УДК 620.179.17
КОНТРОЛЬ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ ЛОКОМОТИВА МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Л.Н. Степанова, Е.С. Тенитилов, СЛ. Бехер
Приводятся результаты контроля методом акустической эмиссии (АЭ) колец подшипников (КП) буксового узла локомотива. Малый размер зоны локализации КП приводит к значительному разбросу координат дефектов даже при минимальных ошибках времени прихода сигналов АЭ на датчики пьезоантенны. Для отработки методики контроля была определена максимальная испытательная нагрузка, необходимая для инициализации сигналов АЭ. Измерение деформаций в КП осуществлялось тензометрической системой, связанной с АЭ-системой. При регистрации АЭ-сигналов проводилось измерение механического напряжения, что позволило отбраковывать паразитные сигналы и повысить точность локализации.
Ключевые слова: кольцо подшипника, акустическая эмиссия, тензометрия, усталостная трещина, локализация, суммарный счет, дефект.
Подшипниковые узлы, устанавливаемые на осях и валах подвижного состава, являются важнейшими конструктивными элементами, от состояния которых в значительной степени зависит безопасность движения. Основными причинами их выхода из строя являются нарушение режимов работы, загрязненность смазки, наличие в кольцах трещин, сколов, раковин и выкрашиваний на дорожках качения [1—4].
Контроль внутренних и внешних колец подшипников (КП) подвижного состава в основном осуществляется магнитопорошковым методом, который несмотря на простоту и высокую чувствительность к поверхностным трещинам имеет ряд недостатков. Данный метод сложно автоматизировать, результаты контроля зависят от квалификации дефектоскопи-ста. Развивающиеся трещины в КП обладают различными размерами и координатами, что требует комбинированного намагничивания кольца в определенных направлениях и приводит к пропуску дефекта, неблагоприятно ориентированного по отношению к направлению намагничивания [1].
В процессе акустико-эмиссионной (АЭ) диагностики материал исследуемого объекта деформируется. При этом разнообразные дефекты выступают как концентраторы напряжений и излучают дискретные акустические волны локальной упругой разгрузки материала. Однако известно, что при АЭ-контроле более 90 % зарегистрированных сигналов относятся к акустическим помехам, поэтому метод АЭ требует тщательной методической проработки.
Цель работы — создание методики АЭ-контроля колец подшипников локомотива.
Выбор и реализация режима нагружения при АЭ-контроле является важной методической задачей. Поэтому для отработки методики контроля в кольце наряду с методом АЭ использовалась тензометрия. Это позволило определить величину максимальной испытательной нагрузки, достаточной для инициализации сигналов АЭ от дефектов.
Людмила Николаевна Степановна, доктор техн. наук, профессор, заведующая кафедрой "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщения. Тел. (8-383) 328-05-59. E-mail: stepanova@stu.ru
Евгений Сергеевич Тенитилов, ведущий инженер кафедры "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщения. Тел. (8-383) 328-05-11.
Сергей Алексеевич Бехер, канд. техн. наук, доцент кафедры "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщения. Тел. (8-383) 328-05-11.
4 Дефектоскопия, < 9, 2009
В стенде для нагружения КП, описанном в [1], преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) располагались на внешней поверхности кольца. Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния кольца методом конечных элементов показал, что при проведении АЭ-контроля надежное выявление трещин любой ориентации и местоположения достигается при его нагружении не менее трех раз и повороте на угол 60° [1]. Однако расположение ПАЭ на внешней поверхности кольца затрудняет выполнение поворота, поэтому был разработан стенд (рис. 1), в котором три ПАЭ располагались через 120° внутри кольца, что позволяло при нагружении поворачивать его на любой угол.
От маслонасосной ;—! 1
А-Е
Тензодатчик
Преобразователь акустической эмиссии
ТГ
Тензосистема ММТС-64.01
шв
ф
□□□□□□□л
Компьютер тензосистемы ММТС-64.01
......О
Кольцо Тензодатчик 1 АЭ система СЦАД-16.03
подшипника Усилитель
Рис. 1. Внешний вид стенда для контроля колец подшипника.
Аппаратная часть стенда состояла из диагностической АЭ-системы СЦАД-16.03 (сертификат RU.C28.007A № 19913/2, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под № 18892-05) и микропроцессорной тензометрической системы ММТС-64.01 (сертификат RU.C.28.007.A № 10749, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под № 21760-01). Обмен информацией осуществлялся между компьютерами систем СЦАД-16.03 и ММТС-64.01.
Тензометрическая система ММТС-64.01 осуществляла измерение деформаций и напряжений в кольце, а также определяла величину силы сжимающего воздействия на него. При испытаниях использовались проволочные тензодатчики типа ПКС5-120 (сертификат RU.C28.007. А № 30935, зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под № 37343-08) с базой 5 мм и номинальным сопротивлением 120 Ом. Градуировка тензодатчиков проводилась динамометром ДС-5. Перед градуировкой динамометр ДС-5 тарировался на универсальной разрывной машине ЦДМ-100. Результаты измерений деформаций по локальной сети передавались в АЭ-систему СЦАД-16.03. Тензодатчики, наклеенные на шток и стойку, подключались к параметрическому каналу АЭ-системы. За счет использования информации параметрического канала осуществлялась привязка времени прихода сигналов АЭ к моменту нагружения. При регистрации АЭ-сигналов в
файле "заголовок" записывалось текущее значение механического напряжения выбранного канала тензометрии. Эта информация позволяла отбраковывать паразитные АЭ-сигналы и повышать точность локализации.
При испытании использовались свободные кольца подшипника 30-42726 Е2М буксового узла локомотива, а также внешние кольца с двумя буртами (¿нар = 250 мм), внутренние кольца с буртом (^внутр = 130 мм), внутренние кольца без буртов (¿внутр = 130 мм).
На рис. 2 показана модель внешнего КП, построенного при использовании программы, реализующей прочностный расчет методом конечных элементов. Здесь же изображена зона приложения нагрузки к кольцу. Среднее время приложения нагрузки составляло 30 с.
Рис. 2. Зона приложения нагрузки к внешнему кольцу.
При воздействии суммарной испытательной нагрузки, равной 10 кН, было определено наличие растягивающих напряжений в зоне кольца, ограниченного сегментом с угловыми координатами а = ± 41,9°. Максимум растягивающих напряжений составлял 135 МПа в секторе а = ± 4°. Сжимающие напряжения увеличивались при приближении угла а к 90°. Максимум сжимающего напряжения составил 93,3 МПа. На наружной поверхности внешнего кольца растягивающие напряжения распределялись в диапазоне Да = 42°—138°. Максимум напряжений составил 55,6 МПа (рис. 3).
В процессе испытаний проводилось сравнение полученных результатов по суммарному счету сигналов АЭ (рис. 4), зарегистрированных при внутреннем расположении ПАЭ на КП. Анализ экспериментальных результатов на рис. 4 показывает, что при внутреннем расположении ПАЭ
удается достичь резкого увеличения суммарного счета при нагрузке 65,5 кН (линия АВ).
В настоящее время известны работы, в которых приводятся результаты АЭ-контроля КП, в которых в качестве основных информативных
параметров используются амплитудные распределения, энергия, суммарный счет, что весьма ограничивает возможности данного метода [1— 4]. Проведение АЭ-диагностики КП с определением координат дефекта повышает достоверность контроля. Однако решение этой задачи связано с рядом сложностей. Известно, что определение координат дефектов производится по разности времен прихода (РВП) сигнала АЭ на датчики пьезоантенны. Зона распространения у.з. сигнала в КП буксового узла составляет не более 10 мкс, а поскольку погрешность измерения РВП в современных АЭ-системах составляет порядка 1 мкс, погрешность локализации в кольце большая.
400 - А
т е ч
« 300 - 1
ы н марн
^200 -
су 1
100 I
В 1 1
0 20 40 кН 60 80
Рис. 4. Суммарный счет сигналов АЭ, зарегистрированный при внутреннем расположении ПАЭ на кольце.
Для отработки методики локализации сигналов АЭ были отобраны КП с вмятинами и выкрашиванием металла поверхностного слоя на дорожке качения вблизи бурта. Прямоугольная пьезоантенна размером 228,3 х 34 мм, состоящая из трех ПАЭ, размещалась на дорожке качения
(рис. 5). Механическое нагружение кольца осуществлялось сжимающей нагрузкой до 40,6 кН.
Проанализируем погрешности, возникающие в процессе расчета координат дефектов в КП при его прочностных испытаниях. За время прихода сигнала АЭ на ПАЭ принимается время срабатывания компаратора диагностической АЭ-системы. Для каждого акта АЭ может быть вычислена область локализации с учетом погрешности определения времен прихода сигналов АЭ на датчики пьезоантенны АТ1 и АТ2 и погрешности измерения скорости звука АС. Вклад погрешности измерения скорости звука АС в погрешность локализации дефекта (Ах; Ау) записывается в виде [5]:
А х (А с) - а с = -2с А с (А2 + ТСАЪ) - с2 А с 4;
А у (А с )-|У А с = -2сА с (В2 + ТСБЪ) - с2 А с д-Ц,
где х, у — неизвестные координаты источника сигналов АЭ; с — скорость звука; Тс — неизвестное время распространения сигнала до момента регистрации ближайшим датчиком.
ПАЭ1
ПАЭ0
ПАЭ2
ПАЭ3
Рис. 5. Расположение дефекта на поверхности дорожки качения кольца подшипника типа 30-42726 Е2М (а); схема расположения ПАЭ на внутренней поверхности
кольца (•).
Коэффициенты А, В1 вычисляются так:
А -А -Т—; А -Т-;
А1 - ~ ; А2 - ~ ; А3 - ;
2 2 х1 х1
п _ У2 , Х2 Х1Х2 . п _ Т2 Х2Т1 . п _ Т2 Т1Х2 В1 _--I----, В2 _---, В3 _---,
2 2 У 2 2 У 2 2 У 2 2 У 2 Х1 У 2 Х1У 2
где Х, yi — координаты ПАЭ; Т1, Т2 — разности времен прихода с первым принявшим сигнал АЭ датчиком пьезоантенны двух других датчиков;
дТс
частная производная находится дифференцированием решения сис-
дс
темы триангуляционных уравнений для определения
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.