Способ ультразвукового контроля колесной пары рельсового транспорта и стенд для его осуществления
METHOD FOR ULTRASONIC TESTING OF A WHEEL SET OF RAIL TRANSPORT AND A STAND FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к методам и средствам испытаний изделий ультразвуком и может быть использовано для выявления дефектов колес при ремонте и изготовлении колесных пар подвижного состава железнодорожного транспорта.
Известен способ, описанный в технологическом процессе ультразвуковой дефектоскопии вагонных колес [1], заключающийся в том, что пьезоэлектрические преобразователи направляют на контактных поверхностях испытываемого колеса по концентрическим окружностям с помощью сканирующего устройства УСК-4, которое устанавливают на обод испытываемого колеса, на контролируемый сектор колеса кистью наносят контактную жидкость, затем осуществляют поисковый контроль путем ручного перемещения сканирующего устройства в режиме поисковой чувствительности и отмечают зоны появления сигналов в пределах контролируемого сектора. Затем проворачивают колесную пару механизмом вращения и таким же образом выполняют поисковый контроль следующих секторов, а после этого отмеченные зоны контролируют повторно в режиме браковочной чувствительности для выявления недопустимых дефектов.
Недостатком указанного способа является низкая производительность и достоверность ультразвукового контроля.
Известен способ работы стенда, приведенный в описании на изобретение "Стенд для ультразвуковых испытаний колесных пар рельсового подвижного состава" [2].
В указанном способе колесную пару прокатывают по технологической рельсовой колее стенда до остановки над осью подъемно-поворотного устройства. Посредством подъемно-поворотного устройства колесную пару приподнимают и поворачивают на 90° по отношению к рельсовой колее и устанавливают на опоры стенда таким образом, что колеса опускаются нижней частью в иммерсионные ванны и получают возможность свободного вращения и необходимой ориентации для проведения ультразвуковых испытаний обода и диска. В качестве жидкой среды в иммерсионной ванне используется техническая вода. Для реализации ультразвуковых испытаний использовано специальное и типовое оборудование, позволяющее осуществлять ультразвуковой контроль импульсным эхо- методом в диапазоне частот от 1,0 до 5,0 МГц. При этом передача упругих волн от пьезоэлектрических преобразователей к контролируемому колесу осуществляется через иммерсионную среду. Заданные области колес прозвучиваются по траекториям в виде концентрических окружностей.
Недостатком указанного способа является низкая точность позиционирования проверяемых колесных пар и пьезоэлектрических преобразователей, снижающая достоверность контроля и вызывающая сложности при настройке и обслуживании стенда.
Известен автоматизированный комплекс для дефектоскопии колесных пар "Пеленг-Автомат" [3], который включает в себя размещенное между рельсами подъемно-поворотное устройство, которое обеспечивает подъем, разворот колесной пары на 180°, вращение вокруг оси в процессе контроля. Подвод и отвод сканеров, содержащих ультразвуковые преобразователи, обеспечивается электроприводом, управляемым компьютером. В состав комплекса также входит система подачи, сбора и фильтрации контактирующей жидкости, которая подается в зазоры между рабочими поверхностями пьезоэлектрических преобразователей и проверяемой колесной пары для обеспечения акустического контакта. В качестве контактирующей жидкости используется минеральное масло.
Недостатком указанного комплекса является низкая стабильность акустического контакта и достоверность контроля, необходимость тщательной очистки поверхности проверяемого колеса перед контролем и после выполнения контроля.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототип) по назначению, способу работы и конструктивным признакам является «Способ ультразвукового контроля колесной пары рельсового транспорта и устройство для его осуществления» по патенту на изобретение РБ №11133 /4/.
Способ заключается в погружении колесной пары нижней частью колес в иммерсионные ванны, ее вращении на опорах стенда, передаче упругих волн от пьезоэлектрических преобразователей к контролируемому колесу через иммерсионную среду и прозвучивании заданных областей колеса по траекториям в виде концентрических окружностей, причем перед началом контроля измеряют толщину обода контролируемого колеса, с учетом толщины обода устанавливают в требуемое по высоте исходное положение акустический блок с пьезоэлектрическими преобразователями, уровень жидкости в иммерсионной ванне поддерживают не менее чем на толщину обода, затем осуществляют вращение колесной пары, прозвучивают обод и приободную часть диска колеса и регистрируют сигналы, превышающие пороговое значение, по которым выявляют недопустимые дефекты.
Недостатками указанного способа-прототипа и устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная многообразием конструктивных особенностей различных типов колесных пар и степенью их демонтажа, низкая точность установки начальных координат пьезоэлектрических преобразователей по отношению к проверяемой колесной паре и, как следствие, низкая точность определения координат залегания дефектов и недостаточная производительность ультразвукового контроля колес.
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения способа и устройства для ультразвукового контроля различных типов колесных пар и с разной степенью их демонтажа, повышение точности определения координат дефектов и повышение производительности ультразвукового контроля.
Технический результат достигается способом, заключающимся в погружении колесной пары нижней частью колес в иммерсионные ванны и ее вращении на опорах стенда, передаче упругих волн от пьезоэлектрических преобразователей к контролируемому колесу через иммерсионную среду и прозвучивании заданных областей колес по траекториям в виде концентрических окружностей, отличающийся тем, что колесную пару предварительно устанавливают на сменные вкладыши опор стенда такой высоты, что ось вращения колесной пары по вертикальному уровню оказывается ниже оси центров подвижных пинолей менее чем на радиус конической поверхности центрового отверстия оси колесной пары, затем с двух торцов оси подводят подвижные пиноли и, воздействуя центрами подвижных пинолей на конические поверхности центровых отверстий оси, приподнимают колесную пару над сменными вкладышами опор и фиксируют ось, обеспечивая возможность вращения колесной пары на центрах пинолей, после чего акустические блоки перемещают в рабочие точки посредством горизонтальных и вертикальных суппортов, причем позиционирование рабочих точек
горизонтальных суппортов осуществляют по заданному времени хода в жидкой среде иммерсионной ванны ультразвукового импульса от пьезоэлектрического преобразователя с углом ввода 0°, отраженного от ближней к этому преобразователю внутренней торцевой поверхности обода проверяемого колеса, и прозвучивают колеса с помощью акустических блоков с пьезоэлектрическими преобразователями, размещенными со стороны внутренней торцевой поверхности и поверхности катания колес.
Позиционирование рабочей точки установки вертикального суппорта осуществляют по заданному времени хода в жидкой среде иммерсионной ванны ультразвукового импульса от пьезоэлектрического преобразователя с углом ввода 0°, отраженного от нижней части поверхности катания колеса в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения колесной пары.
Ультразвуковой контроль осуществляют в правой и левой иммерсионных ваннах одновременно. После выполнения контроля возвращают в исходное положение акустические блоки, затем отводят в исходное положение подвижные пиноли с центрами, при этом центры пинолей освобождают колесную пару для последующего подъема, а возврат пинолей выключает блокировку подачи энергоносителя в подъемно-поворотный механизм и ограничение на подъем колесной пары.
Для осуществления заявляемого способа предлагается стенд ультразвукового контроля колесной пары рельсового подвижного состава, содержащий неподвижное основание с опорами для испытываемой колесной пары, привод с фрикционным роликом, расположенным с возможностью взаимодействия с боковой поверхностью обода колеса испытываемой колесной пары, подъемно-поворотный механизм для подъема, поворота и установки колесной пары, две иммерсионные ванны, в которых установлены пьезоэлектрические преобразователи, ориентированные под углом от 0° до 25° к нормали в точке ввода ультразвука в контролируемое колесо, объединенные в акустические блоки, установленные на суппортах для перемещения в вертикальном и горизонтальном направлениях, ультразвуковой дефектоскоп, посредством блока управления с коммутатором каналов связанный с пьезоэлектрическими преобразователями, отличающийся тем, что опоры колесной пары включают в себя съемные вкладыши для осей различного диаметра и для букс колесной пары, и бабки с подвижными пинолями, причем съемные вкладыши имеют высоту, обеспечивающую первоначальное положение оси вращения колесной пары ниже оси центров подвижных пинолей менее чем на радиус конической поверхности центрового отверстия оси колесной пары, оба акустических блока включают в себя пьезоэлектрический преобразователь, акустическая ось которого ориентирована параллельно оси вращения проверяемой колесной пары и направлена на нижнюю часть внутренней торцевой поверхности обода колеса, а блок управления с коммутатором каналов имеет два входа для подключения двух ультразвуковых дефектоскопов для правой и левой иммерсионных ванн. Наличие двух дефектоскопов и возможность их одновременной работы с акустическими блоками в правой и левой иммерсионных ваннах позволяет в два раза сократить время контроля.
Цепь питания подъемно-поворотного механизма содержит блокирующее реле, включающее подачу энергоносителя и подъем рабочего органа подъемно-поворотного механизма только при отведенных от оси колесной пары в исходное положение подвижных пинолях бабок.
На фиг. 1 (фронтальный вид) и фиг. 2 (вид сверху) представлена схема закрепления колесной пары на опорах стенда, на фиг. 3 представлен укрупненный вид А схемы взаимодействия центра подвижной пиноли с центровым отверстием шейки оси колесной пары, на фиг. 4 - схема ориентации преобразователя пьезоэлектрического для позиционирования рабочей точки горизонтального суппорта, на фиг. 5 - отображение процесса позиционирования рабочей точки горизонтального суппорта на экране дефектоскопа.
Стенд (фиг. 1, фиг. 2) содержит неподвижное основание 1, которое включает в себя технологическую рельсовую колею 2, по оси симметрии которой установлены подъемно-поворотный механизм 3, две опоры 4 для испытываемой колесной пары в виде двухчелюстного проема, направляющие поверхности которого, обращенные к оси вращения проверяемой колесной пары 12, сближаются к нижней части проема, а также бабки 6 с подвижными пинолями 7, оснащенными центрами 8. Каждая из опор 4 содержит съемные вкладыши 5 для осей разного диаметра и разной степени демонтажа проверяемых колесных пар. Бабки 6 посредством конструктивных элементов неподвижного основания 1 жестко связаны с технологическими рельсами 8 и образуют замкнутый несущий контур, воспринимающий силовую нагрузку от фиксации колесной пары центрами 8. На неподвижном основании 1 размещен также привод с фрикционным роликом для вращения испытываемой колесной пары (в графических материалах не показан). Каждая из двух иммерсионных ванн 9 оснащены горизонтальным 10 и вертикальным 11 суппортами, которые обеспечивают перемещение акустических блоков 13 по отношению к проверяемому колесу в горизонтальном и вертикальном направлениях. Акустический блок 13 оснащен пьезоэлектрическими преобразователями 14, ориентированными под углами от 0° до 25° к нормали в точке ввода ультразвука в контролируемое колесо 16, причем акустическая ось преобразователя 14 ориентирована параллельно оси вращения проверяемой колесной пары и направлена (фиг. 4) на нижнюю часть внутренней торцевой поверхности обода колеса 16.
Работает стенд следующим образом. Колесная пара по технологической рельсовой колее 8 (фиг. 2) накатывается до вертикальной оси симметрии подъемно-поворотного механизма 3. В исходном положении стенда вертикальные 11 и горизонтальные 10 суппорты позиционируют акустические блоки 13 в начальных положениях, обеспечивающих опускание колес в иммерсионные ванны с достаточными технологическими зазорами до конструктивных элементов акустических блоков. Испытываемая колесная пара, у которой уже измерены диаметры колес, прокатывается по технологическим рельсам 8 до оси подъема подъемно-поворотного механизма 3, поднимается его рабочим органом, поворачивается на 90° и опускается в нижнее положение, которое определяется высотой сменных вкладышей 4 и соответствует (фиг. 3) превышению центров 8 подвижных пинолей 7 над центровыми отверстиями оси 12 колесной пары на Δh=3…5 мм.
После опускания колесной пары осуществляется подвод подвижных пинолей 7, которые, воздействуя центрами 8 на конические поверхности центровых отверстий оси 12, приподнимают колесную пару над рабочим органом подъемно-поворотного устройства 3 на 3…5 мм, фиксируют положение оси и обеспечивают возможность вращения колесной пары. Продольная нагрузка, возникающая при сжатии и подъеме оси колесной пары 12 между правым и левым центрами 8, через конструктивные элементы неподвижного основания 1 передается на технологические рельсы 2, которые дополняют конструктивную жесткость неподвижного основания 1 и снижают металлоемкость конструкции.
Затем посредством вертикального 11 и горизонтального 10 суппортов подводят из исходного в рабочее положение акустические блоки 13.
ост
и
Позиционирование рабочей точки горизонтального суппорта 10 и акустического блока 13 (фиг. 4, фиг. 5) осуществляется по заданному времени хода t в жидкой среде иммерсионной ванны 9 ультразвукового импульса от пьезоэлектрического преобразователя 14 с углом ввода 0°, отраженного от ближней к этому преобразователю внутренней торцевой поверхности обода проверяемого колеса 16. В качестве жидкой среды иммерсионной ванны используется техническая вода. В исходном положении акустических блоков 13 время хода ультразвукового импульса до внутренней торцевой поверхности обода составляет t, при движении акустического блока 13 к колесу 16 оно уменьшается, и остановка акустического блока выполняется при достижении значения
ост
t=2S/C, где:
S - требуемое расстояние от излучающей поверхности пьезоэлектрического преобразователя 14 (фиг. 4) до ближней к этому преобразователю внутренней торцевой поверхности обода проверяемого колеса 16;
С - скорость продольных ультразвуковых волн в жидкой среде иммерсионной ванны.
Это обеспечивает точность определения координат дефекта в пределах погрешности применяемого дефектоскопа.
Позиционирование рабочей точки установки вертикального суппорта 11 осуществляют по заданному времени хода в жидкой среде иммерсионной ванны ультразвукового импульса от пьезоэлектрического преобразователя с углом ввода 0°, отраженного от нижней части поверхности катания колеса в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения проверяемой колесной пары 12.
После включают привод вращения колеса (на графических материалах не показан) и осуществляют сканирование объема металла обода и приободной зоны колеса, при этом переключение пьезоэлектрических преобразователей 14 и программ настроек ультразвукового дефектоскопа осуществляется блоком управления и коммутации преобразователей (на графических материалах не показан).
После завершения процесса сканирования всего заданного объема металла колес вращение колесной пары 12 останавливают, горизонтальный суппорт 10 и вертикальный суппорт 11 отводят сканирующее устройство 13 в исходное положение. После вовращают в исходное положение подвижные пиноли 7, при этом центра 8 выходят из центровых отверстий оси колесной пары 12, а ось колесной пары опускается на сменные вкладыши 5 опор 4.
Для исключения возможности преждевременного подъема колесной пары 12 до отведения в исходное положение подвижных пинолей 7 с центрами 8 и освобождения оси колесной пары (при ошибке дефектоскописта), цепь питания подъемно-поворотного механизма 3 содержит блокирующее реле (в графических материалах не показано), разрешающее подачу энергоносителя и подъем рабочего органа подъемно-поворотного механизма 3 только при отведенных от оси колесной пары 12 в исходное положение пинолях 7 бабок 6.
После этого подъемно-поворотным механизмом 3 осуществляют подъем колесной пары 12, ее поворот на 90° и опускание на технологическую рельсовую колею 2. Проверенную колесную пару удаляют.
Способ ультразвукового контроля и стенд для его осуществления реализованы на опытном образце стенда для ультразвуковой дефектоскопии вагонных колесных пар колеи 1520 мм (типов РУ1-950, РУ1Ш-950, РВ2Ш-957), состоящих из оси и напрессованных колес, лабиринтных колец, буксовых узлов со снятыми смотровыми крышками, в вариантах демонтажа буксового узла со снятием и без снятия внутренних колец подшипников, а также в варианте колесных пар типа РВ2Ш-957 с кассетными подшипниками качения.
Для обеспечения возможности фиксации и контроля колес в составе колесных пар различной комплектации и типоразмеров стенд (фиг. 1) включает в себя две опоры 4 для предварительной укладки испытываемой колесной пары в виде двухчелюстного проема, в который устанавливают сменные вкладыши 5 заданной высоты для разных типов осей и разной степени демонтажа буксовых узлов - для осей с диаметром шейки 130 мм, со снятыми внутренними кольцами подшипника и без съема внутренних колец подшипника (колесные пары РУ1-950, РУ1Ш-950), для колесных пар РВ2Ш-957 с диаметром шейки оси 150 мм. Сменный вкладыш 5 содержит опорную вставку 15, выполненную из материала, имеющего меньшую твердость, чем сталь оси колесной пары 12.
По оси симметрии технологической колеи 2 (фиг. 2), совпадающей с осью симметрии опор 4 на неподвижном основании 1 размещены бабки 6 с подвижными пинолями 7, оснащенными вращающимися центрами 8.
На неподвижном основании стенда размещен привод с фрикционным роликом для вращения испытываемой колесной пары. Две иммерсионные ванны 9 содержат акустические блоки 13, перемещаемые посредством горизонтальных 10 и вертикальных 11 суппортов, которые обеспечивают позиционирование акустических блоков 13 по отношению к проверяемому колесу в горизонтальном и вертикальном направлениях. Позиционирование акустических блоков 13 по отношению к проверяемому колесу 16 выполнялось как в автоматизированном режиме по заданному времени хода ультразвукового импульса до отражающей поверхности колеса, так и в ручном режиме. В ручном режиме позиционирование акустического блока 13 вертикальным суппортом 11 осуществлялось исходя из известного диаметра поверхности катания проверяемого колеса 16.
Управление перемещением и остановкой акустических блоков 13 осуществлялось блоком управления и коммутации преобразователей (на графических материалах не показан). Блок управления и коммутации преобразователей имеет разъемы для подключения двух дефектоскопов и их одновременной работы, разъемы для подключения преобразователей пьезоэлектрических 14, разъемы для подключения к компьютеру и работы в автоматизированном режиме под управлением компьютерной программы, а также кнопочную панель для работы в ручном режиме. Макетный образец стенда испытан также в варианте совмещения блока управления и коммутации преобразователей с многоканальным ультразвуковым дефектоскопом, имеющим 16 независимых каналов.
Функциональные испытания стенда при управлении в ручном режиме посредством кнопочной панели блока управления и коммутации преобразователей и в автоматизированном режиме под управлением компьютерной программы показали сокращение времени ультразвукового контроля двух колес с 12 минут у стенда-прототипа до 7 минут, возможность контроля обода и приободной зоны колес в составе колесных пар типов РУ1-950, РУ1-Ш-950, как с буксовым узлом при открытой смотровой крышке, так и с различной степенью демонтажа буксовых узлов, а также возможность контроля колесных пар типа РВ2Ш-957.
Источники информации:
1. Руководство по комплексному ультразвуковому контролю колесных пар вагонов. РД 07.09-97, с. 153, 154. Утверждено Советом по железнодорожному транспорту государств - участников Содружества 08.05.1998.
2. Дубина А.В., Бычек И.С., Комаровский И.С. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №RU 2243532 С2 «Стенд для ультразвуковых испытаний колесных пар рельсового подвижного состава», МПК 7G 01М 17/10; Официальный бюллетень. - №36, 27.12.2004.
3. Железнодорожный транспорт.- №10, 2004, М., с. 70-71.
4. Дубина А.В., Дубина Ю.А. Способ ультразвукового контроля колес рельсового транспорта и устройство для его реализации. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №RU 2360240 С2, G 01N 29/04, Официальный бюллетень №18, 27.06.2009.