научная статья по теме УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БАНДАЖАХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛЕС ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БАНДАЖАХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛЕС ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ»

Акустические методы

УДК 620.179.162

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БАНДАЖАХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛЕС ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

В.В. Муравьев, Л.В. Волкова, М.А. Лапченко

Описаны разработанные методики и средства контроля остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес на основе явления акустоупругости с использованием электромагнитно-акустического преобразования. Представлены оригинальные результаты у.з. контроля остаточных напряжений в бандажах в процессе технологического цикла производства колесных пар локомотивов.

Ключевые слова: акустоупругость, электромагнитно-акустическое преобразование, остаточные напряжения, бандажные железнодорожные колеса.

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожное колесо является наиболее ответственным элементом, воспринимающим нагрузки от локомотива и взаимодействующим с рельсом. Разрушения колеса недопустимы, так как создают угрозу безопасности движения. Надежность колеса определяется не только качеством металла, его прочностью, но и остаточными напряжениями [1—3].

В процессе производства бандаж локомотивного колеса подвергается операциям обработки давлением, резания и термической обработки (закалки с отпуском). Термическая обработка приводит к формированию сложных остаточных напряжений, а последующая напрессовка на колесный центр с натягом приводит к возникновению дополнительных растягивающих напряжений, усложняющих общее напряженно-деформированное состояние колеса [4—7].

В процессе эксплуатации действие статических и циклических внешних нагрузок вносит изменение в распределение напряженного состояния колеса [8, 9]. Так, релаксация напряжений приводит к ослаблению натяга и сползанию бандажа, а при высоком уровне остаточных напряжений и наличии концентраторов могут появиться трещины и произойти разрыв бандажа.

Произошедшие в 2012—2013 гг. случаи изломов бандажей колес под локомотивами 2ЭС6 и 2ЭС10 в пути следования потребовали проведения исследований уровня остаточных напряжений по толщине бандажа и в районе клейм для выяснения причин разрушений.

С целью отработки технологии формирования колесных пар в процессе технологического цикла производства колесных пар локомотивов измерены изменения остаточных напряжений по толщине и окружности бандажей.

МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Методика контроля остаточных напряжений в бандажах разработана в соответствии с требованиями РД 32.144-2000 «Контроль неразрушаю-щий приемочный. Колеса цельнокатаные, бандажи и оси колесных пар под-

Виталий Васильевич Муравьев, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Приборы и методы контроля качества» Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова, ведущий научный сотрудник ФТИ УрО РАН. Тел. (3412)77-60-55 (1132). E-mail: pmkk@istu.ru

Людмила Владимировна Волкова, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, старший преподаватель кафедры «Приборы и методы контроля качества» Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова. Тел. (3412)77-60-55 (1132). E-mail: pmkk@istu.ru

Михаил Анатольевич Лапченко, руководитель проекта «Электровоз 2ЭС10», зам. начальника Департамента конструкторских разработок и исследований ООО «Уральские локомотивы» (г. В. Пышма).

вижного состава». Для контроля остаточных напряжений методом акустоу-пругости использован разработанный на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова структуроскоп СЭМА-Л [10—14], с использованием электромагнитно-акустического (ЭМА) ввода и приема сдвиговых волн.

В приборе для подавления случайных сетевых помех применены усреднение по множеству измерений и программная обработка зарегистрированных сигналов с возможностью фильтрации, сохранения, загрузки из архива [15]. Частота зондирующих импульсов для возбуждения ЭМА-преобразователя выбрана в соответствии с оптимальным значением, полученным при расчетах, и составила 2,5 МГц.

Структуроскоп работает следующим образом:

генератор формирует мощные зондирующие электрические импульсы, подаваемые по очереди на каждый из индукторов ЭМА-преобразователя, устанавливаемого на внутреннюю боковую поверхность бандажа;

ЭМА-преобразователь возбуждает в бандаже короткие акустические импульсы сдвиговых волн с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации в радиальном и окружном направлениях;

импульсы донных отражений от противоположных поверхностей бандажа регистрируются тем же ЭМА-преобразователем, преобразующим акустические колебания в электрические импульсы;

усиленные сигналы поступают на плату АЦП структуроскопа и преобразуются в цифровой сигнал, наблюдаемый на экране персонального компьютера (рис. 1).

Основным информативным параметром метода акустоупругости при оценке линейного напряженного состояния является время распространения двух сдвиговых волн и ¿2, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях (одна из поляризаций совпадает с направлением окружных напряжений, вторая - с радиальным направлением). Связь регистрируемых временных параметров сигналов с величиной остаточных напряжений представлена формулой [5]

о = В(а - а0),

(1)

где В = 145 ГПа — коэффициент упругоакустической связи для линейного напряженного состояния, определенный экспериментально;

а =

Ч_

и

а=

^01 ^02 и

— параметры акустической анизотропии материала

11 101

после и до возникновения оцениваемой величины остаточных напряжений соответственно.

Формула (1) показывает, что остаточные напряжения определяются историей металла, которая характеризуется акустической анизотропией (текстура и структура металла — параметр а0), и непосредственно напряженным состоянием в изделии (параметр а). Параметр а0 определяют перед началом работы на фрагменте бандажа для всей партии.

Для контроля остаточных напряжений в бандажах колес ЭМА-преобразователь устанавливают на внутренней боковой поверхности на расстоянии от 10 до 55 мм от поверхности катания в восьми сечениях, как показано на рис. 2а—в. Время одного измерения составляет не более 15 с без учета времени на переустановку ЭМА-преобразователя.

Поверхность катания

А

Поляризация /-волны

а

Рис. 2. Места установки ЭМА-преобразователя на бандаже: а — с распространением волн по ширине; б — по толщине; в — сечения по окружности; г — схема измерений под локомотивом.

Измерения для колес под локомотивом 2ЭС6 ввиду конструктивных особенностей колесной пары были проведены в двух сечениях: одно — непосредственно вблизи рельса, а второе — на расстоянии четверти длины окружности. Поскольку зазор между кожухом редуктора колесной пары 2ЭС10 больше, то измерения проводили в трех сечениях: вблизи рельса, на расстоянии 1/16 и 1/8 по длине окружности от зоны контакта с рельсом (см. рис. 2г).

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ЛОКОМОТИВА 2ЭС6

Оценку остаточных напряжений в бандаже № 32064 проводили в ООО «Уральские локомотивы» после каждой технологической операции по сбору колесной пары тележки 2ЭС6, включающей в себя следующие этапы: в черновом состоянии;

после обточки внутренней боковой поверхности, прилегающей к гребню, и поверхности посадки;

после посадки бандажа на колесный центр, заранее напрессованный на колесную ось с редукторами;

после окончательной обточки поверхности катания бандажа в составе колесной пары.

Измерения проводили на расстоянии от поверхности катания 15, 25, 35, 45, 55 мм. Клеймо завода-изготовителя находилось между 7 и 8 сечениями. Результаты исследований усредненных по окружности остаточных напряжений для бандажа № 32064 после каждой технологической стадии сборки колесной пары тележки локомотива приведены на рис. 3. Распределение остаточных напряжений в черновом бандаже и бандаже после обточки по разным сечениям имеет схожий характер. Вблизи поверхности катания напряжения являются сжимающими или близкими к ним, а по мере приближения к центру они становятся растягивающими. Так, в свободном бандаже вблизи поверхности катания наблюдаются минимальные напряжения от сжимающих 15 до растягивающих 60 МПа. В центральной зоне бандажа напряжения выше и в разных сечениях составляют от 20 до 190 МПа.

£ «

пр

х

400 350 300 250 200 150 100 50 0

Обточенный после посадки

Посаженный на колесный центр Свободный бандаж

Черновой бандаж

15 20 25 30 35 40 45 50 Расстояние от поверхности катания, мм

55

Рис. 3. Изменение остаточных напряжений по толщине бандажа № 32064 в процессе

формирования колеса.

После обточки поверхности посадки уровень растягивающих напряжений уменьшился на 10—50 МПа по окружности. По 2, 3 и 4 сечениям наблюдается разброс в распределении напряжений, что свидетельствует о неоднородности физических свойств по окружности бандажа, возникающих в процессе закалки (рис. 4).

Напрессовка бандажа на колесный центр приводит к существенному увеличению растягивающих напряжений в результате натяга. После напрес-совки на колесный центр вблизи поверхности катания напряжения лежат в диапазоне от 170 до 250 МПа, которые растут при удалении от поверхности катания до 300—400 МПа (рис. 5).

х

и £

я р

X

15 20 25 30 35 40 45 50 Расстояние от поверхности катания, мм

55

Сечение 1 Сечение 2 Сечение 3 Сечение 4 Сечение 5 Сечение 6 Сечение 7 Сечение 8

160

140

а 120

§ 100

о 80

ни 60

е еж 40

я 20

пр 0

X

-20

Сечение 1 Сечение 2 Сечение 3 Сечение 4 Сечение 5 Сечение 6 Сечение 7 Сечение 8

15 20 25 30 35 40 45 50 55 Расстояние от поверхности катания, мм

Рис. 4. Распределение остаточных напряжений по толщине бандажа № 32064 в черновом состоянии (а) и после обточки (б).

ж я

пряа

х

ж

я пр

X

410 380 350 320 290 260 230 200 170

15 25 35 45 55

Расстояние от поверхности катания, мм

410 380 350 320 290 260 230 200 170

Сечение 1 Сечение 2 Сечение 3 Сечение 4 Сечение 5 Сечение 6 Сечение 7 Сечение 8 Клеймо 1 Клеймо 2

10 20 30 40 50 60 Расстояние от поверхности катания, мм

Рис. 5. Распределение остаточных напряжений по толщине бандажа № 32064, посаженного на колесный центр (а) и прошедшего операцию механической обработки (б).

а

б

а

б

После обточки поверхности катания бандажа № 32064 слоя толщиной 5 мм разброс уровня растягивающих напряжений по

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.

Показать целиком