СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБОДЬЯХ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
MEASURING METHOD OF RESIDUAL STRESSES IN RIMS OF ALL-ROLLED RAILWAY WHEELS

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и предназначено для повышения точности расчета значений остаточных механических напряжений ультразвуковым методом.
Известен ультразвуковой способ измерения остаточных механических напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес по международному стандарту EN 13262-2004 "Продукция для железных дорог - Колесные пары и тележки - Колеса - Требования к изделиям (Railway applications - Wheelsets and bogies - Wheels - Product requirement)", согласно которому остаточные напряжения в колесе определяют измерением скорости (времени распространения) ультразвука, при котором используют эффект акустоупругости, заключающийся в учете влияния упругого напряжения в материале на скорость (время распространения) ультразвуковых волн.
рад
окруж
окруж
рад
окруж
рад
Известен российский стандарт ГОСТ 54093-2010 "Колеса железнодорожного подвижного состава. Методы определения остаточных напряжений", измерения в котором проводят образом, аналогичным международному стандарту. Измерение остаточных механических напряжений в ободе колеса проводят с боковой поверхности обода, обеспечивая распространение ультразвуковых волн между боковыми гранями обода. Поперечно поляризованную акустическую волну излучают с боковой поверхности обода колеса так, чтобы плоскость поляризации излучаемой преобразователем волны была ориентирована в радиальном направлении. Проводится измерение времени распространения волны t. После этого проводится измерение времени распространения волны, поляризованной в окружном направлении t, для чего излучают волну, поляризация которой ортогональна исходной. После выполнения всех измерений, по относительной разности времен распространения волн t и t с учетом известного коэффициента акустоупругости К по приведенной ниже формуле рассчитывается остаточное напряжение, которое определяется в соответствие с ГОСТом как разница основных напряжений σ-σ:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>К</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
В стандартах указано, что для получения эпюры распределения остаточных напряжений по высоте обода, измерения должны быть выполнены в нескольких точках, расположенных по ободу колеса в радиальном направлении.
Достоинством известного способа является учет акустоупругости материала (коэффициент K).
окруж
рад
Недостатком известного способа является отсутствие учета влияния текстурированности материала обода колеса, свойственной производимой продукции и являющейся причиной проявления собственной анизотропии материала, которая, в свою очередь, влияет на значения измеренных времен распространения t и t. За счет этого точность способа недостаточно высока.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа, учитывающего влияние анизотропии материала на величину остаточных напряжений.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ, также как и известный, осуществляют путем излучения в боковую стенку обода ультразвуковым датчиком двух акустических волн поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измерения времени их распространения между боковыми стенками обода с последующим расчетом остаточных напряжений, отличающийся тем, что дополнительно из колеса той же партии, к которой относится исследуемое колесо, вырезают образец в виде секторной части обода и излучают в его боковую стенку две акустические волны поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измеряют времена их распространения между боковыми гранями сектора обода и рассчитывают остаточные напряжения по формуле:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>L</mi><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msup><mi>L</mi><mn>0</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>а</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
окруж
рад
где σ, σ - главные напряжения в окружном и радиальном направлениях;
K - коэффициент акустоупругости;
0
L, L - путь, пройденный ультразвуком в материале;
рад
окруж
t, t - время распространения поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
<mrow><msub><mi>Δ</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
- коэффициент собственной анизотропии.
Техническим результатом является повышение точности измеренных значений остаточных механических напряжений ультразвуковым методом за счет учета влияния анизотропности материала.
Технический результат достигается за счет того, что проведение дополнительных измерений в образце, свободном от остаточных напряжений, позволяет выявить анизотропность материала, влекущую за собой погрешность измерения.
Совокупность признаков, сформулированных в п.2, характеризует способ определения остаточных напряжений в ободьях колес, в котором производят последовательное перемещение ультразвукового датчика по боковой поверхности в радиальном направлении обода, проводя измерение в каждой точке контроля. Сканирование по ободу колеса позволяет определить распределение остаточных напряжений в нем.
Известны уравнения, связывающие напряжения и скорость ультразвуковых поперечных волн (Е.Schneider in Hauk V.Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Elsevier Sci. B.V., Amsterdam, The Netherlands 1997. - 527 p.; Е. Schneider, R. Herzer, G. Hubschen, M. Wildau, K. Steinhoff. Bestimmung des oberflachennahen Spannungszustandes von Walzen, DGZfP-Jahrestagung 2009, Munster, 2009 - P31.):
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mi>t</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>t</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>е</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>E</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>F</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow>
;
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mi>t</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>t</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>е</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>F</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>E</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow>
;
рад
окруж
где С, С - скорости поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
t
C - скорость поперечной волны в изотропном материале;
осев
рад
окруж
σ, σ, σ - основные напряжения в осевом, радиальном и окружном направлениях;
D, Е, F, K - комбинации упругих констант второго и третьего порядка для материала, рассчитываемые по известным формулам с помощью коэффициентов Ламе (второго порядка) и упругих постоянных Мурнагана (третьего порядка) для изотропного материала.
При выявлении собственной (текстурной) анизотропии в материале эти уравнения корректно записать в следующем виде:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>С</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>е</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>E</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>F</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow>
;
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>С</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>е</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>F</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>E</mi><mi>K</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>С</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
где
,
- скорости поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях, в анизотропном материале.
Записав разность двух последних выражений и выразив скорости через время распространения ультразвука и путь, который одинаков для каждой пары сдвиговых волн и подставив комбинации упругих постоянных второго и третьего порядка для материала, получим:
<mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>μ</mi><mo>+</mo><mi>n</mi></mrow><mrow><mn>8</mn><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mrow><msup><mi>L</mi><mn>0</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
0
где L, L- путь, пройденный ультразвуком в материале исследуемого колеса и в образце соответственно;
рад
окруж
t, t - время распространения поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
,
- время распространения поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях, в анизотропном материале;
<mrow><mfrac><mrow><mn>8</mn><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>μ</mi><mo>+</mo><mi>n</mi></mrow></mfrac></mrow>
- коэффициент акустоупругости K.
Выделив в последнем уравнении коэффициент собственной анизотропии, показывающий величину собственной анизотропии материала, уравнение можно записать в следующем виде:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>L</mi><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msup><mi>L</mi><mn>0</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>а</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msub><mi>Δ</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
где
- коэффициент собственной анизотропии.
Изобретение иллюстрируется фиг.1, на которой показано расположение датчика 1 на контролируемом ободе 2 колеса.
Изобретение основывается на том, что на металлургических предприятиях колеса одной плавки, т.е. изготовленные из объема стали, выплавленной единовременно в сталеплавильном агрегате, имеют одинаковые акустические характеристики материала колес.
рад
окруж,
В предлагаемом способе для определения остаточных напряжений в ободьях колес проводят измерения в контролируемом ободе и в образце, вырезанном из колеса той же плавки. Измерение в ободе контролируемого колеса проводят с боковой поверхности обода, обеспечивая распространение ультразвуковых волн между боковыми гранями обода. Поперечно поляризованную акустическую волну излучают с боковой поверхности обода колеса так, чтобы плоскость поляризации излучаемой преобразователем волны была ориентирована в радиальном направлении. Проводится измерение времени распространения волны t. После этого проводится измерение времени распространения волны, поляризованной в окружном направлении t, для чего в этой же точке излучают волну, поляризация которой ортогональна исходной.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>Δ</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
окруж
рад
Образец представляет собой сектор колеса без диска и ступицы минимальной длины дуги окружности, вырезанный из колеса той же плавки, что и контролируемые ободья. Разрезкой остаточные напряжения в ободе снимаются, и на время распространения ультразвука оказывает влияние только собственная анизотропия материала. Измерения опорных значений времен распространения поперечных волн
и
производятся аналогичным способом, как и в контролируемом колесе, в той же точке, в которой проводится измерение времен распространения t и t. Величину собственной анизотропии предложено характеризовать коэффициентом, равным относительной разности значений времен распространения двух ортогонально поляризованных поперечных волн между боковыми гранями обода ненапряженного колеса
. С учетом этого были модифицированные известные и опубликованные в литературе уравнения, связывающие напряжения и скорость (время) распространения ультразвуковых поперечных волн, и получено выражение, позволяющее рассчитывать значения остаточных механических напряжений в ободе колеса с учетом собственной анизотропии материала.
Для получения распределения остаточных напряжений сканируют ультразвуковым датчиком боковую поверхность обода в радиальном направлении, проводя измерения в каждой точке контроля.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
а
окруж
рад
Методика измерений отличается от традиционной и описанной в стандартах дополнительным измерением опорных значений времен распространения поперечных волн в образце (
и
), вырезанном из колеса данной плавки, определением коэффициента анизотропии (Δ), а также его учетом при расчете остаточных напряжений по значениям времени распространения волн, измеренным в контролируемом колесе (t и t)
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>L</mi><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mrow><msup><mi>L</mi><mn>0</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>а</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Поскольку по техническим условиям на изготовление колес по ГОСТ 10791-2011 «Колеса цельнокатаные. Технические условия» из колес текущей плавки всегда отбирается колесо для проведения заводских испытаний, то изготовление соответствующего образца из колеса, назначенного на проведение испытаний, не требует дополнительных материальных затрат.