Способ акустико-эмиссионной диагностики ответственных деталей тележек грузовых вагонов при эксплуатации
METHOD OF ACOUSTIC-EMISSION DIAGNOSTICS OF CRITICAL PARTS OF FREIGHT-CAR TRUCKS AT OPERATION

Изобретение относится к способам диагностики состояния ответственных деталей подвижного состава железнодорожного транспорта, а именно к диагностике состояния литых деталей тележек грузовых вагонов при эксплуатации и может быть использовано для выявления наличия опасных дефектов в боковых рамах и надрессорных балках непосредственно при движении поезда без проведения специальных стендовых испытаний.
Боковые рамы и надрессорные балки являются одними из наиболее ответственных и нагруженных литых элементов тележки грузового вагона. Боковые рамы подвержены разрушению (изломам) при эксплуатации грузовых вагонов вследствие образования и развития усталостных трещин. Изломы боковых рам при эксплуатации часто приводят к авариям, сопровождающимся сходом вагонов с рельсов и большим экономическим ущербом. Одним из способов предотвращения разрушения боковых рам при эксплуатации является своевременное выявление образовавшихся в них дефектов (трещин) на ранних стадиях их развития и последующий их ремонт или изъятие из эксплуатации.
В настоящее время существуют различные подходы к диагностике состояния ответственных деталей тележек грузовых вагонов начиная от простейших визуальных осмотров деталей до различных стендовых испытаний в лабораторных условиях и применения неразрушающих методов контроля.
Одним из видов стендовых испытаний являются испытания в стационарных условиях с использованием метода акустической эмиссии путем механического, например, знакопеременного, нагружения боковой рамы на специальном оборудовании (стенде) и регистрации акустической эмиссии от возникающих при таком «лабораторном» испытании дефектов с помощью датчиков акустической эмиссии, установленных на боковой раме (Методика акустико-эмиссионного контроля (диагностирования) боковых рам и надрессорных балок тележки модели 18-100. / Утв. ЦВ ОАО «РЖД» №682-2005 ПКБ ЦВ. - М.: 20 апреля 2005. - 70 с.). Однако, данный подход требует использования специальных нагружающих стендов и осуществления разборки тележек. Такой подход используют не только для испытаний боковых рам, но и других деталей тележки грузового вагона. Так в патенте UA 22179 от 25.04.2007 Способ контроля боковых рам тележек грузовых вагонов с помощью акустической эмиссионной дефектоскопии описан способ диагностики боковых рам, также требующий использования специальных нагружающих стендов и разборки тележки. В патенте RU 2296320 от 07.09.2005 Акустико-эмиссионный способ диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава и устройство для его осуществления, описан способ диагностики колесных пар с помощью метода акустической эмиссии, требующий также использования нагружающих стендов и операций по разборке тележки. На основе такого рода испытаний возможна оценка остаточного ресура деталей тележки.
В указанных способах испытаний могут использоваться различные варианты механического нагружения боковых рам, места установки датчиков акустической эмиссии, оборудования для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии, программных алгоритмов обработки сигналов акустической эмиссии и критериев выявления дефектов, при этом часто используются интегральные критерии оценки состояния боковых рам.
Так в работе Муравьев В.В. «Диагностирование литых деталей тележек грузовых вагонов». - В мире НК. - Декабрь 2006 г. - №4 (34). - С. 78-80, механическое нагружение боковой рамы с установленными датчиками акустической эмиссии проводилось в два этапа: сначала нагружение внешнего угла буксового проема горизонтальной силой, затем вертикальный трехточечный изгиб. Акустическую эмиссию регистрировали с помощью АЭ-системы СЦАД 16.03. Анализ информации о состоянии детали проводился по следующим параметрам акустической эмиссии: количество источников, суммарный счет импульсов от каждого источника, энергия излучения единичным источником, частотные и временные характеристики сигнала, среднеквадратичное отклонение амплитуды сигнала и др. Если параметры АЭ превышали допустимые значения, деталь выбраковывалась, как имеющая критический дефект. После проведения испытаний результаты подтверждались одним из традиционных методов неразрушающего контроля.
В работе С.А. Грассман и др. «Акустико-эмиссионный контроль боковой рамы тележки грузового вагона», Железнодорожный транспорт, 12-2011, с. 45-47., боковую раму нагружали двумя типами нагрузки (горизонтальной, распирающий буксовый проем и вертикальной, прикладываемой к опорным поверхностям буксовых и рессорного проемов), при этом с помощью зонной локации локализовали источник АЭ и для локализованного источника группы сигналов АЭ, рассчитывали интегральный коэффициент опасности, включающий основные параметры сигналов акустической эмиссии (амплитуда сигнала, частота сигнала с максимальной спектральной плотностью и др.).
Однако, в таких технологических испытаниях боковых рам, схема нагружения не в полной мере соответствует напряженно-деформированному состоянию рамы при ее реальной эксплуатации. Разница условий стационарных испытаний и условий реальной эксплуатации боковых рам и надрессорных балок может приводить к консервативным оценкам их состояния, если оценки проводятся только на основании лабораторного тестирования (Попов О.Н. Оценка адекватности характеристик напряженно-деформированного состояния стендовой и эксплуатационной форм нагружения боковой рамы тележки грузового вагона. Наука и техника транспорта, №1, 2007, с. 14-18). Кроме того, для проведения такой диагностики требуется разборка тележек и проведение механического нагружения боковых рам на стендах в принципе, что увеличивает сроки диагностики, повышает трудоемкость и влечет дополнительные затраты.
Кроме вышеуказанных, существует метод диагностики деталей тележек вагонов при движении (RU 2437091 от 28.09.2010 Способ оценки степени износа тележки железнодорожного вагона) включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в процессе движения тележки железнодорожного вагона, проведение оцифровки акустических сигналов анализ спектра акустических сигналов, их обработку. Однако, данный способ направлен не на диагностику развития дефектов (трещин) в ответственных изделиях тележки (боковые рамы и надрессорная балка) при движении, приводящих к разрушению, а на решение другой задачи - общую оценку степени износа преимущественно всей тележки по ряду интегральных характеристик АЭ зарегистрированных со всей тележки. В частности, решение предполагает установку датчиков АЭ на корпусе колесной буксы и предусматривает проведение специальных испытаний при движении вагонов, в частности на различных железнодорожных путях и при различных условиях (например, при движении поезда с разной скоростью, при торможении и разгоне и др.).
Также существует способ диагностики деталей тележки (RU 2535246 от 30.08.2013 Способ диагностики наличия трещин в ходовых частях тележки подвижного состава), направленный на обнаружение трещин в деталях тележки грузового вагона при движении поезда, но он предусматривает установку датчиков акустической эмиссии не на самой тележке, а на железнодорожных рельсах. Согласно патенту «осуществляют прием, регистрацию и обработку сигналов от преобразователей акустической эмиссии в процессе движения подвижного состава, который прогоняют по железнодорожному пути, при этом на заданном участке железнодорожного пути создают искусственные неровности в вертикальной плоскости, на которые устанавливают преобразователи акустической эмиссии, по параметрам сигналов с которых судят о наличии трещин в ходовых частях тележки подвижного состава».
В качестве преимущества такого решения описывается возможность диагностики наличия трещин в ходовых частях тележки подвижного состава без необходимости установки диагностического оборудования на тележку вагона подвижного состава. Однако, такую систему очень сложно реализовать технически, в том числе обеспечить высокую точность диагностики разрушения деталей колесной тележки. Это связано, в первую очередь с тем, что акустический сигнал от разрушения элементов тележки должен пройти достаточно длинный путь через колесо и перейти в железнодорожный рельс. Такой подход делает трудным установление конкретной детали, в которой образовалась трещина, а также повышает влияние шума на диагностирование акустического сигнала (дополнительный шум от соприкосновения колеса и рельса).
В связи с этим, наиболее близкими к заявляемому техническими решениями являются решения, упомянутые выше, направленные на обнаружение с помощью акустической эмиссии дефектов (трещин) в деталях тележки при механическом нагружении в стационарных (лабораторных) условиях на стендах. Так в качестве прототипа выбрано решение, описанное в работе Л.Н. Степанова, С.А. Грассман, С.И. Кабанов, А.Л. Бобров, С.А. Бехер, А.А. Больчанов. Акустико-эмиссионный контроль боковых рам коробчатого сечения. Дефектоскопия, №3, год 2011, с. 10-16. Согласно данной работе, при испытаниях к боковой раме прикладывается вертикальная нагрузка к опорным поверхностям буксовых проемов с реакцией в рессорном проеме, имитирующая нагрузку от кузова груженого вагона, и горизонтальная нагрузка к боковым поверхностям буксовых проемов имитирующая тормозные усилия и дополнительно нагружающая внешний угол буксового проема R55. Для регистрации акустической эмиссии использовались 12 датчиков, устанавливаемых на боковую раму. Локализацию источников сигналов осуществляли с использованием наложения локационной сетки на компьютерную модель рамы. Сигналы из зоны вероятного разрушения анализировали на принадлежность одному источнику используя их спектральные характеристики, амплитуду, форму, корреляционную связь между сигналами. Также регистрировали зависимость суммарного счета сигналов АЭ от времени на этапе равномерного увеличения нагрузки. Однако указанный способ требует проведения отдельных специальных стендовых испытаний с механическим нагружением деталей, которое может не в полной мере соответствовать реальному нагружению деталей при эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение является повышение эффективности контроля состояния деталей подвижного состава для повышения безопасности движения грузовых поездов за счет обеспечения возможности диагностики наличия внутренних дефектов в деталях непосредственно при движении грузового состава в режиме реального времени, исключая специальные стендовые испытания.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение длительности и трудоемкости диагностики ответстветственных деталей тележки грузового вагона путем замены специальных стендовых испытаний на испытания при движении поезда, а также повышение достоверности результатов за счет использования реальных эксплуатационных нагрузок.
Технический результат достигается следующим образом.
Акустико-эмиссионную диагностику ответственных литых деталей тележек грузовых вагонов проводят путем установки акустической антенны, состоящей из датчиков акустической эмиссии на деталях, механического нагружения деталей, регистрации сигналов акустической эмиссии и их передачи в многоканальную цифровую систему регистрации, анализа сигналов и определения наличия опасных дефектов в деталях по сигналам акустической эмиссии. При этом, диагностику деталей проводят непосредственно при движении грузового состава в режиме реального времени, датчики устанавливают на детали перед началом движения, цифровую систему регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии располагают в вагоне или локомотиве, акустическую эмиссию в деталях регистрируют перед движением грузового состава, при движении и после движения грузового состава под нагрузкой вагонов, в процессе регистрации сигналов акустической эмиссии проводят их обработку, включающую программную фильтрацию, сравнение акустограмм по спектральным характеристикам с эталонными акустограммами для боковых рам с дефектами и без них и (или) выделение пиковых амплитуд сигналов, соответствующих распространению трещин.
В составе системы цифровой регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии дополнительно может использоваться промежуточный измерительный модуль для предварительного анализа сигналов акустической эмиссии и уменьшения количества линий связи, располагаемый на тележке грузового вагона.
В качестве диагностируемых ответственных деталей тележек грузовых вагонов могут быть использованы боковые рамы или надрессорные балки. При осуществлении диагностики устанавливают не менее двух датчиков на деталь. Эталонными акустограммами являются акустограммы, полученные от бездефектных деталей или от деталей с дефектами. Количество одновременно диагностируемых деталей в одном подвижном составе может быть более одной. Сигналы акустической эмиссии от датчиков акустической эмиссии передаются в систему регистрации и анализа по проводному или беспроводному каналам.
Таким образом, предлагаемый способ диагностики состояния боковых рам и надрессорных балок основан не на испытаниях в стационарных условиях вагоноремонтных депо, а непосредственно при движении - эксплуатации вагона, при помощи акустико-эмиссионной системы. При этом, в качестве механического нагружения используется «естественный ресурс», а именно эксплуатационное нагружение непосредственно при движении вагонов. Такие акустико-эмиссионные системы могут устанавливаться на боковые рамы и надрессорные балки тех железнодорожных вагонов, которые направляются на плановый или аварийный ремонт. В процессе движения при перегоне вагонов, направляемых на ремонт, измерение акустической эмиссии позволяет оценить состояние боковых рам и надрессорных балок с точки зрения опасности сформировавшихся и развивающихся в них эксплуатационных дефектов и запаса вязкости материала и детали в целом. Это позволит существенно повысить эффективность контроля состояния ответственных деталей.
Указанный способ реализуется следующим образом.
Диагностику деталей тележки грузового вагона (боковых рам или надрессорных балок) проводят непосредственно при движении грузового состава в режиме реального времени, при этом датчики акустической эмиссии устанавливают на детали перед началом движения, многоканальную цифровую систему регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии располагают в вагоне или локомотиве, акустическую эмиссию в деталях регистрируют перед движением грузового состава, при движении и после движения грузового состава под нагрузкой вагонов, в процессе регистрации сигналов акустической эмиссии проводят их обработку, включающую программную фильтрацию, сравнение акустограмм по спектральным характеристикам с эталонными и (или) выделение пиковых амплитуд сигналов, соответствующих распространению трещин на основе чего определяют наличие опасных дефектов в деталях. Эталонными акустограммами являются акустограммы, полученные от бездефектных деталей и (или) от деталей с дефектами. При осуществлении диагностики устанавливают не менее двух датчиков на деталь, но желательно от 4 до 16, при этом количество одновременно диагностируемых деталей в одном подвижном составе может быть более одной, но желательно от 4 до 32.
В состав системы цифровой регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии, выполненной по модульному принципу входят: шасси с шинами соединениями, контроллер, представляющий собой комплекс устройств, выполняющий функции персонального компьютера и включающий процессор, оперативную память, жесткие диск и др. компоненты, специальный модуль хранения данных (с повышенной скоростью записи и независимостью от контроллера), модули АЦП для аналого-цифрового преобразования сигналов. Дополнительно, в составе системы цифровой регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии может использоваться промежуточный измерительный модуль для предварительного анализа сигналов акустической эмиссии и уменьшения количества проводов, располагаемый на тележке грузового вагона, включающий набор четырехканальных АЦП, микропроцессор и ПЛИС. Сигналы акустической эмиссии от датчиков акустической эмиссии могут передаваться в систему регистрации и анализа по проводному или беспроводному каналам. Система регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии может иметь до 64 каналов, а при необходимости и более. Для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии может быть использовано программное обеспечение, созданное в среде графического программирования LabVIEW.
Пример реализации способа.
Для диагностики боковых рам тележек грузовых вагонов датчики акустической эмиссии типа GT302 устанавливали на боковые рамы перед началом движения, при этом на каждую из четырех боковых рам вагона устанавливали по 8 датчиков на верхнем поясе через одинаковые расстояния таким образом, чтобы над каждым буксовым проемом было не менее двух датчиков. Для установки датчиков использовали магнитные крепления. Для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии использовали многоканальную цифровую систему на базе решения National Instruments, состоящую из шасси PXIe-1082DC, контроллера управления данными PXIe-8880, модуля хранения данных HDD-8261, измерительных 8-канальных модулей АЦП NI PXIe-5105. Многоканальную цифровую систему располагали в кабине локомотива, датчики акустической эмиссии соединяли с АЦП NI PXIe-5105 с помощью кабелей типа BNC кабели крепили друг к другу с помощью стяжек. Программное обеспечение было создано в среде графического программирования LabVIEW.
Акустическую эмиссию от боковых рам регистрировали перед движением грузового состава, при движении и после движения грузового состава под естественной нагрузкой вагонов. При этом, перед и после движения поезда по боковым рамам наносили механические удары металлическим предметом (ударником) и регистрировали акустическую эмиссию, возникающую от таких ударов.
При движении поезда непрерывно в режиме реального времени регистрировали акустическую эмиссию от четырех боковых рам в течение 1 часа под естественной нагрузкой вагонов. В процессе регистрации сигналов акустической эмиссии проводили их обработку, включающую программную фильтрацию, сравнение акустограмм по спектральным характеристикам с эталонными и выделение пиковых амплитуд сигналов для диагностики развития опасных дефектов (трещин) в динамике, на основе чего определяли наличие опасных дефектов в деталях. После остановки поезда проводили дополнительную постобработку записанных сигналов акустической эмиссии. Таким образом для диагностики состояния боковых рам использовали комбинацию двух подходов: на основе выделения на фоне шумов пиковых амплитуд сигналов и анализа спектральных характеристик сигналов при действии механических нагрузок.
При анализе сигналов по пиковым амплитудам, зарегистрированным в процессе движения поезда, за сигналы, АЭ соответствующие развитию трещин принимали сигналы, значительно превышающие уровень шума (в 5-10 раз). При этом данные сигналы фиксировались всеми датчиками акустической антенны и имели различную амплитуду, по величине которой, можно было судить о локализации дефекта относительно места расположения датчиков. Сигналы, соответствующие развитию трещины, отфильтровывали от других сигналов большой амплитуды (например, сигналы от биения колес о стыки рельсов) по спектральным характеристикам и временным особенностям их появления (сигналы от биения о стыки рельсов возникают с определенной периодичностью). Сигналы АЭ от биения колес о рельсы дополнительно анализировали по спектральным характеристикам и сравнивали с аналогичными сигналами от «эталонной» боковой рамы, не имеющей дефектов.
Сигналы АЭ, записанные от нанесения ударов по боковой раме до и после движения поезда анализировали следующим образом. От механического удара по боковой раме в зоне радиуса буксового проема регистрировали АЭ всеми датчиками акустической антенны. Наличие дефекта определяли по анализу спектральных характеристик АЭ на основе анализа величины пиковой амплитуды сигнала от механического удара и анализа частотных характеристик шумов. Определяли разницу в пиковой амплитуде между ближайшим датчиком к месту механического удара и наиболее отдаленным датчиком и сравнивали это значение со значением для «эталонной» боковой рамы, не имеющей дефектов. Определяли, изменяется ли значение разницы пиковой амплитуды до и после проведения поездных испытаний. Также определяли изменение частотных характеристик шумов от механического удара (в случае наличия дефекта частотные характеристики шумов возрастают).
О наличии дефекта в раме судили в случае одновременного выявления сигналов большой пиковой амплитуды при движении поезда и выявления изменений в спектральных характеристиках сигналов АЭ при механическом ударе по боковой раме до, во время и после движения поезда (при неподвижном вагоне).