Обоснование метода контроля натяга бандажей локомотивных колес с использованием явления акустоупругости Волкова, Людмила Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы: Бандаж является наиболее изнашиваемой частью локомотивного колеса. Разрушения бандажа не допустимы, так как создают угрозу безопасности движения. Основными причинами выхода из строя бандажей локомотивов являются: ослабление посадки, равномерный и неравномерный прокат, выщербины на поверхности катания и трещины, износ гребня. Одной из причин ослабления посадки и образования трещин бандажа являются недостаточный или чрезмерный натяг.

В процессе производства локомотивный бандаж подвергается операциям обработки давлением, резания и термической обработки (закалки с отпуском). Термическая обработка бандажа приводит к формированию сложного напряженно-деформированного состояния бандажа. Последующая механическая обработка фрезерованием и напрессовка на колесный центр тепловым способом приводит к возникновению дополнительных растягивающих напряжений, усложняющих общее напряженно-деформированное состояние бандажа.

Неясен вопрос о перераспределении напряжений после воздействия упрочняющих технологий на поверхность катания бандажа. Кроме того, в процессе эксплуатации действие статических и циклических внешних нагрузок вносит изменение в распределение напряженного состояния и плотности посадки бандажа. Высокий уровень остаточных напряжений облегчает при наличии концентраторов появление и развитие усталостных трещин.

На сегодняшний момент отсутствуют методики неразрушающего контроля остаточных напряжений и натяга бандажа. Поэтому для гарантии безопасной работы колес локомотива требуется не только его дефектоскопия, но и контроль внутренних напряжений, позволяющий предупредить появление дефектов на ранней стадии. Использование акустического метода на основе явления акустоупругости позволяет оценивать напряженное состояние в объеме материала.

Степень разработанности темы: Основные положения теории акустоупругости и описание ультразвукового метода определения напряжений, варианты реализации эффекта акустоупругости, основанного на использовании объемных волн излагаются в работах исследователей из НАН Украины под руководством Гузя А.Н. Важные для теории акустоупругости исследования свойств материалов на базе нелинейной теории упругости, зависимости скоростей распространения поперечных и продольных волн от напряжений в металлах и пластмассах, экспериментальное определение упругой и текстурной анизотропии проводились сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством Буденкова Г.А., Бобренко В.М. В научной школе ИжГТУ Буденковым Г.А. разработана методика контроля гидропрессовых соединений на основе акустического эхо - импульсного метода. Использование различных волн для измерения остаточных напряжений в кольцах подшипников, трубопроводах, вблизи стыковых сварных соединений, описание методик и принципов действия приборов для контроля остаточных напряжений рассматриваются в работах научных школ СГУПСа, ИжГТУ под руководством Муравьева В.В., ИФПМ СО РАН под руководством Зуева Л.Б., НФ ИМАШ РАН под руководством Никитиной Н.Е., теоретической проработке методов акустической тензометрии для контроля технических объектов посвящены работы ученых R.W. Benson, V.J. Realson, P. Mason, E. Shnider и др.

Рассмотренные результаты теоретических и экспериментальных исследований по акустоупругости, а также исследование напряженно-деформированного состояния в деталях производственных объектов и опыт промышленного использования ультразвука для этих целей позволили разработать основы методологии акустической тензометрии. Однако для применения метода акустоупругости отсутствуют методики контроля на реальных инженерных объектах, при определении напряжений возникают проблемы, связанные с влиянием внешних факторов.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту № 2.1.2/12069; Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 г.г. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ мероприятия 2 «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности»; ГТ-2-12 в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».

Целью работы является обоснование метода неразрушающего контроля натяга и остаточных напряжений термоупрочненных бандажей локомотивных колес с использованием явления акустоупругости и электромагнитно- акустического преобразователя.

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:

1. Моделирование и расчет напряжений в бандажах локомотивных колес после термического упрочнения и после натяга.

2. Экспериментальные исследования остаточных напряжений по толщине и по окружности бандажей до посадки на колесные центры.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению напряженного состояния при посадке бандажей на колесные центры, при электроконтактном упрочнении поверхности катания.

4. Исследование мешающих факторов, влияющих на результаты контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей.

5. Разработка ультразвуковой методики контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей локомотивных колес.

Объект исследований. Информативные параметры акустических волн при исследовании напряженно-деформированного состояния бандажей локомотивных колес.

Предмет исследований. Распределение остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после натяга, после упрочнения поверхности катания.

Методология и методы исследования. В работе представлены материалы, полученные на основе ультразвукового поляризационно-временного метода. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием специализированного оборудования. Исследования проводились в соответствии с требованиями нормативной документации по изготовлению, ремонту и эксплуатации бандажей локомотивных колес. Результаты экспериментов, представленных в диссертации, были проведены в лабораторных и цеховых условиях.

Достоверность и обоснованность обеспечивается использованием подходов теории акустоупругости, механики сплошных сред, теории акустики, большим объемом экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей и результатами моделирования. Научная новизна

5. 1. Впервые теоретически и экспериментально обосновано применение метода акустоупругости для контроля натяга бандажей локомотивных колес, реализованного с использованием электромагнитно-акустического преобразователя, по величине распределения остаточных напряжений по толщине бандажа, рассчитываемых по разности скоростей поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией.

   2. Разработаны модели формирования остаточных напряжений бандажей локомотивных колес после термического упрочения и натяга на основе метода конечных элементов.

   3. Впервые обоснован и подтвержден экспериментально ультразвуковой метод оценки остаточных напряжений по толщине бандажа и по его окружности, после термического упрочнения бандажа и электроконтактного упрочения поверхности катания колес, и при формировании колес в цеховых условиях и на стадии эксплуатации.

   4. Показано, что влияние внешних факторов (температуры, магнитных полей, текстуры проката и анизотропной структуры материала) на погрешность контроля остаточных напряжений учитывается предварительными измерениями разности времен прихода импульсов в бандаже, свободном от напряжений до посадки на колесный центр.

   Теоретическая и практическая значимость

   5. 4. 1. Выработан подход к контролю натяга и остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес с использованием явления акустоупругости, основанный на разности времен пробега поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией, распространяющихся по одному лучу в направлении толщины бандажа.

         2. Рассчитана теоретически и подтверждена экспериментально неравномерность остаточных напряжений по толщине бандажа и по окружности колеса.

         3. Методика контроля остаточных напряжений и натяга бандажей на центрах локомотивных колес испытана в локомотивных депо Киевская, Агрыз, Зуевка, на заводе «Уральские локомотивы» г. Верхняя Пышма, используется в учебном процессе подготовки студентов ИжГТУ по направлению 200100, при выполнении курсового и дипломного проектирования, а также в научно-исследовательской работе.

         Положения, выносимые на защиту

         5. 4. 3. 1. Результаты численного моделирования формирования остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес после натяга и термического упрочнения.

                  2. Результаты теоретической и экспериментальной оценки неравномерности распределения остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес по толщине и по окружности с применением явления акустоупругости.

                  3. Результаты оценки натяга бандажей локомотивных колес по уровню остаточных напряжений, заключающиеся в измерении разности скоростей поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией с учетом коэффициента акустоупругости.

                  4. Результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после их упрочнения методом электроконтактной наварки.

                  5. Методика оценки натяга бандажей локомотивных колес по найденным критериям с учетом остаточных напряжений и факторов, влияющих на чувствительность и погрешность измерений.

                  Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: IX выставке- сессии инновационных проектов (г. Ижевск, 15-16 апреля 2010 г.); VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение (г. Екатеринбург, 2010 г.); Научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики (г. Улан-Удэ, 19-22 июля 2010 г.); Выставке-сессии инновационных проектов второго Республиканского инновационного форума (г. Ижевск, 23 - 24 ноября

                  5. 4. 3. 5. 1. г.); VI Всероссийской научно-технической конференции научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15 - 18 марта

                              2. г.); Республиканской выставке-сессии инновационных проектов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14 - 19 апреля 2011 г.); XXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля» (г. Екатеринбург, 16 - 18 мая 2011 г.); XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 6-8 сентября 2011 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15 - 17 ноября 2011 г.); II Всеросс. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14 - 16 мая 2012 г.); Международная конференция «Электрон-фононные и спиновые воздействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах» (г. Туапсе, 10 - 17 сентября 2012 г.); VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (г. Ижевск, 14 - 16 ноября

                              3. г.).

                              Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получен один патент на полезную модель.

                              Личный вклад автора. Результаты численных и экспериментальных исследований, модели и методики, представленные в диссертации, получены автором лично, с использованием экспериментальной установки разработанной на кафедре «Приборы и методы контроля качества». Выбор приоритетов, направлений и методов исследований и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнено при активном участии научного руководителя.

                              Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 138 наименований, 2 приложений. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 18 таблиц.

                              Похожие диссертации на Обоснование метода контроля натяга бандажей локомотивных колес с использованием явления акустоупругости

                              Теоретическое и экспериментальное обоснование и разработка способов определения количественных и качественных параметров калийных руд и продуктов их обогащения на основе ядерно-физических методовВишняков, Эдуард Хамидович

                              

                              Метод контроля загрязнения придорожных сельскохозяйственных земель отработавшими газами двигателей внутреннего сгоранияГорюнова Екатерина Александровна

                              Разработка экспресс-метода контроля разрушения композитов для экспертной оценки и прогноза ресурса долговечности при различных режимах нагруженияЧерникова, Татьяна Макаровна

                              

                              Развитие теории и совершенствование методов контроля в технологии магнитной сепарации различных средСандуляк Анна Александровна

                              

                              Совершенствование методов контроля и количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики Филенков Виктор Валерьевич

                              

                              МЕТОД КОНТРОЛЯ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПАРАМЕТРАМ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫДаниленко Виктор Сергеевич

                              Усовершенствование оптического метода контроля концентрации капельной фазы серной кислоты на основе применения сепаратораДавыдов, Юрий Федорович

                              Автоматизированный метод контроля состояния трубопроводов на основе кластерного анализа акустического отклика на импульсные воздействияСеров, Виктор Владимирович

                              

                              Интерполяционный метод контроля линейных перемещений для растровых фотоэлектрических преобразователейСучкова Лариса Иннокентьевна

                              

                              Термоэлектрический метод контроля теплофизических свойств твёрдых материаловГринюк, Александр Владимирович