Исследование путей и разработка средств автоматизированного магнитопорошкового контроля колесных пар

УДК 629.4.027/027:620.179.16

Р. А. Ахмеджанов, В. С. Кашка, А. В. Тихонов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МАГНИТОПОРОШКОВОГО КОНТРОЛЯ КОЛЕСНЫХ ПАР

В работе рассчитаны динамические характеристики частиц ферромагнитного порошка при магнитопо-рошковом контроле способами остаточной намагниченности и приложенного поля, а именно траектории перемещения в магнитном поле трещины, и время образования валиков индикаторного рисунка. Получена математическая модель магнитного поля короткого соленоида. Разработана непрерывная аналитическая зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля, характеризующая петлю гистерезиса, представленная системой двух гармонических функций с разностью начальных фаз, зависящей от коэрцитивной силы. Результаты исследований позволяют рассчитать максимально возможную при магнитопорошковом контроле скорость перемещения намагничивающего устройства относительно объекта контроля и установить новый режим контроля осей колесных пар вагонов с совмещенным вращением колесной пары и поступательным движением соленоида. Для реализации предложенного режима разработан автоматизированный комплекс магнитопорошкового контроля оси колесной пары в сборе с колесами.

Результаты исследований внедрены в лаборатории неразрушающего контроля Омского государственного университета путей сообщения (ДУОСП ОмГУПСа) и подготовлены к внедрению на демонтажном участке вагонно-колесной мастерской (ВКМ) ст. Иртышская Западно-Сибирской железной дороги.

Для выявления поверхностных трещин на оси колесной пары применяется магнитопо-рошковый метод неразрушающего контроля (МПК), который позволяет выявлять трещины с раскрытием 1 - 0,3 мкм, дает возможность получить индикаторные рисунки, прост в исполнении.

Однако реализация положительных качеств МПК возможна только при точном и тщательном выполнении технологических переходов. Кроме того, должны соблюдаться требования к размерам и качеству частиц магнитного индикатора, ориентации объекта контроля относительно намагничивающего поля, режимам сканирования и т. д.

Деповская штатная технология МПК является в основном «ручной», ее оборудование и оснастка «привязаны» к человеку и не совершенствуются более 40 лет, в связи с этим контроль требует больших временных затрат. Например, по результатам анализа статистического материала, собранного в вагонных и локомотивных депо Омского узла ЗападноСибирской железной дороги (рисунки 1, 2), видно, что среднее время на контроль средней части вагонной оси составляет 14,3 мин со средним квадратическим отклонением, равным 4,6 мин, и шеек оси - 10,1 и 0,8 мин соответственно, что превышает установленные нормативы.

Рисунок 1 - Гистограммы затрат времени на МПК средней части оси

Особенно острой проблема излишних затрат времени является в вагонно-колесных мастерских (ВКМ), например, в ВКМ ст. Иртышская ОАО «РЖД» с программой выпуска колесных пар 50 тыс. штук в год.

Рисунок 2 - Гистограммы затрат времени на МПК шеек оси

В статье рассматривается задача повышения производительности МПК колесных пар с использованием штатного оборудования при сохранении существующего уровня достоверности. Решение данного вопроса для условий депо и ВКМ возможно путем автоматизации контроля. Очевидно, что поиск решения должен вестись с учетом бесперспективности полного исключения основного звена технологического процесса МПК - человека. Здесь полная автоматизация невозможна, однако ручные манипуляции можно отдать автоматам, а аналитическую часть оставить за человеком.

Анализ путей автоматизации МПК оси колесной пары показал, что резервы повышения производительности МПК имеются в совершенствовании технологии контроля. С этой целью исследованию должны быть подвергнуты следующие технологические аспекты и режимы контроля:

расположение объекта контроля в соленоиде: необходимо поверхность оси устанавливать в зоне намагничивания, создающей наибольшую напряженность поля рассеяния над дефектом;

траектория и скорость перемещения соленоида относительно объекта контроля: длина намотки соленоида значительно меньше длины оси, что создает необходимость перемещения намагничивающего устройства, кроме того, из-за сыпучести магнитного порошка контроль всей поверхности может быть обеспечен только при поворотах и фиксации поверхности контроля. При этом скорость поступательного движения соленоида и вращения оси колесной пары обусловливаются временем формирования индикаторного рисунка ферромагнитными частицами.

Обоснование расположения в соленоиде оси колесной пары. Помещенный в магнитное поле ферромагнитный материал, намагничиваясь, создает собственное магнитной поле, способное превосходить исходное поле по напряженности в сотни и более раз. Для анализа наилучшего положения оси колесной пары в соленоиде воспользуемся рекомендациями работы [1], где было рассмотрено возможное искажение магнитного поля короткого соленоида при помещении в него бесконечно длинной цилиндрической детали (рисунок 3). Примем следующие допущения:

1) магнитное поле от краев оси или торцов колес отсутствует;

2) глубина проникновения магнитного поля бесконечно мала;

3) источником магнитного поля на поверхности является бесконечно тонкая и бесконечно длинная линия магнитных зарядов.

На рисунке 3 цифрами 1 и 2 обозначены соответственно воздушное пространство и ферромагнитный материал. Соленоид изображен частично. Граница раздела сред установлена на некотором расстоянии от ноля по оси х и совпадает с осью ц. Ось г - центральная ось соленоида.

Рисунок 3 - Деталь из ферромагнитного материала в поле соленоида

Магнитное поле соленоида с напряженностью Исол создает на поверхности ферромагнетика некоторый магнитный заряд с плотностью а. В формировании а участвует только компонент Исол х, перпендикулярный границе раздела сред. Знак магнитного заряда будет зависеть от направления напряженности. В свою очередь магнитные заряды создадут в окружающем их пространстве собственное поле, взаимодействующее с полем соленоида. В результате образуется некоторое суммарное поле, в котором производится намагничивание.

Согласно рисунку 3 запишем выражения для поля детали:

И

дет г

1 7 д(л)(г - л) ,

И

дет х

л

0

((г - Л)2 + Р2 } в ( Л) Р

з

((г - л)2 + р2 )1

¿л,

где о

И (Л )с

И

плотность магнитных зарядов;

В(И) - магнитная индукция (И является функцией ц) Тл; И(л)сол х - нормальная оставляющая напряженности внешнего поля, А/м; И(л) - абсолютная величина напряженности внешнего поля, А/м; дц - элемент длины линии, вдоль которой распределен магнитный заряд; ¿И - напряженность от А/м.

Тогда результирующее поле в точке А (г; х + р) определится так:

Ирез г (г;х+р ) Исол г

(г;х + р) + Идег 2 (г х + р);

Ирез х

(г;х + р ) =

Исол х

(г;х + р) + Идет х (г;х + Р),

где Исолг(х ; х + р), Исолх(г ; х + р) - величины проекций напряженности поля соленоида в точке (2 ; x+p), А/м;

^ ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 9

НдеТг(г; х + р), Ндетх(г ; х + р) - величины проекций напряженности поля детали в точке (г; х + р), А/м.

Выражения (3), (4) решаются численными методами посредством ЭВМ с предоставлением результатов в графической форме. Зависимость В(Н), характеризующую первоначальную кривую намагничивания осевой вагонной стали, возьмем согласно расчетам в работе [2].

Построим графики выражений (3), (4) (рисунок 4) для различных значений координаты х, взяв за переменную координату г. Возьмем три значения х: 0,7^, 0,8^, 0,9^. Для каждого из положений оси х рассчитаем по четыре значения р, являющегося расстоянием от рассматриваемой точки до поверхности детали (р = 0,002 м; 0,003 м; 0,004 м; 0,005 м). Координату г меняем в интервале [-0.13 м; 0,13 м]. В основу расчета положим штатный соленоид модели МД-13ПР, для описания магнитного поля в соленоиде воспользуемся рекомендациями [3, 4].

\

2-10

А/м -2-10б -4-10б н2 -6-Ю6 -8-10б -МО7

2-106 А/м -2-10б -4-10б -6-10б Н2 -8-10б -1-Ю7 ' -1,2*107

х=0,7Р

^ \ — 'У

I

-0,1 -0,05 0 . 0,05 м 0,15

?

х=0,8Р

VI

V

-0,1 -0,05 0 0,05 м 0,15

М(Г А/м 5*107 2,5-107 0

Нх -2,5-107 -5-107 -7,5-107

МО3 А/м 5-Ю7 2,5-107 0

Их -2,5-107 . -5-107 -7,5-107

у=0 7Р1

-------

— —,_

р/

-ОД -0,05 0 0,05 2 Т* м 0,15

\

у=П Яй

У'

--—. ~

-0,1 -0,05 _ 0 0,05 м 0,15

2,5-106

А/м -2,5-106 -5-106 -7,5-10б Н2 -МО7 1,25-107 -1,5-107

\

х=0,9Р

У\Х!

I

н

-0,1 -0,05 0 0,05 м 0,15

МО3 Ам 5-107 2,5-Ю7 0

-2,5-107 -5-Ю7 -7,5-107

у=П ОР

л. г / ,.-

«1 _- •*-! _

"-и,__.г-"

-0,1 -0,05 0 0,05 м 0,15

Д е

Рисунок 4 - Изменение Нг и Нх в зависимости от х - расстояния между контролируемой поверхностью и осью соленоида: ......- р = 0,002 м;----- р = 0,003 м;---- р = 0,004 м;- - р = 0,005 м

Следует отметить, что в работе [1] было предположено, что внесенный в соленоид бесконечно длинный ферромагнитный цилиндр собственным полем выровняет поле соленоида. В нашем случае заметна лишь равномерность Нрез г(г; 0,8^) в зоне соленоида. Можно сказать, что поле при смене положения детали в соленоиде существенных изменений не претерпевает. Следовательно, по существующей технологии операция выставления зазора (40 - 60 мм) является излишней.

Расчет траектории и скорости перемещения соленоида относительно оси колесной пары. Для описания динамики ферромагнитной частицы в магнитном поле составим дифференциальные уравнения движения на основе второго закона Ньютона (рисунок 5). При этом плотность частиц считаем достаточно малой для возможности пренебречь взаимодействием между ними. Выражения для проекций на оси координат запишутся в виде:

¿2 х / г

т— = /тх - Г

ё г2

тр х-

т

ё г2

/ту у + Га

тр У

ар х

где т - масса частицы, кг;

х, у - координаты рассматриваемой точки;

/тх,/ту - проекции магнитной силы на оси х и у соответственно, Н; Гар х - сила Архимеда, Н;

Гтр х, Гтр у - проекции силы вязкого трения на оси х и у соответственно: Гтрх = V

ё х

Л

Т7 ё У и

г = V—— Н'

тр у ё г ' '

V - коэффициент вязкого трения.

Магнитная сила, действующая на частицу, зависит он напряженности поля согласно выражению:

/ = ?

Рисунок 5 - Модель для описания динамики ферромагнитной частицы в магнитном поле

где рш - магнитный момент, А-м ;

И - напряженность поля, А/м (формируется как полем трещины, так и некоторым внешним полем).

В качестве модели поля трещины взяты выражения В. Е. Щербинина, Н. Н. Зацепина [5], для расчета модели внешнего поля [6] для контроля как способом остаточной намагниченности, так и в приложенном поле.

Для расчета траекторий движения частиц порошка необходимо иметь выражения, непрерывно во времени описывающие изменение магнитной индукции по петле гистерезиса. Аппроксимировать такую зависимость можно системой двух гармонических функций с разностью начальных фаз, зависимой от коэрцитивной силы. Запишем данную систему уравнений согласно рекомендациям работы [2]:

И (г) = И ( х, у, г )бш ( Ш );

2 В И БШ

1+

Иш бш

И

И

где ы - угловая частота, рад/с; г - время, с;

м:п21(п2) ИЗВЕСТИЯ Транссиба

Н (г,у,г) - напряженность поля в точке с координатами х, у, г, А/м;

г \

Ф = arctg

Н

— магнитная индукция насыщения, Тл;

Н— напряженность насыщения, А/м;

Нс — коэрцитивная сила, А/м.

Сложные зависимости от координат напряженности поля трещины не позволят получить решение дифференциальных уравнений динамики заряженной частицы в аналитической форме. Оно получено численными методами с графическим построением траектории движения (рисунки 6, 7).

Рисунок 6 — Траектории движения частиц в поле трещины при контроле способом остаточной намагниченности

Рисунок 7 — Изменение координаты х частицы во времени при формировании индикаторного рисунка

Для контроля способом приложенного поля траектории движения ферромагнитных частиц в поле трещины показаны на рисунке 6, где видно, что частицы притягиваются к краям трещины, выделенным жирными точками. Непритянувшиеся же частицы оседают на некотором расстоянии, позволяя на фоне поверхности объекта видеть характерный валик.

12 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба ^

Для контроля способом приложенного поля полученная зависимость координаты х (в плоскости контролируемой поверхности) от времени показана на рисунке 7, из которого видно, что даже с расстояния в 1,5 см магнитный порошок способен достигнуть места расположения дефекта (0,4 с). Причиной этого является внешнее магнитное поле с высокой напряженностью, созданное соленоидом и намагниченной деталью. По сути это магнитное поле выполняет транспортную роль, перемещая порошинки по контролируемой поверхности до места расположения дефекта, где поле рассеяния формирует из них индикаторный рисунок. Поэтому в динамике ферромагнитной частицы при контроле сухим порошком основную роль играет напряженность внешнего поля.

Зона контроля для соленоида модели МД-13ПР Ь = 0,3 м. Определим угловую скорость а> вращения оси колесной пары. Максимальное время на формирование валика порошка над дефектом составляет 0,5 с. За это время колесную пару повернем на половину угла, ограничивающего сектор контролируемой поверхности оси (72°). Остальное время дается оператору на осмотр. Имеем:

2п 1 10 0,5

2п 5

2л/5 рад/с соответствует 12 об/мин. Один поворот колесная пара сделает за 5 с. За это время соленоид должен пройти путь, равный Ь. Тогда скорость поступательного движения соленоида определится так:

I

V =

5

0 3

у = —= 0,06 м/с. 5

Длина средней части оси — 1250 мм, значит, на полный проход соленоида будет затрачено 20 с.

Экспериментальная проверка режима контроля. Согласно действующей на предприятиях вагонного хозяйства технологической инструкции по неразрушающему контролю деталей подвижного состава магнитопорошковым методом проверка работоспособности средств маг-нитопорошкового контроля осей колесных пар проводится с помощью стандартных образцов предприятия (СОПов). В результате МПК контрольной оси колесной пары на рабочей поверхности СОПа должны образоваться валики магнитного порошка, вид которых должен соответствовать дефектограмме, приведенной в паспорте СОПа.

Результаты экспериментальных исследований представлены в виде фотографий индикаций, образовавшихся над несплошностями СОПа (рисунок 8). Сравнивая полученный рисунок с дефектограммой, убеждаемся в их полном совпадении.

На рисунке 9 показана схема разработанной системы, позволяющей в автоматизированном режиме производить МПК осей колесных пар в условиях депо и ВКМ.

Рисунок 8 — Магнитные индикации дефектов СОП

№ 2(2) 2010

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13

!на----- * з-

ш Щ-

вр

_±с_ • •—

1—Г

вр

н [

ЙВГ

видеосистема

* - датчики положения

видеосигнал

ш

нанесение

порошка

13'

вр

Ж

Е_Т

пуск стоп -Дг

намагничивание, нанесение порошка 'управление М управление

воздухораспределителями

Рисунок 9 - Схема автоматизированной системы МПК колесных пар

Все приводы в системе, кроме электропривода катковой станции, пневматические, они выполняют сканирование соленоидами в двух плоскостях и перемещают вспомогательные механизмы по заданным алгоритмам.

Сигналы датчиков положения поступают в контроллер, который осуществляет управление процессами намагничивания, нанесением порошка, вращением колесной пары. Направления возможных перемещений, исполняемые элементами, на рисунке изображены стрелками. Видеосистема позволяет оператору на экране рабочего места наблюдать индикаторные рисунки на шейках оси и на средней части, при этом видеоустройства на шейках закреплены стационарно, а на средней части оси перемещается вместе с намагничивающим устройством, производя сканирование всей поверхности. При обнаружении оператором индикаторного рисунка, характеризующего дефект, возможна остановка движения и подробный осмотр колесной пары.

На основе проведенных исследований разработан автоматизированный комплекс магни-топорошкового контроля колесной пары, в котором штатные и предложенные технологические переходы выполняются автоматическими устройствами по алгоритму, заложенному в микроконтроллер. Оператору отдается распознавание дефекта по магнитным индикациям, выводимым на дисплей монитора. При этом рабочее место оператора вынесено за пределы зон действия вредных и опасных факторов.

Перечисленное позволило увеличить производительность магнитопорошкового контроля колесной пары (рисунки 1, 2 - «Контроль без межоперационного и подготовительного ручного труда») с сохранением достоверности полученных результатов и улучшением безо -пасности труда.

Список литературы

1. Янус, Р. И. Магнитная дефектоскопия [Текст] / Р. И. Янус. - М.: ОГИЗ, 1946.

2. Ахмеджанов, Р. А. Аппроксимация основных магнитных характеристик ферромагнетика [Текст] / Р. А. Ахмеджанов, В. С. Кашка // Транспорт Урала. 2006. № 3 (10). — С. 66 — 69.

3. Кашка, В. С. Математическая модель соленоида с постоянным током [Электронный ресурс] / В. С. Кашка // Материалы XVII российской науч.-техн. конф. «Неразрушающий контроль и диагностика» / ИМАШ УрОРАН. Екатеринбург, 2005. Электрон. оптич. диск. Статья № ТС 1-9.

4. Ахмеджанов, Р. А. Математическая модель витка с постоянным током [Текст] / Р. А. Ахмеджанов, В. С. Кашка // Транспорт Урала. 2005. — № 2 (5). — С. 60 — 64.

5. Зацепин, Н. Н. К расчету магнитостатического поля поверхностных дефектов [Текст] / Н. Н. Зацепин, В. Е. Щербинин // Дефектоскопия. 1966. — № 5. — С. 50 — 66.

6. Кашка, В. С. Разработка режимов магнитопорошкового контроля на основе коротких соленоидов с учетом динамических характеристик индикатора дефектоскопа: Автореферат дис... канд. наук. Омск, 2006. — 16 с.

УДК 629.4.027.115

А. В. Бородин, Е. Н. Кулинич, Ю. А. Иванова УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РОЛИКОВОЙ БУКСЫ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

В статье обоснована актуальность принятия мер для снижения количества неисправностей роликовых букс грузовых вагонов. Предложена усовершенствованная конструкция буксы, обеспечивающая рациональное восприятие комбинированной нагрузки, что приводит к существенномуулучшениюусловийработы подшипников и повышению их ресурса.

Роликовые буксы грузовых вагонов являются одними из наиболее ответственных узлов подвижного состава, состояние которых влияет на безопасность движения. Согласно программе «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.» предполагается увеличение нагрузки на ось до 25 — 27 тс и повышение скорости движения поездов до 120 км/ч [1]. Таким образом, требования к опорным узлам подвижного состава непрерывно возрастают.

По данным Центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов на сети железных дорог за последние годы количество случаев брака по неисправностям роликовых букс составляет более 95 % от общего количества случаев брака. Основными ресурсообразующими элементами вагонных букс являются подшипники качения. Следовательно, сохраняется актуальность разработки технических решений, направленных на улучшение условий работы буксовых подшипников и повышение их ресурса.

Характерным показателем неисправности буксы в пути следования является повышенная температура. В структуре показаний средств теплового контроля на сети российских же -лезных дорог за период с 2006 по 2008 г. на нагрев букс грузовых вагонов приходится около 70 % от всех зарегистрированных случаев нагрева деталей подвижного состава. В 2007 г. на российских железных дорогах по неисправностям букс отцеплено 13200 грузовых вагонов (в 2006 г. — 11700 вагонов), из них по нагреву букс — 11500 вагонов, или 87 %. За 6 месяцев 2008 г. из-за нагрева буксовых узлов остановлено 22265 грузовых поездов, отцеплено 3818 грузовых вагонов, что на 8,1 % больше, чем за аналогичный период 2007 г. Основные неисправности роликовых подшипников, выявленные в 2006 — 2008 гг., на долю которых приходится более 10 % от общего количества случаев брака по неисправностям букс, приведены в таблице 1 [2].

м;021(02) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 15