней крышке прибора.

Генератор 1 обеспечивает работу прибора на рабочей частоте 10кГц. В цепи его положительной обратной связи для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний применена миниатюрная лампочка накаливания. Усилитель мощности 2 собран собран по двухтактной схеме с парафазным предварительным каскадом выходным каскадом с коллекторной нагрузкой. Применение трансформатора позволило точнее согласовать выходное сопротивление выходного каскада с нагрузкой и уменьшить нелинейные искажения колебаний. Усилитель охвачен отрицательной обратной связью для стабилизации коэффициента усиления. Вторичная обмотка трансформатора удвоителя частоты 5 настроена на удвоенную частоту 20 кГц. Выходное напряжение поступает в систему синхронного детектора. Феррозондовый датчик градиентометрического типа изготовлен по чертежам датчика прибора ФП-1. Его индикаторная обмотка состоит из двух одинаковых секций по 850 витков, расположенных на общем каркасе с зазором между торцами секций порядка 0,8 мм. Секции включены встречно. Полесоздающая обмотка располагается поверх индикаторных секций. Число витков - 1650. Сердечники размером 16мм?1,5мм изготовлены из пермаллоя 7ЭНМ. Избирательный усилитель 4 служит для выделения из сигнала датчика напряжения второй гармоники и его усиления. Он состоит из двух, последовательно включенных активных фильтров, в цепь отрицательной обратной связи которых включены взаимно-расстроенные двойные Т-образные мосты. Такое построение избирательного усилителя обеспечивает полосу пропускания порядка 3 кГц и низкий уровень шума. Синхронный детектор 6 обеспечивает возможность прибора измерять остаточную намагниченность деталей с определением полярности. Блок питания 8 предназначен для подачи в схему прибора стабилизированных напряжений +12В и -12В.

Работа осуществляется следующим образом. После подключения прибора к сети и включения тумблера «Сеть», необходимо 7…10 минут для входа прибора и датчика в рабочий режим. Далее для измерения остаточной намагниченности необходимо найти зону или точку на поверхности детали или подшипника, при установке датчика на которую отклонение стрелки от нуля наибольшее. За величину остаточной намагниченности контролируемой детали в А/м принимается наибольшее отклонение стрелки микроамперметра, умноженное на соответствующий коэффициент: