Введение. Магнитный вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля и объекта контроля (ОК)

Магнитный вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля и объекта контроля (ОК). применим лишь к деталям из металлов и сплавов, способных к намагничиванию. Основные задачи магнитного неразрушающего контроля (НК): контроль сплошности – дефектоскопия, измерение размеров – толщинометрия, контроль физико-механических свойств – структуроскопия. В отличие от двух последних на железнодорожном транспорте актуальна магнитная дефектоскопия. С ее помощью выявляют поверхностные и подповерхностные дефекты на свободных или открытых для доступа частях деталей.

На железнодорожном транспорте магнитному контролю подвергают следующие объекты подвижного состава: детали ударно-тягового и тормозного оборудования, рамы тележек различных моделей в сборе и по элементам, оси колесных пар вагонов и локомотивов всех типов в сборе, ободы, гребни и спицы локомотивных колес, свободные кольца буксовых подшипников, а также внутренние кольца, напрессованные на шейки оси, венцы зубчатых колес и шестерен тягового редуктора, валы генераторов, тяговых двигателей и шестерен в сборе, упорные кольца, стопорные планки, пружины, шкворни, болты и др. такая широкая номенклатура контролируемых объектов предполагает достаточно большое разнообразие методов, средств и технологических приемов магнитного контроля. При этом физическая сущность магнитной дефектоскопии для всех объектов является единой.

Методической основой технологии магнитного контроля являются государственные стандарты [1 – 3], руководящие документы (Руководящий документ РД 32.149-2000. Феррозондовый метод неразрушающего контроля деталей вагонов / ВНИИЖТ. М., 2000. 159 с.; Руководящий документ РД 32.159-2000. Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля деталей вагонов / ВНИИЖТ. М., 2000. 120 с.; руководящий документ РД 32.174-2001. неразрушающий контроль деталей вагонов. Общие положения / ВНИИЖТ. М., 2001. 56 с.), а также инструктивные указания (Инструкция по неразрушающему контролю деталей и узлов локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава ЦТт-18/1. Магнитопорошковый метод / ВНИИЖТ. М., 1999. 136 с.).

1. Магнитное поле и его характеристики

Говорят, что в «пустом» пространстве существует силовое поле, если на предмет, находящийся в этом пространстве, действует сила. Например, человек постоянно испытывает действие гравитационного поля: где бы он ни находился, Земля притягивает его с силой

, (1)

где m – масса тела;

– ускорение свободного падения (характеристика самого поля).

Для всех физических полей структура формулы для определения силы поля одинакова. В ней всегда фигурирует произведение одной или нескольких величин, характеризующих тело (масса, заряд, скорость и т. д.), на векторную величину, которая характеризует поле в точке его местоположения. Эта величина называется напряженностью поля. В выражении (1) ускорение свободного падения есть напряженность гравитационного поля.

Каждое силовое поле создается теми и только теми телами, на которые оно может действовать. Например, любой предмет независимо от размера, массы, цвета и др. создает вокруг себя гравитационное поле, которое притягивает к себе другие предметы вдоль линии, соединяющей их центры тяжести.

Возьмем другое по физической природе поле – электростатическое (кулоновское). Оно действует только на заряженные тела с силой

, (2)

где q – электрический заряд тела;

– напряженность электростатического поля в месте его нахождения.

Подчеркнем, что электростатическое поле более избирательно, оно создается только заряженными телами, заряды q которых могут быть и положительными, и отрицательными, масса же m всегда положительна. Однако построение формул одно и то же: чтобы получить силу, надо определенную величину, относящуюся к телу, умножить на напряженность поля в этой точке.

Физические поля представляются силовыми линиями. Главное свойство такой линии поля состоит в том, что в любой точке, через которую она проходит, направление вектора напряженности совпадает с направлением касательной к ней в этой же точке (рис. 1, а). Длины векторов, т. е. значения напряженности во всех точках силовой линии, одинаковы. Проведя на рисунке одну силовую линию, мы уже задаем направление напряженности в бесконечном числе лежащих на ней точек. Поле сильнее и, следовательно, величина напряженности больше там, где линии будут расположены гуще, и слабее, где они разряжены (рис. 1, б). В то же время силовые линии не могут пересекать друг друга.

Таким образом, по совокупности линий можно судить не только о направлении, но и о значениях напря-женности магнитного поля. Поле, напряженность которого одинакова во всех точках, называется однородным. В противном случае оно неоднородно.

Магнитное поле – это один из видов силовых полей, но в отличие от электро-статического оно еще более избиратель- но – действует только на движущиеся заряды. На неподвижные заряженные предметы даже в самых сильных магнитных полях не действует никакая сила. Становится очевидным, что «конструкция» формулы для определения силы, действующей на движущееся тело в магнитном поле, должна быть сложнее предыдущих.

Действительно, для гравитационного поля важна лишь масса тела m, для кулоновского – величина его заряда q, а для магнитного поля важными оказываются сразу три фактора: заряд тела, численное значение скорости его движения и направление скорости. Сила, приложенная к движущемуся заряженному телу со стороны магнитного поля, называется силой Лоренца:

, (3)

где q – электрический заряд тела;

v – скорость заряженного тела;

α – угол между направлениями векторов скорости и напряженности магнитного поля в точке, где находится тело;

μ₀ – размерный коэффициент.

Напряженность магнитного поля Н – его силовая характеристика, не зависящая от магнитных свойств среды, в которой поле существует. Она характеризует магнитное поле по величине и направлению, но учитывает только влияние на интенсивность поля проводников с токами и расположение магнитов. В системе СИ измеряется в амперах на метр – А/м или А·м^-1. Для того чтобы описать вектор напряженности магнитного поля , поместим его в прямоугольную систему координат на поверхности детали, соединив начала вектора и системы координат, и найдем его составляющие (рис. 2). Такое представление удобно в работе, так как проще измерять не вектор в целом, а его компоненты. Особенно часто используют компоненты – нормальная составляющая, как правило, перпендикулярная поверхности детали, и – тангенциальная составляющая с модулем , направленная параллельно поверхности.

Заменим произведение нескольких параметров, характеризующих тело в уравнении (1), на единственный, более сложный, чем масса или заряд, параметр, который называется магнитным моментом.

Как направлена сила магнитного поля? В гравитационном поле сила всегда направлена в ту же сторону, что и ускорение свободного падения, ведь тел с отрицательной массой не бывает. В кулоновском поле сила F и напряженность Е всегда направлены вдоль прямой, соединяющей два заряда, причем в одну сторону, но при положительном заряде, и в разные – при отрицательном за- ряде тела.

В магнитном поле сила Лоренца F_л всегда перпендикулярна и к напряженности , и к скорости тела . Очевидно, что единственная прямая, перпен-дикулярная одновременно к векторам и , есть перпендикуляр к плоскости, в которой лежат эти векторы (рис. 3, а).

а б

Рис. 3. Силы Лоренца (а) и Ампера (б)

Если изменить на противоположное направление скорости или напряженности , то поменяется на противоположное и направление силы F_л. Последнее можно определять по известному правилу левой руки.

В случае, когда носителями зарядов является движущийся в проводнике поток электронов, силы Лоренца, приложенные к каждому электрону в потоке, складываясь, прижимают их к стенке провода, толкая его поперек движения электронов, т. е. перпендикулярно направлению электрического тока. В результате формула (1) преобразуется и значение силы, действующей на проводник длиной l с током I, расположенный под углом α к направлению поля Н (рис. 3, б), будет определяться законом Ампера:

. (4)

Если ток течет в контуре в виде плоской рамки в однородном поле Н, направленном параллельно сторонам АВ и СД (рис. 4, а), то возникают две силы Ампера, воздействующие перпендикулярно сторонам ВС и ДА (a = 90°), параллельные между собой и направленные противоположно, которые образуют на плече b/2 пару сил с моментом

, (5)

где – площадь рамки.

Формулу (5) можно представить в виде:

, (6)

где величину называют магнитным моментом контура. Единицей измерения является А·м² – «амперквадратный метр».

Если рассматривать плоский контур произвольной формы с током в однородном магнитном поле, то необходимо просуммировать воздействие Н на отдельные малые элементы контура, и результат останется тем же: формула (6) будет справедливой. Магнитному моменту контура придают векторный характер. Условились за направление принимать направление положительной нормали к контуру с током по правилу правозаходного винта.

а б

Рис. 4. Магнитный момент:

а – рамки с током; б – произвольного контура с током в магнитном поле

В общем случае, когда контур с током I и однородное магнитное поле Н не лежат в одной плоскости, а находятся под углом α, который на рис. 4, б показан как угол между направлением поля Н и нормали ( ) к контуру, поле Н можно разложить на две составляющие – и . Тогда тангенциальная составляющая ( ) лежит в плоскости контура, а нормальная ( ) перпендикулярна ему. При этом и . Вращающий момент создает только составляющая , т. е.

(7)

или в векторной форме:

. (8)

Для более компактного по сравнению с выражением (8) описания силового воздействия магнитного поля введем в рассмотрение понятие магнитной индукции В, которая, как и напряженность Н, является величиной векторной и служит основной характеристикой магнитного поля. Величины В и Н связаны соотношением:

. (9)

Здесь размерный коэффициент μ₀ в системе СИ равен 4π10^-7 Гн/м. Его называют также магнитной постоянной или магнитной проницаемостью вакуума, придавая этим данному коэффициенту определенный физический смысл. Тогда с учетом уравнения (9) выражение (8) можно представить в виде векторного произведения:

, (10)

т. е. формула для определения силового воздействия на контур с током в магнитном поле становится такой же простой, как в гравитационном и электростатическом. Основное различие заключается в том, что для двух последних формулы , определяют силы, действующие на пробное тело, а формула (10) определяет момент сил. Под действием гравитационного и электростатического поля пробное тело движется поступательно. Контур с током под действием однородного магнитного поля испытывает поворот. Под действием неоднородного поля контур одновременно и вращается и поступательно перемещается.

2. Источники магнитного поля

Любой проводник или контур с электрическим током, так же как и движущийся электрический заряд, создают свое собственное магнитное поле. Количественную оценку такого магнитного поля производят с помощью напряженности Н (рис. 5, а), которая определяется законом Био-Савара-Лапласа [4]: элемент контура , по которому течет ток силой I, создает в произвольно выбранной точке А пространства магнитное поле напряженностью

, (11)

где r – расстояние от элемента контура до рассматриваемой точки;

α – угол между r и Δl.

Вектор напряженности магнитного поля , созданный током I, перпендикулярен плоскости, в которой лежат элемент Δl и отрезок r.

Рассмотрим частные, но важные для практики случаи.