Акустические методы
УДК 620.179.16
МЕТОДИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ дисков ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕС ВАГОНОВ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОЛНАМИ
Г.Я. Дымкин, A.B. Шевелев
Исследован способ контроля дисков железнодорожных колес поверхностными волнами. Обоснована модель акустического тракта, получены в энергетическом приближении и экспериментально подтверждены аналитические выражения для расчета амплитуд регистрируемых эхосигналов. По результатам измерений на реальных объектах выбраны значения основных параметров контроля.
В сложных условиях эксплуатации колесные пары железнодорожного подвижного состава испытывают большие статические и динамические нагрузки, которые приводят к образованию различных дефектов, в том числе усталостных трещин в дисках, которые являются сильными концентраторами напряжений и, развиваясь, приводят к разрушению колес и крушениям. В связи с этим большое значение имеет своевременное обнаружение методами неразрушающего контроля и изъятие из эксплуатации колес с такими дефектами.
В 1993 г. в НИИ мостов было предложено выполнять контроль дисков цельнокатаных колес эхометодом с применением рэлеевских волн, возбуждаемых на внутренней поверхности диска и распространяющихся по радиусу в направлении обода. Разработка соответствующей методики требует:
исследования схемы прозвучивания и обоснования физической природы регистрируемых сигналов, то есть модели акустического тракта;
анализа акустического тракта с целью установления факторов и закономерностей их влияния на эхосигналы от дефектов и конструктивных отражателей.
выбора значений и методов настройки основных параметров контроля.
В настоящей статье представлены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие решить поставленные задачи.
При реализации исследуемой схемы прозвучивания и отсутствии дефекта регистрируются два сигнала (рис. 1). Для идентификации отражателей, вызвавших эти сигналы (С/,, U2), измеряли время их прихода (г,, t2). Измерения выполнены на образце в виде сектора, изготовленного из колеса со средним износом обода. Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) устанавливали на различных расстояниях от внутренней грани обода не менее чем пятикратно в каждой точке.
Экспериментальные данные представлены на рис. 2. В процессе измерений установлено также, что сигнал £/, демпфируется при пальпировании на участке диска от передней грани ПЭП до угла, образованного внутренней гранью обода и галтельным переходом диска колеса в обод, а сигнал U2 — только на участке от передней грани ПЭП до точки перехода плоской поверхности диска в цилиндрическую.
Изложенное позволяет предположить, что сигнал U] обусловлен распространением поверхностной волны по диску, галтельному переходу и далее по ободу до внутренней грани обода и обратно, а сигнал U2 — распространением рэлеевской волны по диску до галтельного перехода и обратно и объемной волны, переизлученной из рэлеевской на галтельном переходе отражения ее от поверхности катания колеса и обратного распространения.
Для проверки этого предположения выполнены расчеты г, и t2
= 2 (л'/Сд + х,/С/),
где х и .v, — показаны на рис. 1, а С^ С/ — скорости рэлеевской и квази-рэлеевской волн соответственно.
В работе [1] показано, что на вогнутой цилиндрической поверхности распространяется волна рэлеевского типа, локализованная в слое порядка 2ХК, групповая скорость которой равна С/ = Сл(1 - 8), где 8 — поправка, зависящая от радиуса цилиндрической поверхности.
Точка отражения сигнала И
Рис. 1. Схема прозвучивания диска колеса и эхосигналы, регистрируемые на бездефектном колесе.
Заимствуя из [1] выражения для поправки 8, после несложных преобразований получим:
и =
Со
х, -х
1 +
, ( г\~ Чч V Ун) ем 1 1 кК ( 82У 1 Я р к2 к2
1 Чя)
кнгг ^ \1 1-1 <!*){ \ Л ея) 1 (к, Л к2 к2 К1 \к/
I—2-2 1—2-2 2апЬ— 2апЬ —
Чк = ; ¡К = ^ к-К-к, ; еч= е к* ■ е$= е
где /-г — радиус вогнутой цилиндрической поверхности галтельного перехода; кК, к,, к, — волновые числа рэлеевской, продольной и поперечной волн соответственно.
Волны рэлеевского типа, распространяющиеся по вогнутой цилиндрической поверхности, переизлучают в объем поперечные и продольные волны, причем первые возбуждаются значительно эффективнее. Вследствие этого рассчитаем как
к = 2(х/СК + /гоб/С,),
где С, — скорость объемной поперечной волны; коб — толщина обода — путь, пройденный поперечной волной от точки срыва до поверхности катания.
г, мкс 160
150
140
130
120
110
100
90
150
160
170
180
190
•ДГд, ММ
200
Рис. 2. Зависимость времени прихода сигналов ?! (♦ —
эксперимент;--расчет) и Ь (• — эксперимент;
---расчет) от расстояния между передней гранью ПЭП
и двугранным углом между галтельным переходом диска и внутренней гранью обода.
Как видно из графиков, представленных на рис. 2, расчетные значения и ¡2 хорошо совпадают с результатами эксперимента.
Таким образом, при эхоимпульсном у. з. контроле дисков колес поверхностными волнами наблюдаются эхосигнал от дефекта (при его наличии) и сигналы от конструктивных отражателей: двугранного угла у внутренней боковой грани обода, а также поверхности катания колеса.
Информация о факторах, определяющих чувствительность в процессе контроля, может быть получена только путем анализа сигналов, прошедших акустический тракт и зарегистрированных приемником. Естественно, что в нашем случае необходимая информация содержится и в сигналах от конструктивных отражателей, на амплитуды которых могут оказывать влияние нестабильность установки ПЭП (изменение его ориентации и расстояния до отражателя), вариация формы отражающей поверхности конструктивного отражателя, состояние поверхности в зоне сканирования ПЭП и в контролируемой зоне.
Изменение ориентации и местоположения ПЭП в процессе сканирования можно практически устранить, используя специальные устройства сканирования, обеспечивающие фиксированное положение ПЭП относительно опорного отражателя и его радиальную ориентацию.
Износ обода в процессе эксплуатации не влияет на двугранный угол, но приводит к изменению ориентации поверхности катания относительно направления падения трансформированной поперечной волны. Поэтому точка отражения может "перемещаться" по поверхности обода в диапазоне 30—70 мм от внешней грани обода. Помимо этого износ колеса приводит к значительному (более чем троекратному) уменьшению расстояния, проходимого трансформированной поперечной волной.
Общее возможное относительное изменение амплитуды эхосигнала от поверхности катания, вызванное износом колеса, получено на основании экспериментально-теоретических оценок и представлено на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость амплитуды и, от изменения толщины
обода.
Проведенный предварительный анализ показывает, что для настройки чувствительности при у. з. контроле дисков цельнокатаных колес поверхностными волнами целесообразно использовать эхосигнал от двугранного угла, образованного зоной галтельного перехода и внутренней гранью обода. Дополнительно следует отметить, что поскольку амплитуда этого сигнала зависит не только от качества акустического контакта, но и от степени загрязненности поверхности изделия, влияние этого фактора нестабильности также будет существенно снижено.
Учитывая, что анализ акустического тракта выполняется для решения инженерной задачи, ограничимся энергетическим приближением. Расчетная схема акустического тракта и обозначения приведены на рис. 4.
х0
X
I
Рис. 4. К расчету акустического тракта.
Рассматривая двумерную задачу на поверхности, положим, что излучатель создает в дальней зоне цилиндрическую волну, отражающуюся от дефекта и от двугранного угла, перпендикулярных акустической оси. Эхосигналы регистрируются приемником, совмещенным с излучателем. Для эхосигнала от угла пренебрегаем незначительным изменением скорости при переходе волны с плоскости на галтель и запишем интенсив-
ность на расстоянии 2х0 (то есть для волны, падающей на приемник при отсутствии дефекта) в виде
4ш0
где а — размер излучателя; Ка — коэффициент осевой концентрации по интенсивности [2]; — коэффициент отражения от двугранного угла (по интенсивности).
Учитывая соотношение между интенсивностью и амплитудой и заимствуя выражение для коэффициента осевой концентрации из [2], получим
3
и о __ЯтаЧ_
и
и
д/ 8х0(со5 (ка) + (ка) -1)
где 1/„ — амплитуда излученного сигнала; и0 — амплитуда эхосигнала от
двугранного угла; = ^ — амплитудный коэффициент отражения
от двугранного угла; БК) — интегральный синус; к = кК{ 1 +8) — действительная часть волнового числа квазирэлеевской волны.
При распространении рэлеевской волны на участке от передней грани ПЭП до двугранного угла волна затухает с коэффициентом и
Распространение квазирэлеевской волны по вогнутой цилиндрической поверхности сопровождается дополнительными потерями, связанными с переизлучением объемных продольных и поперечных волн.
Таким образом, окончательно амплитуду {/0 опорного эхосигнала от двугранного угла при отсутствии дефекта можно записать
3
^ехр (-2иг0 - и х,), (1)
'о
и„
^ 8х0(со5 (ка) + ка$,\ (ка) -1)
где г)' — коэффициент дополнительного затухания квазирэлеевской волны на вогнутой цилиндрической поверхности, который в соответствии с [1] равен
-2кг \ агЛ—- — { к к
, Ч^яуки +
^ = -'/-- \-ттехР
4кК (як - ) - ) + 2Чн)
где я, = т/ к2 -к?.
Определим амплитуду {/0д.
С учетом двукратного рассеяния волн на дефекте, предполагая, как и ранее, что соблюдаются все ограничения, присущие энергетическому приближению, амплитуду [/0д эхосигнала от двугранного угла, когда на прямолинейном участке поверхности диска находится дефект протяженностью /д, можно записать в виде
Ц0 д= я„а2 0,5 гк2
и„ 2^] Т1х0 у соб (ка) + ка$'\ (ка) -1
з
X
3 1,2
1-
/?0,51;к
- +
+ -
0,125/?2/д£4
х>(\-ха/х0)(со*(к1п) + к1^(к1я)-1)
ехр (-2т0 - пь'х^). (2)
Зона наиболее вероятного образования дефектов в диске колеса соответствует прямолинейному участку поверхности диска, для которого к = кК. Аналитическое выражение амплитуды эхосигнала поверхностной волны, отраженной от дефекта с учетом [3, 4] и затухания имеет вид
и„ 2пх
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.