СПОСОБ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ВАГОНОВ
METHOD OF ACOUSTIC-EMISSION CONTROL OF RAILWAY WHEEL PAIRS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для выявления развивающихся дефектов и оценки степени их опасности в конструктивных элементах колесных пар вагонов железнодорожного транспорта методом акустической эмиссии.
Известно, что безопасность движения вагонов определяется надежностью колесных пар. Анализ причин аварий и крушений грузовых вагонов показывает, что в большинстве случаев это вызвано разрушением колес и осей вследствие наличия технологических и эксплуатационных дефектов в них. Основными методами контроля колесных пар вагонов являются ультразвуковой контроль осей, в т.ч. подступичной части под колесом, поверхности катания ободьев колес, магнитопорошковый контроль средней части и шеек оси, вихретоковый контроль диска и приободной зоны колес.
Известен способ автоматизированного ультразвукового контроля колесных пар (Беломытцев В. Автоматизированный комплекс контроля колесных пар «Пеленг-автомат» // СТА. 2004, №3, С.42-45, принятый за аналог).
Способ осуществляют путем автоматического сканирования пьезоэлектрическими преобразователями:
- по зарезьбовой канавке оси при контроле осей на «прозвучиваемость»,
- по зарезьбовой канавке оси при контроле дальней и ближней подступичной части оси, средней части оси, ближних шейки и предподступичной части оси, подступичной части оси в зоне под внешней кромкой ступицы,
- по цилиндрической поверхности шейки оси при контроле подступичной части оси в зоне под внешней кромкой ступицы,
- поверхности катания колеса при выявлении приповерхностных дефектов и внутренних дефектов ободьев колес,
- по внутренней поверхности диска колеса при контроле приободной зоны дисков цельнокатаных колес. Регистрируют сигналы, прошедшие через объект контроля, и отраженные от дефектов, сравнивают амплитуду сигнала с уровнем браковочной чувствительности и судят о дефектности изделия.
Недостатком данного способа является необходимость обязательной токарной обточки для обеспечения шероховатости поверхности не более Rz 40 для установки пьезоэлектрических преобразователей. Кроме того, ультразвуковые методы контроля обнаруживают поверхностные и внутренние дефекты, но не позволяют определить степень их опасности и осуществить прогноз работоспособности изделия.
Наиболее близким к предлагаемому решению является акустико-эмиссионный способ диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава (патент RU №2296320 С1 от 27.03.2007, МКИ 6 G01N 29/14, приоритет 07.09.2005, БИ №9, 2007 г., принятый за прототип).
max
max
В известном способе акустические преобразователи устанавливаются на диски колес и ось колесной пары, после последовательного приложения вертикальной нагрузки к оси, горизонтальной нагрузки к дискам колес и совместных нагрузок осуществляется регистрация основных параметров принятых сигналов акустической эмиссии, определяются временные интервалы между приходом каждого сигнала на акустический преобразователь, принявший сигнал первым, и другими акустическими преобразователями, по временным интервалам определяются координаты источников сигналов акустической эмиссии, определяют кластеры, а местоположение дефекта определяют по местоположению центра кластера, после чего осуществляется поворот на угол φ=360/m, где m - число поворотов, определяемых из условия, что деформации ε в контролируемой зоне колесной пары должны быть не менее 0,87ε, где ε - максимальная деформация в наиболее нагруженном сечении колесной пары, причем местоположение дефекта при повороте колесной пары на угол φ будет также смещаться на этот угол, а местоположение сигналов от прикладываемой нагрузки будет оставаться неизменным, если при повороте центр кластера в зоне, где колесо опирается о рельс, смещается на угол поворота, то в этой зоне находится дефект.
Недостатком известного способа является то, что установка преобразователей акустической эмиссии осуществляется на диски колес с криволинейной поверхностью (особенно для «твердых» колес с S-образным диском) и с высокой шероховатостью поверхности (достигает Rz 320) (ГОСТ 9036. Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры). Вследствие этого возможно существенное отклонение в чувствительности различных преобразователей акустической эмиссии, установленных на объекте, а следовательно, снижение достоверности и воспроизводимости результатов акустико-эмиссионного контроля. Отсутствует также возможность проверки акустического контакта каждого преобразователя акустической эмиссии с объектом контроля до проведения испытаний.
Кроме того, используемые в прототипе временные диаграммы нагружения предполагают следующую последовательность:
- приложение вертикальной нагрузки к оси (нагружение, выдержка, снятие нагрузки до 5% от максимальной);
- приложение горизонтальной нагрузки к дискам колес (нагружение, выдержка, снятие нагрузки);
- одновременное приложение горизонтальной и вертикальной нагрузок (нагружение, выдержка, снятие нагрузки);
Однако, в соответствии с эффектом Кайзера, повторное нагружение до уже достигнутого уровня не приводит к появлению дополнительных сигналов акустической эмиссии, а следовательно на третьем этапе нагружения сигналы акустической эмиссии практически не возникают (Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В.Клюева. Т.7: В 2 кн. Кн.1: В.И.Иванов, И.Э.Власов. Метод акустической эмиссии. - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.). Последнее снижает достоверность акустико-эмиссионного контроля в случае одновременного действия сил и увеличивает продолжительность контроля.
Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности результатов акустико-эмиссионного контроля.
Поставленная задача достигается тем, что способ акустико-эмиссионного контроля колесных пар вагонов включает установку преобразователей акустической эмиссии на ободья колес, шероховатость поверхности которых не хуже Rz 80, и ось колесной пары.
Проводят рабочее испытание колесной пары, при котором последовательно нагружают ось колесной пары силами, действующими в вертикальном направлении, производят выдержку под этой нагрузкой, нагружают ободья колес силами, действующими в горизонтальном направлении, производят выдержку под этими нагрузками, выполняют одновременное снятие нагрузки от вертикальной и горизонтальной сил, в ходе нагружения осуществляют регистрацию сигналов акустической эмиссии, определяют основные параметры принятых сигналов акустической эмиссии, определяют временные интервалы между приходом каждого сигнала на преобразователь акустической эмиссии, принявший сигнал первым, и другими преобразователями акустической эмиссии, по временным интервалам определяют координаты источников сигналов акустической эмиссии, определяют кластеры, а местоположение дефекта определяют по местоположению центра кластера, причем местоположение дефекта при повороте колесной пары на угол 90° будет также смещаться на этот угол, а местоположение сигналов от прикладываемой нагрузки будет оставаться неизменным, если при повороте центр кластера в зоне, где колесо опирается о рельс, смещается на угол поворота, то в этой зоне находится дефект, после чего осуществляют поворот на угол 90 градусов, после чего рабочее испытание повторяют, после четырех этапов рабочих испытаний проводят оценку дефектности колесной пары.
Дополнительно проводят предварительное испытание для проверки акустического контакта преобразователей акустической эмиссии с объектом контроля с использованием излучающего акустического преобразователя и электронного имитатора сигналов в 100 В. Излучающий акустический преобразователь устанавливают на середине оси, подают на него сигнал от электронного имитатора, принимают сигналы, пришедшие от акустического излучателя к преобразователям сигналов акустической эмиссии.
Условием удовлетворительного акустического контакта является амплитуда акустического сигнала, принятого преобразователями акустической эмиссии на оси с амплитудой не менее 600 мВ для преобразователей акустической эмиссии, установленных на оси, и не менее 300 мВ для преобразователей акустической эмиссии, установленных на ободьях колес.
В случае, если условия не выполнены, выполняют переустановку преобразователей акустической эмиссии с неудовлетворительным акустическим контактом, предварительно очистив область установки преобразователей от инородных включений, удалив из смазки воздушные пузыри, добавив контактную смазку, и предварительное испытание повторяют.
Предложенный способ поясняется фиг.1, на которой показаны места установки преобразователей акустической эмиссии на ободе колеса колесной пары. Фиг.2 показывает, как изменяется чувствительность преобразователей акустической эмиссии в зависимости от состояния акустического контакта (шероховатости поверхности или толщины слоя контактной смазки, типа используемой контактной смазки). Видно, что нестабильность акустического контакта, а следовательно, чувствительность преобразователей в существенной степени определяются шероховатостью поверхности ввода, отклонениями в толщине слоя смазки (твердой смазки - циатим, литол, солидол) и акустическими свойствами контактной смазки. Так, при значительной шероховатости (Rz 320) нестабильность акустического контакта может достигать 15 дБ, изменение толщины контактного слоя в 3 раза (со 100 до 300 мкм) изменяет чувствительность на 8 дБ (более чем в 2 раза). Наличие воздушных пор или инородных включений в контактной смазке также существенно ухудшает акустический контакт. Указанные факторы существенно ухудшают достоверность контроля.
На фиг.3 представлена блок-схема предварительных испытаний. На фиг.4 представлена блок-схема рабочих испытаний. На фиг.5 показаны временные диаграммы изменения горизонтальной и вертикальной нагрузок в процессе рабочих испытаний, используемые в предлагаемом способе (фиг.5,а) и в прототипе (фиг.5,б).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом (фиг.3). На плоскую поверхность ободьев колес, шероховатость поверхности которых не хуже Rz80 (ГОСТ 9036. Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры), и ось колесной пары устанавливают преобразователи акустической эмиссии.
Вначале проводят предварительное испытание для проверки акустического контакта преобразователей акустической эмиссии с объектом контроля с целью повышения достоверности акустико-эмиссионного контроля. Излучающий акустический преобразователь устанавливают на середине оси (фиг.3), подают на него сигнал от электронного имитатора, вырабатывающего короткий импульс электрического напряжения амплитудой 100 В, входящий, например, в состав системы СЦАД 16.03. С помощью акустико-эмиссионной системы, например, СЦАД 16.03, принимают акустические сигналы, пришедшие от излучающего акустического преобразователя к приемникам сигналов акустической эмиссии. Условием удовлетворительного акустического контакта является амплитуда акустического сигнала, принятого преобразователями акустической эмиссии на оси с амплитудой не менее
- 600 мВ для преобразователей акустической эмиссии, установленных на оси, и
- 300 мВ для преобразователей акустической эмиссии, установленных на ободьях колес.
В случае, если условия не выполнены, выполняют переустановку преобразователей акустической эмиссии с неудовлетворительным акустическим контактом, предварительно очистив область установки преобразователей от инородных включений, удалив из смазки воздушные пузыри, добавив контактную смазку, и предварительное испытание повторяют.
Далее проводится рабочее испытание колесной пары (фиг.4). Нагружение производится в соответствии с фиг.5. Сначала производится нагружение вертикальной нагрузкой к оси, производится выдержка при постоянной вертикальной нагрузке в течение 60 секунд, затем производится нагружение горизонтальной нагрузкой к дискам колес и производится выдержка при совместном действии вертикальной и горизонтальной нагрузки в течение 60 секунд, далее колесная пара разгружается.
Во время всего периода нагружения и разгрузки осуществляют регистрацию сигналов акустической эмиссии с помощью акустико-эмиссионной системы, например, СЦАД 16.03. Определяют временные интервалы между приходом каждого сигнала на акустический преобразователь, принявший сигнал первым, и другими акустическими преобразователями. По временным интервалам определяют координаты источников сигналов акустической эмиссии, определяют зону кластера. Местоположение дефекта определяют по местоположению центра зоны кластера, причем местоположение дефекта при повороте колесной пары на угол 90° будет так же смещаться на этот угол, а местоположение сигналов от прикладываемой нагрузки будет оставаться неизменным. Поэтому если при повороте центр кластера в зоне, где колесо опирается о рельс, смещается на угол поворота, то в этой зоне находится дефект.
Далее осуществляется поворот колесной пары на угол 90°, после чего рабочее испытание повторяют. После четырех этапов рабочих испытаний проводят оценку дефектности колесной пары, например по локально-динамическому критерию (РД 03-131-97. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов).
Таким образом, предлагаемая совокупность существенных признаков обеспечивает более достоверную оценку степени дефектности колесной пары.
Способ осуществлен в комплексе, внедренном в депо «Инская» Западно-Сибирской железной дороги. Результаты испытаний приведены в Приложении (Протокол результатов неразрушающего контроля колесных пар грузового вагона).