Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств контроля качества подшипников качения колесной пары вагона 8
1.1. Основные требования к подшипникам качения колесной пары 10
1.2. Классификация дефектов подшипников качения .. 15
1.3. Методы контроля дефектов колец подшипников 26
1.4. Методы ультразвуковой дефектоскопии 33
1.5. Автоматизация ультразвукового контроля. Постановка задач исследования 39
Глава 2. Методическое обоснование автоматизированного выявления и локализации трещин в кольцах подшипников качения ультразвуковым методом 41
2.1. Алгоритмизация метода контроля, построенного на обучающем эксперименте 41
2.2. Физическое обоснование ультразвукового метода контроля колец подшипников 43
2.3. Обоснование применимости ультразвукового дефектоскопа УД2-12 для процесса автоматизации контроля колец 56
2.3.1. Расчет акустического тракта дефектоскопа 59
2.3.2. Обоснование выбора ультразвукового преобразователя 64
2.4. Классификация и оценка значимости погрешностей, возникших при контроле колец 66
2.5. Выводы 72
Глава 3. Экспериментальное подтверждение применимости ультразвукового метода для обнаружения дефектов колесной пары 73
3.1. Аппаратурное обеспечение измерений 73
3.2. Поиск дефектов колец подшипников известного размера 75
3.2.1. Поиск дефектов известного размера дефектоскопом УД3-103 77
3.2.2. Анализ экспериментальных данных, полученных с помощью дефектоскопа УД3-103 83
3.2.3. Согласование показаний дефектоскопов УД2-12 и УД3-103 90
3.2.4. Исследование колец с дефектами известных размеров дефектоскопом УД2-12 94
3.3. Определение величины минимального фиксируемого дефекта 99
3.4. Контроль трещин в кольцах подшипников ультразвуковым методом 107
3.4.1. Исследование колец подшипников с помощью дефектоскопа УД3-103 108
3.4.2. Исследование колец подшипников с помощью дефектоскопа УД2-12 112
3.5. Выводы 113
Глава 4. Практическое применение автоматизированной системы ультразвукового контроля для локализации дефектов колец подшипников качения колесной пары вагона 115
4.1. Автоматизация процесса выявления дефектов в кольцах подшипников с применением персонального компьютера 115
4.2. Результаты локализации дефектов 130
4.2.1. Результаты поиска дефектов известного размера 133
4.2.2. Результаты автоматизированной локализации реальных дефектов в кольцах подшипников 134
4.3. Проверка повторяемости результатов при многократном сканировании 142
Заключение 143
Литература
- Классификация дефектов подшипников качения
- Физическое обоснование ультразвукового метода контроля колец подшипников
- Поиск дефектов колец подшипников известного размера
- Результаты автоматизированной локализации реальных дефектов в кольцах подшипников
Классификация дефектов подшипников качения
Подшипники являются деталями массового производства и выходят из строя, например, из-за усталостного выкрашивания. В подшипниковой промышленности особое внимание уделяют распределению волокон на контактной поверхности [63]. Для изготовления колец подшипников в настоящее время применяется конструкционная подшипниковая сталь марки ШХ4, которая пришла на замену ШХ15СГ, обладающей меньшей устойчивостью к хрупкому разрушению. Высокоуглеродистая сталь марки ШХ4 применяется для производства подшипников чаще других. В таблице 1.1 перечислены все элементы, входящие в ее состав.
К основным составляющим подшипника относятся наружное и внутреннее кольца. Наружные кольца заднего и переднего подшипников идентичны, в отличие от внутренних. Они характеризуются незначительной величиной зазора и плотно входят в буксу. Переднее кольцо не имеет борта. Заднее - имеет специальные бортики. Заднее внутреннее кольцо имеет модификации: - полузакрытые - характеризуются полным внутренним кольцом, специальным бортом; - с единственным кольцом приставного типа.
«Внутренние кольца подшипников неподвижно посажены на шейку оси и вращаются вместе с ней, а наружные свободно установлены в корпусе буксы и удерживаются крепительной крышкой. … Вращение шейки оси вместе с внутренними кольцами подшипников вызывает вращение роликов вокруг своих осей и перекатывание по дорожкам качения между наружным и внутренним кольцами. Свободное перемещение роликов обеспечивается наличием осевых и радиальных зазоров» [146].
При контроле колец подшипников необходимо проверить: - поверхность борта; технологическую выкружку; поверхность дорожки качения; более тщательной проверки требует рабочая поверхность.
Для каждого конкретного кольца проверяются имеющиеся у него поверхности. При контроле всех перечисленных поверхностей необходимо обращать внимание на наличие поперечных, продольных и расположенных под углом трещин. Для всех поверхностных трещин должно обеспечиваться однозначное выявление. Такое кольцо бракуется.
Перечислим требования, предъявляемые к подшипнику в процессе его эксплуатации [10]:
1. Допустимая величина нагрузки, от которой зависит выбор размера подшипника. Роликоподшипники обладают большей устойчивостью к нагрузкам, чем шарикоподшипники при одинаковом их размере. Величина нагрузки складывается из величин радиальной и осевой нагрузок. Такая нагрузка называется комбинированной.
2. Точность. Если при работе подшипника важна точность его вращения, а также если частота вращения подшипника достигает больших значений, то существует необходимость применения подшипников повышенной точности.
3. Скорость. Фактором, ограничивающим максимально возможную скорость подшипника, является допустимая рабочая температура. В случае высоких частот вращения применимы подшипники с малым коэффициентом трения. Как следствие - низким тепловыделением.
4. Жесткость является важным фактором при выборе подшипника и зависит от величины упругих деформаций под нагрузкой. Жесткость роликоподшипников больше, чем шарикоподшипников. Жесткость подшипника возможно увеличить за счет преднатяга.
5. Допустимая величина осевого смещения. Вращающиеся детали опираются на два типа подшипников: фиксирующие и нефиксирующие. При этом фиксирующие подшипники способны обеспечить осевую фиксацию детали в обоих направлениях. Подшипники, выдерживающие комбинированные нагрузки, лучшим образом подходят для фиксации.
Срок эксплуатации подшипника качения зависит от различных факторов, например, условий эксплуатации или предельного значения усталостной нагрузки, превысив которую наступает усталость материала. Таким образом, ресурс подшипника - время, по истечении которого на подшипнике будут наблюдаться первые признаки усталости. Усталость - результат напряжения сдвига, возникающего под рабочей поверхностью колец и тел качения.
Восстановление колец подшипников на ремонтных участках -ответственное и перспективное направление. «В результате восстановления подшипники имеют почти такие же показатели ресурса и надёжности, как и новые. Значение коэффициента ресурса находится в диапазоне от 0,87 до 0,99 ресурса нового подшипника. В зависимости от степени износа работы по восстановлению подшипников можно разделить на пять классов» [152].
Класс 0 - Включает в себя технический контроль изношенных подшипников или неиспользуемых в течение длительного периода времени и сверку с чертежами или требованиями спецификаций. Проводятся следующие виды работ: очистка, неразрушающий контроль, визуальный микроскопический контроль, размерный контроль, подготовка отчета.
Класс I - Реклассификация. Включает в себя операции класса 0, а также работы: незначительный ремонт (поверхностная полировка неактивных и активных поверхностей, притирка;размагничивание;повторная сборка), динамические испытания (вращение колец подшипника для оценки уровня шума, определения характеристик крутящего момента;смазка, консервация;упаковка).
Класс II - Восстановление подшипников. Включает все предыдущие операции и некоторые из перечисленных: замена тел качения, установка более крупных тел качения; восстановление сепаратора или замена на аналогичный; замена изношенных компонентов; шлифование или полировка и/или плакирование монтажных поверх 15 ностей, по мере необходимости соблюдения оригинальных чертёжных размеров внешних и внутренних поверхностей подшипника; полировка дорожек качения (слой снимаемого с поверхности металла не должен превышать 13 мкм). Класс III - Заводское восстановление 1-го уровня. Включает вышеперечисленные операции, а также: получение узла другого типа (регулировка: изменение для улучшения параметров или свойств); установка тел качения, диаметр которых превышает номинальный; установка восстановленного или нового сепаратора. 4. Класс IV - Заводское восстановление 2-го уровня. Включает работы предыдущих классов или установку нового кольца, если это необходимо.
Физическое обоснование ультразвукового метода контроля колец подшипников
Для проведения автоматизации процесса ультразвукового контроля с использованием конкретной модели дефектоскопа необходимо, во-первых, определить, являются ли характеристики дефектоскопа достаточными для обнаружения возможных дефектов, минимального различимого размера дефекта [34]. Во-вторых, определить основные операции, подлежащие автоматизации. Эхо-метод УЗД применим для процесса поиска дефектов в строении колец подшипников. Метод используется в УД2-12, в котором имеется источник и регистратор УЗ волн. Кратко опишем его принцип действия. Волны, возбужденные в источнике, встретив на пути распространения внутренний дефект, испытывают отражение от него и попадают на регистратор. Процесс схематично изображен на рисунке 2.7. В случае отсутствия дефектов или при поглощении дефектом волн в связи с пространственным расположением и структурой, регистратор не фиксирует дефекта в строении. В остальных случаях поступивший отражённый сигнал свидетельствует о наличии дефекта. Причем, по параметрам сигнала можно судить о геометрических размерах дефекта, глубине его залегания [126].
В однородном материале траектория движения УЗ волн неизменна. В пункте 2.2 было показано, что отражение волн происходит из-за разницы в удельных акустических сопротивлениях на границе сред «материал-дефект». Волна испытывает практически полное отражения за счет того, что включения в металле часто содержат воздух в своем составе.
В процессе своей работы УЗД генерирует, преобразует, принимает и измеряет амплитуду УЗ колебаний. Описанная последовательность действий выполняется в трех трактах дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом. «Электроакустическим трактом называют участок схемы дефектоскопа, где происходит преобразование электрических колебаний в ультразвуковые и обратно. Электроакустический тракт дефектоскопа состоит из пьезопреобразователя, демпфера, тонких переходных слоев и электрических колебательных контуров генератора и приемника. В электроакустический тракт нормальных искателей, работающих в контактном варианте, также входят протектор и слой контактной жидкости. Электроакустический тракт определяет резонансную частоту ультразвуковых колебаний, длительность зондирующего импульса и коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую.
В электрический тракт дефектоскопа входят генератор зондирующих импульсов и усилитель. Он определяет амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления.
Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от отражателя до приемника. Анализ акустического тракта сводится к расчету волновых полей излучателя, отражателя и приемника» [151]. В результате расчета тракта дается оценка зависимости ослабления амплитуды эхо-сигнала от геометрических и акустических параметров.
Наибольшее влияние на амплитуду сигнала оказывают следующие факторы. Акустические свойства контролируемого материала, такие как скорость УЗ волн, затухание. Влияние факторов остается неизменным при проведении контроля.
Геометрические параметры изделия. К ним относятся: геометрические размеры изделия в зоне прозвучивания, кривизна, параметры шероховатости поверхности. В ходе проведения проверки геометрические параметры изделий могут меняться. В случае рассмотрения колец подшипников они сохраняются неизменными, вследствие чего, притирка преобразователя под требуемые геометрические размеры позволяет минимизировать влияние. - Свойства акустической задержки и ее геометрические параметры, влияющие на степень акустического согласования пары преобразователь-изделие. Влияние факторов также остается неизменным при проведении контроля.
Электроакустические параметры преобразователя: длительность импульсов, частота колебаний, материалы переходных слоев и активных элементов. Перечисленные параметры могут изменяться в зависимости от настройки дефектоскопа и выбора ПЭП. Оптимальные значения параметров выбраны ранее во второй главе для поставленной задачи поиска дефектов и определения их основных характеристик в материале колец железнодорожных подшипников.
Производится определение рабочей частоты дефектоскопа для выявления минимального фиксируемого значения дефекта [78, 126]. Известны формулы, применяемые при расчете акустического тракта и описанные в литературе [33, 38]. Требуемая лучевая разрешающая способность достигается, если два последовательно следующие импульса не налагаются друг на друга [76, 77]. Импульсы фиксируются раздельно при условии, что расстояние между одинаковыми дефектами вдоль луча Аг 2Х.
В случае применения импульсного эхо-метода, отношение интервала времени, прошедшего между двумя последовательными импульсами к толщине прозвучивания является прямопропорциональной зависимостью:
В рассматриваемом случае толщина исследуемых изделий не превышает 14 мм. Возможно многократное отражение волны от дефекта, поэтому для исключения ошибки максимальное расстояние, пройденное волной до момента отражения, равно двум глубинам изделия. Соответственно, весь путь волны, в этом случае, равен 4h. Таким образом, для расчета времени пробега волны в изделии воспользуемся формулой — = 0.00001 с. Период следования двух последовательных импульсов, согласно техническим характеристикам излучателя УЗ, составляет 0.001 с, что на 2 порядка меньше рассчитанного времени пробега импульса. Откуда следует, что наложение двух импульсов друг на друга исключено. Соблюдена требуемая лучевая разрешающая способность.
Поиск дефектов колец подшипников известного размера
Основными характеристиками любого фиксируемого дефекта являются его размер, положение и глубина залегания. При ручном сканировании колец подшипников определение размера произвольного дефекта возможно путем сравнения амплитуд отраженного импульса, полученного в случае обнаружения выявленного дефекта и импульса, полученного в случае фиксации дефекта известного размера. Оценка размера дефектов, в некоторых случаях, возможна и по таблице 3.4.
Координаты дефекта соответствуют положению пьезоэлектрического преобразователя, а глубина залегания рассчитывается исходя из известных значений угла ввода луча в исследуемую поверхность, времени, прошедшего между отправкой зондирующего импульса и получением отраженного, а также скорости распространения ультразвуковой волны в исследуемом материале (характеристик материала).
Для анализа полученных результатов была составлена таблица 3.4. Построим по ее значениям графики, характеризующие зависимость амплитуды импульса от выставленного масштаба чувствительности.
На рисунке 3.10 представлены графики для дефектов, размер которых составляет 0,3 мм, 1,3 мм и 2 мм.
На графике, полученном при исследовании дефекта размером 0,3 мм, видна практически прямопропорциональная зависимость. При значении чувствительности менее 38 единиц дефектоскоп не фиксирует имеющийся дефект. Таким образом, для выявления дефекта, размер которого составляет 0,3 мм, выбранного значения чувствительности недостаточно. Чувствительность дефектоскопа УД3-103 находится в пределах от 0 до 80 Дб, выставляется в настройках от 1 до 60 единиц. Откуда следует, что 1 относительная единица равна 1,33 Дб. Для удобства изменение чувствительности будем записывать в относительных единицах. Изменение чувствительности с 38 до 40 единиц позволяет увеличить амплитуду принятого импульса. Рост амплитуды составляет 1-2 мм при увеличении чувствительности на единицу. В эксперименте чувствительность дефектоскопа изменялась от 38 до 48 единиц. В промежутке 10 единиц произошло увеличение амплитуды с 20 до 33 мм. Таким образом, на каждую единицу чувствительности приходится рост амплитуды мм/ед.
График, построенный по результатам исследования дефекта размером 1,3 мм, имеет практически прямопропорциональную зависимость. При выставленном значении чувствительности меньше 28 единиц, на экране дефектоскопа перестает фиксироваться импульс, указывающий на наличие дефекта. Следовательно, для выявления дефекта размером 1,3 мм такой чувствительности недостаточно. Изменение чувствительности с 28 до30 единиц практически не внесло никаких изменений в графическом отображении дефекта на экране дефектоскопа. Заметен лишь незначительный рост амплитуды импульса. Это объясняется малыми значениями чувствительности, выставленной на дефектоскопе и размерами дефекта. Что является недостаточным для уверенной фиксации, которая начинается со значения чувствительности в 30 единиц. После этого значения амплитуда импульса растет, в среднем, на 5 мм при увеличении чувствительности на единицу.
График, построенный по результатам исследования дефекта размером 2 мм, также практически сохраняет свою прямолинейность. Для лучшего определения значений амплитуды при различной чувствительности предложено проведение усреднения результатов. В эксперименте чувствительность дефектоскопа изменялась от 30 до 40 единиц. В промежутке 10 единиц произошло увеличение амплитуды с 22 до 77 мм. Таким образом, на каждую единицу чувствительности приходится рост амплитуды мм/ед.
Более быстрое увеличение амплитуды, по сравнению с уже рассмотренным, объясняется исследованием дефекта большего размера.
На графике, построенном по данным, полученным при исследовании дефекта размером 3 мм (рисунок 3.11), фиксируется непрямолинейность, но, в общем, характер роста сохраняется. Причем, при одинаковых значениях чувствительности, для данного дефекта амплитуда импульса больше, чем амплитуда при таком же значении чувствительности для дефекта меньшего размера. Это означает, что на показания ультразвукового дефектоскопа оказывает влияние изменение дефекта на 1 мм, а также, на десятые доли миллиметра (возрастание амплитуды наблюдалось и в случае исследования дефектов размером 1,3 и 2 мм). Для дефекта размером 3 мм получен разброс по чувствительности от 30 до 38 единиц, по амплитуде – от 25 до 71 мм. Следовательно, на каждую единицу чувствительности приходится увеличение амплитуды, равное мм/ед.
При анализе дефекта, размер которого составляет 4 мм (рисунок 3.12) и выставленном значении чувствительности 30 единиц (как и в предыдущих случаях) на дисплее зафиксирован импульс 37 мм. Для получения большего диапазона рассматриваемых результатов, следует начать исследование с меньшего значения чувствительности, например, с 26 единиц.После снятия показаний дефектоскопа при дальнейшем увеличении чувствительности, получен график, поведение которого описывается аналогично предыдущим экспериментам.Зависимость снова является практически прямолинейной. Для дальнейшей обработки получены усредненные результаты. В эксперименте рассматривается разброс по чувствительности от 26 до 36 единиц, по амплитуде – от 14 до 72 мм
Результаты автоматизированной локализации реальных дефектов в кольцах подшипников
Для проверки работоспособности написанной программы необходимо произвести ее тестирование на образцах с искусственно созданными эталонными дефектами, использованными в 3 главе. Запись показаний производится только в момент прохождения пьезоэлектрического преобразователя по дефектному участку. Для каждого конкретного значения дефекта эксперимент многократно повторен. В итоге получены серии результатов для последующей обработки.
Для дефекта размером 0,3 мм произведено 25 записей данных. В результате получены графики, пример которых изображен на рисунке 4.21. По оси абсцисс отложены значения в относительных единицах. Так как дефект выражен в долях миллиметра, по оси ординат значение дефекта отложено в микрометрах. Программа автоматически определяет величину
Усредним максимумы, фиксируемые на графиках. В результате серии экспериментов, было получено значение 0,2992 мм. Таким образом, будем считать, что дефект, размер которого равен 0,3 мм, зафиксирован с большой степенью точности. Худший результат в ходе эксперимента составил 0,25 мм. Такое значение было зафиксировано однократно. В основном, разброс значений составил порядка 10 мкм.Проведем аналогичные эксперименты по исследованию дефектов, размер которых составляет 1,3 и 2 мм. Количество повторов экспериментов аналогично первому случаю. Примеры полученных графиков изображены на рисунке.
Все параметры графиков также совпадают с ранее описанными. В результате усреднения результатов, фиксируемый максимум составитдля дефекта размером 1,3 мм значение 1,298 мм, для дефекта размером 2 мм -значение 1,991 мм. Разброс значений составил порядка 10 микрометров (рисунок 4.22). Большого разброса, как в предыдущем случае, не наблюдалось.
Эксперименты по обнаружению дефектов, размер которых составляет 3 и 4 мм аналогичны предыдущим.В результате серии экспериментов, было получено значение 2,991 мм. Таким образом, будем считать, что дефект 3 мм также точно различим. Для дефекта размером 4 мм в результате серии экспериментов было получено значение 3,993 мм. При этом на бездефектном участке фиксируются импульсы амплитудой до единицы. Для сравнения, дефект размером 1,3 мм до перевода обозначается импульсом амплитудой более 40 единиц.
Результаты автоматизированной локализации реальных дефектов в кольцах подшипников Проведем анализсерии из 51 кольца (рисунок 4.23) подшипников с целью выявления дефектов в их строении. Для этого произведем автоматический поиск дефектов в каждом кольце[104, 107].
Эксперимент по обнаружению следует повторить многократно. Это позволит, во-первых, подтвердить, что дефект действительно присутствует в кольце, во-вторых, точно оценить его размеры. После проведения статистической обработки, подробно описанной в приложении 1, можно говорить о степени достоверности полученных результатов в случае проведения однократного поиска дефектов. Сравним данные между собой для оценки возможных погрешностей. Как было показано ранее, алгоритм исследования кольца подшипника [108] заключается в последовательном прохождении по его поверхности ПЭПсо сдвигом на ширину рабочей зоны (16 мм). Прохождение одной полосы и запись результатов занимает 50 секунд (2 прохода по 25 секунд). Обработка массива данных, полученного после прохождения преобразователя по первой полосе, возможна с записью массива результатов, полученных со второй полосы и так далее. В среднем, промежутка времени 50 секунд достаточно для обработки массива данных. Обработка одновременно двух массивов невозможна. Таким образом, время, которое необходимо затратить на поиск дефектов в одном кольце, составит 300 секунд.
Результатом такой обработки являются графики и значения, по которым можно судить о наличии дефекта в строении кольца, его местоположении, геометрических размерах и глубине залегания. Возможно оценить, подлежит ли кольцо восстановлению.
Для исследуемой серии подшипников получены графики, примеры которых приведены на рисунках 4.24 – 4.32, по оси y которых откладывается размер дефекта, измеряемый в микрометрах. По оси x – расстояние от начальной точки в миллиметрах (а) или время, прошедшее с начала поиска в секундах (б). Решение о том, какая размерность будет откладываться по оси x, принимается пользователем. Она может быть изменена в окне программы.
Похожие диссертации на Автоматизация процесса локализации дефектов колец подшипников качения колесных пар железнодорожных вагонов ультразвуковым методом
