Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и задачи по совершенствованию неразрушающего контроля на предприятиях вагонного хозяйства железных дорог Российской Федерации 11
1.1 Статистические данные о техническом состоянии узлов и деталей грузовых вагонов в процессе эксплуатации и ремонта 11
1.2 Организация системы неразрушающего контроля на предприятиях, производящих ремонт грузовых вагонов 18
1.3 Ультразвуковой контроль усталостных дефектов деталей вагонов 22
1.4 Акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля 27
1.5 Акустический метод течеискания для обнаружения сквозных дефектов и неплотностей в магистралях, находящихся под давлением 31
Выводы по главе 1 и постановка задачи 34
2. Методы и средства проведения лабораторных и цеховых экспериментов 36
2.1 Измерение скорости ультразвука для оценки усталостных микроповреждений 36
2.2 Акустико-эмиссионный метод диагностики и неразрушающего контроля 44
2.3 Акустическое устройство для обнаружения утечек в пневмома-гистралях 50
Выводы по главе 2 54
3. Установка информативных параметров акустических методов неразрушающего контроля узлов и деталей вагонов 56
3.1 Ультразвуковой метод оценки накопления усталостных микро повреждений 56
3.2 Использование ультразвуковых методов для контроля структурного состояния металла узлов и деталей колесных пар 62
3.3 Применение акустико-эмиссионного метода для неразрушающего контроля литых деталей тележек грузовых вагонов 64
3.4 Разработка акустического метода обнаружения сквозных усталостных трещин в тормозной магистрали вагона 77
Выводы по главе 3 90
4. Разработка методик акустического неразрушающего контроля дета лей вагонов 92
4.1 Методика акустико-эмиссионного метода неразрушающего контроля литых деталей тележки 92
4.2 Методика малых изменений скорости ультразвука при оценке накопления усталостных микроповреждений в деталях вагонов 99
4.3 Методика выявления течей с использованием акустического течеискателя 102
Выводы по главе 4 106
5. Сопоставление эффективности разработанных методов с другими методами неразрушающего контроля, применяемыми на предприяти ях отрасли 108
5.1 Оценка достоверности исследованных методов неразрушающего контроля по результатам сравнительных испытаний 108
5.2 Повышение эффективности неразрушающего контроля в вагонном хозяйстве сети железных дорог 111
5.3 Экономическая эффективность новых технологий неразрушающего контроля на предприятиях отрасли 115
Выводы по главе 5 127
Общие выводы 129
Список использованной литературы
- Организация системы неразрушающего контроля на предприятиях, производящих ремонт грузовых вагонов
- Акустико-эмиссионный метод диагностики и неразрушающего контроля
- Использование ультразвуковых методов для контроля структурного состояния металла узлов и деталей колесных пар
- Методика малых изменений скорости ультразвука при оценке накопления усталостных микроповреждений в деталях вагонов
Организация системы неразрушающего контроля на предприятиях, производящих ремонт грузовых вагонов
В настоящее время одним из наиболее универсальных методов НК является метод акустической эмиссии (АЭ) [44]. АЭ- это излучение упругих волн, возникающее в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел под воздействием нагрузки. Основными структурными факторами, определяющими степень поврежденности материала, являются пластическое деформирование и рост пор в процессе испытаний [45-47]. Величина нагрузки, прикладываемая к объекту контроля (ОК), как правило, составляет Р = 1,25 Рном, где Рном - номинальная (рабочая) нагрузка, действующая на ОК [44]. При росте трещины или любого другого дефекта выделяется энергия, которая распространяется по конструкции в виде упругих волн. Эти волны регистрируются на конструкции широкополосными пьезоэлектрическими
преобразователями (ПЭП). В отличие от других методов НК в методе АЭ энергия выделяется из материала исследуемой конструкции. Вследствие этого АЭ метод более чувствителен к росту дефектов, чем активные акустические методы, характеризующиеся возбуждением ультразвука извне. Так как вокруг дефектов повышается интенсивность напряжений, материал вблизи вершины трещины находится в более напряженно-деформированном состоянии, чем вдали от нее, это приводит к более интенсивной АЭ вблизи вершины трещины [48, 49].
Метод АЭ является весьма перспективным методом технической диагностики, так как позволяет накапливать информацию в процессе нагружения и деформирования исследуемых объектов, осуществлять обнаружение и регистрацию развивающихся дефектов [50-54]. Данным методом выявляются наиболее опасные, склонные к развитию дефекты. По параметрам сигналов АЭ оценивается степень их опасности. Данный метод является интегральным, т.е., используя несколько ПЭП, установленных на поверхности ОК, можно контролировать весь объект.
Основными информативными параметрами сигнала являются: энергия, число превышений сигналом определенного порогового уровня, крутизна фронта, длительность первой полуволны и т.д. В существующих системах диагностики, основанных на использовании метода АЭ, чаще всего определяются координаты и вид дефектов.
О степени поврежденности судят по изменению двух параметров сигналов АЭ: амплитуды дискретной эмиссии и времени нарастания сигнала АЭ до максимума амплитуды [46, 55-59]. Полученная картина роста и затухания соответствующих параметров является физически обоснованной, так как с ростом повреждаемости материала конструкции ухудшаются условия прохождения сигналов АЭ вследствие увеличения микротрещин, предшествующих макроразрушению. В процессе развития дефекта изменения полезного сигнала, как правило, чрезвычайно малы, в результате чего затруднен поиск информативных параметров. Одним из основных факторов, ограничивающих применение метода АЭ, является наличие различного рода помех, которые приводят к появлению ложных сигналов, не связанных с изменением структуры материала [60]. Наибольшие трудности представляют акустические шумы, возникающие в захватах, опорах и силовых элементах испытательных машин. При практическом диагностировании отстраиваться от шумов в захватах испытательных машин или нагружающих устройств можно в основном за счет их локализации.
В системах технической диагностики, использующих метод АЭ, применяются статистические методы обработки [61, 62]. Однако известно, что при испытаниях конструкций на прочность дефекты накапливаются, приводят ко все более обширным зонам нарушения сплошности. При этом соответствующие совокупности сигналов АЭ носят ярко выраженный нестационарный характер. При катастрофически быстром развитии дефектов может оказаться, что диагностические суждения принимаются по небольшому набору импульсов [63]. Поэтому требуется тщательный анализ сигналов АЭ, а следовательно, необходима их оцифровка по каждому каналу.
Дефекты, развившиеся или выросшие в процессе ресурсных испытаний машиностроительных конструкций, представляют особый интерес, по этой тематике опубликованы работы [64, 65]. Образование трещин при ресурсных испытаниях и в эксплуатации вызвано, в первую очередь, циклически изменяющейся повышенной (по сравнению с регулярными зонами) концентрацией напряжений (заклепочные и болтовые соединения, галтельные переходы, сварные швы и т.д.)
Анализ результатов практического использования метода позволяет отметить, что АЭ оказывает глубокое воздействие на производство и технологию, внося радикальные изменения в последовательность и содержание технологических операций, сокращая объемы и трудоемкость НК [66]. Моменты излучения волн эмиссии распределены статистически по времени, а возникающие при этом импульсы-вспышки имеют широкий частотный диапазон (от десятков кГц до единиц МГц) [3]. В основе применения АЭ в качестве метода НК лежит тот факт, что дефекты могут излучать упругие волны при нагружении изделий. Распространяясь по изделию, волны достигают преобразователей акустической эмиссии, трансформирующих упругие колебания в электрические сигналы. Регистрируя их, можно определить моменты возникновения и роста дефекта и его координаты.
Возможность применения акустико-эмиссионного метода контроля для деталей железнодорожного транспорта рассматривалась как отечественными исследователями [67-70], так и зарубежными [71-73].
Наибольший интерес в связи с этим вызывает разработка методики акустико-эмиссионного контроля боковых рам [74, 75]. Там же рассмотрены основные преимущества этого метода контроля, среди которых: - возможность полного контроля всего объема металла деталей, что исключено для действующих методов; - автоматизация процессов обработки результатов контроля; - возможность хранения полученных результатов контроля. Результаты опытного применения АЭ метода для диагностирования боковых рам грузовых вагонов рассмотрены в работе [76]. Основные результаты применения АЭ метода для контроля боковых рам, приведенные в работе [76], отражены в табл. 1.4. Из приведенных данных видно, что контроль части объектов феррозондовым методом затруднен, а объективность визуального осмотра невысока и субъективна, в то же время применение АЭ метода и аппаратуры может существенно повысить надежность контроля в случаях диагностики участков, отремонтированных сваркой или наплавкой.
Акустико-эмиссионный метод диагностики и неразрушающего контроля
Вопросы разработки и внедрения экспрессных методов оценки технического состояния и герметичности тормозного оборудования вагонов и составов всегда остро стояли на железнодорожном транспорте. Выявление мест утечек сжатого воздуха через усталостные трещины и другие неплотности, образовавшиеся в процессе эксплуатации грузовых вагонов, производится «на слух», при малых величинах утечек [103]— обмыливанием предполагаемых мест.
Проверки и анализ состояния безопасности движения в вагонном хозяйстве за 2000 г. показывают, что большинство отцепок вагонов по техническим неисправностям и задержек поездов в пути следования более одного часа происходит из-за неисправностей тормозного оборудования: усталостных трещин и обрыва подводящих трубок, концевых кранов и магистрального воздухопровода. На этот вид брака приходится 64,4 % (251 случай) всех браков тормозного оборудования, что указывает на низкую выявляемость сквозных усталостных трещин и других неплотностей при проведении технического обслуживания и подготовке вагонов к перевозкам.
Для решения задач, связанных с уменьшением затрат и повышением надежности тормозной магистрали в процессе ее эксплуатации, а также для инструментального решения проблем выявления мест утечек сжатого воздуха, быстрого их обнаружения и локализации, сокращения времени и повышения качества подготовки вагонов к перевозкам было разработано устройство для выявления течей, реализующее метод течеискания [103]. Метод те-чеискания позволяет обнаруживать сквозные дефекты и неплотности в котлах, сосудах и магистралях по принципу выявления истечения сред, находящихся под давлением. Для обнаружения мест утечек в зависимости от интенсивности истечения газа через дефект и расстояния до объекта контроля было разработано устройство, работающее по принципам пассивных акустических методов.
Для приема и обработки акустических сигналов, которые описаны в разд. 3.4, было разработано устройство для обнаружения течей [103]. На рис. 2.9 изображена его функциональная схема.
Акустический сигнал с помощью микрофона 1 преобразуется в электрический, усиливается усилителем 2 и подвергается частотной селекции в блоке полосовых фильтров 3. Блоки 4 — 6 совместно осуществляют ограничение снизу со следующими пороговыми значениями. Напряжение следующего порога формируется амплитудным детектором 6, фильтром низкой частоты 5 и подается на вход управления ограничителя 4. Порог, таким образом, представляет собой медленно меняющуюся часть огибающего сигнала. Ограничение снизу подобным порогом позволяет выделить из раничение снизу подобным порогом позволяет выделить из огибающего сигнала быстроосциллирующую часть и одновременно исключить импульсы с малой амплитудой.
На выходе ограничителя наблюдается последовательность импульсов с различными амплитудами и длительностями. Селектор импульсов по длительности 7 устраняет из нее короткие импульсы. Полученную последовательность частотно - импульсный детектор 8 превращает в постоянное напряжение, пропорциональное частоте повторения импульсов. Если это напряжение в пороговом устройстве 9 превышает заданный порог, то срабатывает индикатор 10.
Предлагаемое устройство позволяет выделить быстроосциллирующую часть огибающего сигнала и после соответствующей обработки сравнить ее с порогом. Это повышает чувствительность при обнаружении течей при заданной вероятности ошибки, так как регистрируются не только течи, сопровождающиеся возникновением сильных турбулентностей, но и течи со слабой турбулентностью или даже при отсутствии таковой. В наибольшей мере преимущества устройства реализуются при большой полосе пропускания тракта до ограничителя, например при полосе 25 - 60 кГц. При такой полосе в огибающей присутствуют не только медленноменяющиеся составляющие, которые обусловлены турбулентностью, но и быстроизменяющиеся составляющие, которые вызваны трением газа о стенки отверстия и рядом других причин.
На основании проведенных исследований и исходных требований, разработанных автором предлагаемого устройства, для обнаружении течи предприятием "Микроакустика - Уральское отделение ВНИИЖТ" было разработано и изготовлено несколько модификаций течеискателей (ТЧ-201, ТЧ-203, ТЧ-205), обладающих высокой (в сравнении с аналогами) чувствительностью при заданных ошибках обнаружения.
По своим достигнутым при конструировании показателям течеискатели относятся к средствам неразрушающего контроля акустическими методами. Они предназначены для выявления малых утечек воздуха в тормозной магистрали железнодорожных поездов, утечек газа в газовых магистралях и утечек хладона в холодильных установках. По ряду параметров созданный акустический течеискатель в несколько раз превосходит заданные при проектировании исходные требования, которые указаны в разд. 3.4. Основные технические характеристики:
Использование ультразвуковых методов для контроля структурного состояния металла узлов и деталей колесных пар
Для создания акустического устройства для обнаружения течей из тормозной системы подвижного состава необходимо было выполнить следующие этапы работы: - установить режимы истечения воздуха при утечках из тормозной системы; - определить условный диаметр отверстия с минимальной проводимостью дефекта при истечении воздуха; - определить акустические характеристики истечения воздуха при различных диаметрах отверстий и давлениях; - оценить эксплуатационные характеристики устройства, параметры зоны обнаружения дефекта; - разработать общие положения контроля и технологию обнаружения течей акустическим методом; - определить ожидаемый экономический эффект от внедрения акустического метода неразрушающего контроля тормозов.
В рамках настоящей работы был выполнен ряд теоретических и экспериментальных исследований. Разработаны исходные требования к устройству, определены характеристики контролируемых объектов (тормозного оборудования вагонов и поезда): давление, количество возможных утечек и места расположения. Исходя из условий работы ПТО, определены необходимые ограничения по удалению объектов контроля и необходимые пороги чувствительности.
Разработан проект технологии использования устройства для обнаружения течей при ремонте тормозного оборудования в период проведения плановых видов ремонта и технического обслуживания [121, 122].
Предложено использовать устройство по обнаружению течей для контроля других пневматических систем, включая газовое хозяйство и хо 78 лодильное оборудование. Разработана технология поиска утечек в хладо-новых холодильных установках, что позволило отказаться от использования спиртовых и пропановых галоидных ламп в условиях рефрижераторного депо [122].
Пневматическое тормозное оборудование грузового вагона (рис. 1.3.) состоит из 17 узлов, которые собраны в систему трубопроводами с большим количеством (более 50) резьбовых и фланцевых соединений. Определить и задать при проведении тормозных расчетов возможные утечки по каждому соединению невозможно. Для проведения расчетов было принято определение «равномерно распределенная неплотность» эквивалентная от-верстию d с площадью - F, м [123]. Для выполнения расчетов по определению плотности как элементов тормозного оборудования, так и единицы подвижного состава в целом, разработана специальная таблица «Определения времени истечения воздуха из резервуара в атмосферу» и две номограммы: 1) для определения отношения V/F в зависимости от объема резервуара и диаметра отверстия; 2) для определения времени истечения воздуха из резервуара в атмосферу через круглое отверстие в зависимости от отношения V/F [123]. По номограммам было определено, что падение давления в тормозной магистрали грузового вагона на 5 МПа в течение 60 с происходит через эквивалентное отверстие d жв= 1 мм.
В реальных условиях эксплуатации утечки происходят через усталостные трещины или неплотности в резьбовых соединениях. Для проведения расчетов в условиях эксперимента зададим количеством мест утечек из тормозной магистрали грузового вагона от 10 до 20. При этих условиях диаметр эквивалентного отверстия d3Ke одного дефекта может колебаться от 0,1 до 0,05 мм. При расчете параметров утечек в тормозной магистрали номограмма расхода имеет вид, представленный на рис. 3.9. V/F, мм С/, мм /с
Зависимость расхода воздуха Uи отношения V/F от избыточного давления в магистрали: 1 и 2 - /и К/i7 соответственно при диаметре от верстия d= 0,1 мм и объеме резервуара Крез = 0,03 м ; 3 - t/при диаметре отверстия i = 0,1 мм и объеме резервуара Vpe3 = 0,05 м ; 4 - (7 при диаметре отверстия d= 0,1 мм и объеме резервуара Vpe3 = 0,01 м Течение газов и проводимость элементов пневматических систем определяется потоком газа [123], Па-м / с: Q = S-P, (з.і) где S = (dV /dt)p - скорость истечения объема газа при давлении р в систе-ме, м /с; р - давление в рассматриваемой системе, Па; V— объём, м . Проводимость U, м /с, элемента системы равна отношению потока газа, проходящего через элемент (неплотность), к разности давления в конечных сечениях: U=Q/(Pi-p2), (3.2) где Q - поток газа, истекающего из системы в единицу времени при опре-деленном давлении и площади сечения диафрагмы (неплотности), Па-м /с; pi - давление внутри системы, из которой вытекает газ; р2 - атмосферное давление при решении задачи контроля утечек.
Режим истечения газа из одной емкости в другую через отверстие в тонкой перегородке (рис. 3.9), толщина которой h значительно меньше диаметра d отверстия (h « d), рассматривается как течение через диафрагму (рис. ЗЛО.). Если диаметр диафрагмы d значительно меньше диаметров соседних сосудов D (d « D), диафрагму считают малой; если диаметр d соизмерим с диаметром одного из сосудов, диафрагму считают большой. Истечение воздуха из тормозной магистрали вагона (поезда) можно представить, как истечение газа через малую диафрагму, толщина перегородки которой h значительно меньше диаметра отверстия d (h « d) в нашем случае (4 « 0,1 или 4 « 0,05).
Методика малых изменений скорости ультразвука при оценке накопления усталостных микроповреждений в деталях вагонов
Оценку достоверности АЭ контроля боковых рам дополнительными методами осуществляли ультразвуковым эхо-методом контроля и металлографическим исследованием наплавленных опорных поверхностей [136]. Достоверность контроля наплавленного слоя надрессорных балок не проводили.
Для ультразвукового метода контролируемые наплавленные участки вырезали из детали id зачищали до шероховатости поверхности не хуже Rz=40 мкм. Исследование осуществляли с помощью дефектоскопа УД2-12. Основные реализованные параметры контроля эхо-методом имели следующие значения: - частота - 2,5 МГц; - условная чувствительность - 24 дБ; - углы ввода - 40, 50, 65; - мертвая зона, соответственно - 8 мм, 6 мм, 3 мм для преобразователей с перечисленными углами ввода.
Ультразвуковой контроль эхо-методом проводили с внутренней поверхности опорной части в окрестностях участков, являющихся источниками АЭ. Результаты ультразвукового контроля наплавленных участков с обнаруженными активными источниками АЭ представлены в табл. 5.1 и показывают, что во всех случаях контроля обнаружены дефекты наплавленного слоя. Здесь N - число локализованных сигналов от данного источника, Аср - усредненная по зоне локализации амплитуда принятых сигналов.
Подобные исследования наплавленных участков опорных поверхностей, где сигналы АЭ не были зафиксированы, не выявили дефектов, обнаруживаемых ультразвуковым методом контроля.
Дополнительно участки, где были обнаружены отражатели эхо-сигналов ультразвуковым методом, были вырезаны, отшлифованы и исследованы в соответствии со стандартными методами металлографического макроанализа. Аналогичные исследования провели для двух случайно выбранных участков, где отражатели эхо-методом ультразвукового контроля не найдены. В последнем случае участок наплавки имеет четкую границу, выявляемую при макротравлении, но не имеет дефектов ни в наплавленном, ни в граничном слое.
Анализ дефектных участков выявил несколько типов дефектов: сильная пористость в наплавленном слое; трещины по границе наплавленного слоя и основного металла опорной поверхности (рис. 5.1, 5.2); расслоения по границе наплавленного и основного металла. В случае пористости наплавленного слоя микроскопический анализ показал, что на части пор развиваются усталостные микротрещины.
Выявленные АЭ методом трещины, подтвержденные данными металлографического анализа, имеют глубину проникновения не более 3 мм, то есть все трещины выявлены на ранней стадии своего развития. Полученные результаты свидетельствуют о достоверности АЭ контроля боковых рам.
Разработка и внедрение новых средств неразрушающего контроля и технологий осуществлялась на основании Постановления Совета Министров СССР № 336 от 14 марта 1988 г. "О мерах по обеспечению безопасности движения на автомобильном и железнодорожном транспорте" и приказа МПС № 27 от 4 апреля 1988 г. Дальнейшие работы велись в рамках Государственной программы по повышению безопасности движения на железнодорожном транспорте Российской Федерации на период 1993-2000 г.г. (Постановление Правительства Российской Федерации от 29 октября 1992 г. "О повышении безопасности движения на железнодорожном транспорте Российской Федерации", приказ МПС № 19 от 11 декабря 1992 г).
В рамках заданий Государственной программы по повышению безопасности движения поездов в период с 1989 по 2000 г. предприятиям вагонного хозяйства было поставлено 2764 дефектоскопов различных типов и специального оборудования на сумму 104,87 млн. руб. (в ценах 2000 года).
Ежегодные капитальные вложения на приобретение средств неразрушающе-го контроля составили - 8 739 166 руб. В период реализации заданий Госпрограммы были разработаны и внедрены при участии автора новые средства неразрушающего контроля и технологические инструкции на его проведение. Расширена номенклатура контролируемых узлов, деталей и зон контроля, которая составляет 78 наименований [27]. Внедрены новые методы, средства и технологии неразрушающего контроля в следующих видах: - феррозондовый; - вихретоковый; - акустико-эмиссионный; - акустический. В результате внедрения в технологические процессы ремонта новых средств НК и технологий контроля узлов и деталей вагонов, организации в отрасли работ по неразрушающему контролю на предприятиях, производящих ремонт и модернизацию вагонов всех типов [28, 137, 138], число крушений, аварий и других видов брака за 10 лет значительно снизилось (табл. 5.2).
В сопоставимых условиях общее количество браков в 1995 г. в сравнении с 1991 г. сократилось в 3,62 раза, в 2000 г. в сравнении с 1995 г. - в 3,22 раза, а в 2000 г. по сравнению с 1991 г. в 11,7 раза. Распределение числа браков в период 1991-1995 гг. и 1996-2000 гг. с дифференциацией по видам приведено в табл. 5.3.
Приведенные выше данные показывают, что организация системы неразрушающего контроля в вагонном хозяйстве, внедрение новых технических средств и технологий НК позволили за пятилетку сократить число браков в 4,33 раза, что повысило уровень безопасности движения на железнодорожном транспорте [139-141].
