УДК 620.179.16
АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ БОКОВЫХ РАМ КОРОБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ
Л.Н. Степанова, С.А. Грассман, С.И. Кабанов, А.Л. Бобров, C.Ä. Бехер, A.A. Болъчанов
Конструктивные изменения в боковой раме коробчатого сечения 18-578 потребовали разработки новой схемы расстановки преобразователей акустической эмиссии, доработки методики и программного обеспечения. При этом все обнаруженные в процессе акустико-эмиссионного контроля источники разделялись по степени опасности на пассивные и критически активные. На исследуемые зоны контроля накладывались локационные сетки, задающие уровни браковки. В доработанной методике использовалась линейная локация, позволившая при уменьшении трудоемкости выполняемого АЭ контроля сохранить достоверность результатов исследований.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, боковая рама, коробчатое сечение, акустическая эмиссия, стенд, преобразователь акустической эмиссии, дефект.
К основным характеристикам прочности и ресурса железнодорожных конструкций относятся запасы прочности, накопленные длительные или циклические повреждения, остаточный ресурс. Ресурс длительно работающих и упруго-деформированных объектов определяется процессом образования микротрещин. Это требует создания современных быстродействующих и надежных методов диагностики предразрушающего состояния и выявления самых ранних стадий разрушения материалов при различных внешних воздействиях [1].
Особенностью акустического вида неразрушающего контроля (НК) литых деталей объектов железнодорожного транспорта (боковых рам, надрессорных балок, автосцепок и т. д.) является сильное затухание ультразвуковой (у. з.) волны, вызванное повышенной пористостью и крупнозернистостью структуры материала. Накопление усталостных повреждений при работе объектов контроля (ОК) в жестких условиях эксплуатации происходит на микроуровне, недоступном для многих традиционных методов НК, таких как магнитный, вихретоко-вый, у. з. [2].
В настоящее время в вагоноремонтных депо ОАО "РЖД" для продления срока службы боковых рам и надрессорных балок грузовых вагонов используют акустико-эмиссионные (АЭ) установки. Метод АЭ основан на регистрации упругих волн, излучаемых дефектами в процессе нагру-жения конструкции. Эти волны регистрируются преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ), установленными на объекте контроля. При
Людмила Николаевна Степанова, доктор техн. наук, профессор, заведующая кафедрой "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС). Тел. (8-383) 328-05-59.
Сергей Андреевич Грассман, главный инженер Западно-Сибирской дирекции по ремонту грузовых вагонов. Тел. (8-383) 229-57-00.
Сергей Иванович Кабанов, канд. техн. наук, ведущий инженер сектора по разработке акустико-эмиссионной и термометрической аппаратуры ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина".
Алексей Леонидович Бобров, канд. техн. наук, доцент кафедры "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС).
Сергей Алексеевич Бехер, канд. техн. наук, доцент кафедры "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС).
Анатолий Анатольевич Больчанов, инженер Западно-Сибирской дирекции по ремонту грузовых вагонов. Тел. (8-383) 229-43-52.
данном методе энергия выделяется из материала конструкции, а не вводится в нее, как при у. з. контроле, что позволяет повысить его чувствительность. Одним из главных и привлекательных преимуществ метода АЭ является возможность автоматизации измерений, локализации дефектов в режиме реального времени и определение степени их опасности [3, 4].
Вместе с тем метод АЭ имеет ряд существенных недостатков, среди которых высокая чувствительность к механическим и электрическим шумам. При АЭ контроле около 90 % зарегистрированных сигналов относятся к акустическим помехам, поэтому данный метод требует тщательной методической проработки и проведения значительного объема предварительных испытаний. В свою очередь разрабатываемая методика существенно зависит от характеристик используемой диагностической аппаратуры [1, 2].
В связи с переходом ОАО "РЖД" на новую конструкцию боковых рам коробчатого сечения 18-578 тележки грузового вагона появилась необходимость в адаптации методики и программного обеспечения существующих в депо АЭ комплексов. Боковые рамы грузового вагона, изготавливаемые из низкоуглеродистой стали литьем, представляют собой конструкции переменной толщины с множеством ребер жесткости и технологических отверстий неправильной формы [1]. Проблема надежного определения технического состояния боковых рам требует немедленного решения, так как часть из них имеет скрытые дефекты и разрушается в процессе эксплуатации.
Рис. 1. Внешний вид стенда для нагружения боковой рамы тележки грузового вагона
при АЭ контроле.
На рис. 1 приведен внешний вид стенда с боковой рамой и установленными ПАЭ. При АЭ испытаниях в стенде создаются нагрузки Р < 1,25 Рраб, где Рраб — рабочая нагрузка, соответствующая реальным условиям эксплуатации. К боковой раме прикладывается вертикальная нагрузка
Рв = 500 кН к опорным поверхностям буксовых проемов с реакцией в рессорном проеме. При этом имитируется нагрузка от кузова груженого вагона. Горизонтальная нагрузка, равная Рг = 120 кН, прикладывается к боковым поверхностям буксовых проемов. Она имитирует тормозные усилия и при этом дополнительно нагружает внешний угол буксового проема R 55.
Анализ разрушений боковых рам 18-578, произошедших по внутренним углам буксовых проемов, показывает, что характерная усталостная область развития трещин составляет (5—60) % поверхности излома. Особенностью некоторых изломов являлась небольшая зона усталостного развития.
2
V 2
Рис. 2. Фотография излома боковой рамы коробчатого сечения № 35797:
1 — зона усталостного роста трещины; 2 — литейные дефекты.
На рис. 2 показана фотография излома боковой рамы № 35797, где 1 — зона усталостного роста трещины; 2 — литейные дефекты. Это отличает данные разрушения от аналогичных, произошедших до 2004 года, когда использовались боковые рамы тележки 18-100. Кроме того, в рамах 18-578 на каждом исследованном изломе помимо усталостной зоны и зоны долома присутствуют литейные дефекты, такие как раковины, поры, утяжины и другие, поэтому для их новой конструкции с учетом возросшей скорости развития усталостных дефектов потребовалась разработка методики АЭ контроля, которая позволила бы определять в режиме реального времени их координаты и степень опасности.
Цель работы — разработка методики АЭ контроля боковых рам коробчатого сечения тележки грузового вагона. При создании методики
АЭ контроля боковых рам 18-578 решалась задача, связанная с выделением полезных сигналов на фоне значительного уровня шумов. Основными источниками шума являются места приложения нагрузок и опоры. Поскольку на поверхности литых деталей много неровностей, отслоений, окалины и других источников, не связанных с развитием усталостных дефектов, активность сигналов АЭ в точках приложения нагрузок высокая. Обработка результатов контроля позволяет по картине локализации оперативно выявлять развивающиеся дефекты (поры, усталостные трещины и т. д.) [3, 4].
а
Внутренний угол буксового проема
40±10
290±30
160±30
150±40
40±20
3
1
О ©
5(6) 9(10)
4(7) * 8(11)
70±20
2 5(4)
14
80±30
50±20
10(11) 15
13 9
14
9(8) 12
40±10
290±3
0
200±30
150±4
7
13
80±30
0 3 4 п п п/ 5 15 14 1 ш — п
17
12
4
2
Рис. 3. Схема расстановки ПАЭ на боковой раме тележки 18-100 (а) и тележки 18-578 (•).
Конструктивные особенности боковой рамы 18-578 потребовали изменения схемы расстановки датчиков, а для осуществления АЭ контроля сначала проводили исследования их акустических свойств.
На рис. 3а, б показаны схемы расстановки ПАЭ на боковых рамах для тележек 18-100 (а) и 18-578 (•). Опыт эксплуатации стенда показал,
что для рамы 18-578 число ПАЭ в зоне рессорного проема можно уменьшить с 8 до 4 штук, но с некоторой допустимой для практических испытаний потерей точности локализации сигналов АЭ. По результатам ее калибровки был модифицирован файл описания ОК, изменены численные значения координат ПАЭ в зонах локализации, а также уровни браковки в наиболее опасных местах — внутренних углах буксовых проемов. При такой доработке число устанавливаемых ПАЭ на боковую раму 18-578 сократилось с 16 до 12 штук.
Рис. 4. Локализация сигналов АЭ с выдачей результатов диагноза боковой рамы коробчатого сечения и локационная сетка при вертикальном нагружении.
Разработанная расчетная модель боковой рамы представляет собой совокупность зон контроля, образованных группами из двух и трех ПАЭ. На зоны контроля накладывали локационные сетки (рис. 4), задающие поля уровней браковки. Размер ячеек локационной сетки зависит от скорости распространения акустического сигнала, сложности ОК и необходимой точности локализации. Сигналы из зоны вероятного разрушения анализировали на принадлежность к одному источнику, для чего использовали их спектральные характеристики, амплитуду, форму, корреляционную связь между сигналами [4]. На рис. 4 приведено окно локализации для боковой рамы 18-578. В районе рессорного проема организованы четыре зоны из ПАЭ (4—5; 5—6; 6—7; 4—7), в которых осуществляется линейная локализация, а в остальных двенадцати зонах — плоскостная локализация.
С точки зрения практического применения метода АЭ в вагоноремонтных депо все источники сигналов АЭ разделяли на два класса по степени опасности — пассивные и критически активные. Характерный критически активный источник сигналов АЭ был обнаружен в боковой раме № 10973. Источник идентифицирован визуально с литейной трещиной на внутренней поверхности внутреннего угла буксового проема. Зависимости числа зарегистрированных сигналов АЭ от времени (кривая 1) и локализованные сигналы 2 приведены на рис. 5.
На рис. 6а показана локализация сигналов АЭ, полученная при калибровке с использованием имитатора Су-Нильсена (излом грифеля карандаша) в четырех точках внутреннего угла буксового проема. На
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.