Введение к работе
Актуальность. Колесная пара - одна из самых ответственных деталей вагона, от исправной работы ее зависит безопасность движения поездов. При этом замена колесной пары, или одного из ее элементов - буксы с роликовыми подшипниками, цельнокатаного колеса или оси - приводит к внеплановым ремонтам и, как следствие, к большим экономическим затратам. Наиболее опасны в эксплуатации изломы и разрушения элементов колесных пар. В 30-60 годы к основным причинам изломов относили трещины обода, ступицы и диска в зоне отверстия под ось из-за нарушения технологии производства.
Начиная с 60-х годов, в эксплуатации стали выявляться трещины в цельнокатаных колесах в зоне перехода диска к ободу. Можно констатировать тот факт, что дефекты колес и осей, наблюдавшиеся в 1930 - 1970-х годах, в редких случаях встречаются и по сегодняшний день. И, тем не менее, эти немногочисленные дефектные колеса и оси, могут привести к катастрофическим последствиям.
Применение средств и методов входного, межоперационного и выходного неразрушающего контроля технического состояния колёсных пар при выполнении ремонтных работ является в современных условиях неотъемлемой частью обеспечения безопасности движения. Такие факторы, как существенный процент износа эксплуатируемого подвижного состава, ужесточение требований к качеству ремонта с одной стороны, и необходимость увеличения производительности труда с другой стороны, требуют разработки новых эффективных методов неразрушающего контроля элементов колёсных пар, узлов и деталей подвижного состава.
В настоящее время при дефектоскопии элементов колесных пар железнодорожных вагонов используются магнитопорошковый, вихретоковый, ультразвуковой методы контроля. Но при существующем многообразии различных методов неразрушающего контроля пропуски опасных дефектов элементов колесных пар (трещины в диске, гребне и ободе колеса, трещины в средней части, шейки и подступичной части оси) при проведении дефектоскопии все еще имеют место быть.
К основным причинам пропуска дефектов относятся отсутствие специалистов соответствующей квалификации и низкий уровень автоматизации процесса контроля. Кроме того, эти методы, при проведении контроля, требуют предварительной подготовки поверхности контроля, сканирование всей контролируемой поверхности датчиками, и больших затрат времени.
Из сказанного следует, что создание новых, современных систем неразрушающего контроля является весьма актуальным. Поэтому возникла необходимость разработать новую систему диагностики, в частности, основанной на методе собственных частот.
Таким образом, исследования, направленные на разработку системы автоматического контроля железнодорожных колес и осей, основанной на
методе собственных частот, в настоящее время являются актуальной научной задачей.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка методики и системы неразрушающего контроля для диагностики осей и колес железнодорожных вагонов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
выбрать метод неразрушающего контроля и усовершенствовать его применительно к локальной задаче - выявление дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов;
разработать методику проведения диагностирования и выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот;
разработать и апробировать образцы устройств, основанные на методе собственных частот, для выявления дефектов в осях и колёсах в условиях ремонтного депо;
разработать алгоритм и программное обеспечение для проведения диагностики осей и колес методом собственных частот;
провести эксперименты: в лаборатории на моделях и в условиях ремонтного предприятия на реальных объектах, как на бездефектных, так и дефектных осях и колесах.
Методы исследования. Методы математической статистики,
математическое моделирование упругих колебаний в твёрдых телах методом
конечных элементов. Теоретические исследования базируются на методе
конечных элементов и непараметрических критериях сравнения амплитуд в
спектрах (в разработанной методике диагностирования), которые имеют дело
не с численными значениями измеренных величин, а с их рангами. В
экспериментальных исследованиях использованы, помимо метода собственных
частот, методы неразрушающего контроля, используемые на ремонтных
предприятиях железнодорожной отрасли (ультразвуковой и
магнитопорошковый). Обработка экспериментальных и теоретических результатов выполнена на персональном компьютере с применением разработанных в диссертационной работе и типовых программ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана система и методика диагностирования методом
собственных частот с автоматической постановкой диагноза о
техническом состоянии осей и колес железнодорожных вагонов;
обоснован выбор и использование тарированного излучателя акустических сигналов для возбуждения собственных колебаний в объектах контроля во время проведения диагностики;
разработаны алгоритм и программное обеспечение системы неразрушающего контроля осей и колес железнодорожных вагонов, на основе метода собственных частот;
получено, что результат диагностики выдается непосредственно по каждому конкретному объекту контроля без привязки к другим однотипным изделиям и без обязательного накопления статистической выборки по однотипным осям и колесам.
Практическая значимость работы определяется:
методикой выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот;
анализом сдвига частот по методу конечных элементов для первых 25 форм колебаний моделей колес и осей, как с измененной геометрией, так и с внесением в них искусственных дефектов;
созданием и работой программного обеспечения для проведения диагностики осей и колес железнодорожных вагонов по методу собственных частот;
результатами лабораторных экспериментов для макетных моделей с наличием искусственных дефектов, а так же для бездефектных осей и колес;
результатами экспериментальных исследований для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;
предельными (пороговыми) значениями для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;
сокращением времени проведения диагностики, упрощением технологического процесса диагностики, по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, применительно к железнодорожному транспорту;
исключение человеческого фактора при вынесении диагноза объекту контроля.
Достоверность разработанной автоматизированной системы диагностики методом собственных частот осей и колес подтверждена моделированием и проведёнными расчётами методом конечных элементов, а так же экспериментами, проведенными в депо Горький-Сортировочный (ВКМ) Горьковской железной дороги - филиала ОАО «РЖД». Общее испытанное количество осей - девять, из которых шесть бездефектные и три с дефектами. Количество колес участвовавших в экспериментах составило восемь штук, из
которых пять бездефектные и три с дефектами. Все объекты контроля, участвовавшие в исследованиях, предварительно проходили технический контроль существующими в депо методами неразрушающего контроля (ультразвуковой и магнитопорошковый).
