Введение к работе
Актуальность работы. Обод цельнокатаного железнодорожного колеса является наиболее ответственным элементом, воспринимающим нагрузки от вагона и взаимодействующим с рельсом. Надежность этого элемента определяется не только качеством металла, его прочностью, но и остаточными напряжениями.
Внутренние напряжения в ободе колеса формируются при изготовлении и перераспределяются вследствие значительных ударных и циклических нагрузок. Высокий уровень технологических остаточных напряжений совместно с эксплуатационными факторами приводят, при наличии концентраторов напряжений, к зарождению и ускоренному росту трещин.
Таким образом, необходимым условием повышения безопасности движения на железной дороге является контроль остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес как на предприятиях- изготовителях, так и на вагоноремонтных заводах (депо), осуществляющих плановые работы по техническому обслуживанию подвижного состава.
Перспективный вариант оценки напряженного состояния связан с эффектом акустоупругости, который заключается в установленной зависимости упругих свойств материала от величины напряженного состояния. В связи с этим разработка способов, алгоритмов и устройств для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес является актуальной научно-технической задачей.
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-1-12 в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».
Степень разработанности темы. Значительный вклад в изучение общих вопросов теории и практики акустоупругости внесли сотрудники ИЭС НАН Украины под руководством Гузя А.Н. В работах Бобренко В.М. рассматривается решение задач по созданию ультразвуковых методов и аппаратуры контроля механических напряжений в элементах металлоконструкций. Значимыми для практической реализации акустической тензометрии являются исследования Никитиной Н.Е. (ИПМ Нижегородского НЦ РАН), направленные на разработку методов контроля напряженного состояния в металлоконструкциях и деталях машин, в том числе в ободьях цельнокатаных колес. Работы Муравьева В.В. посвящены исследованию влияния структурного и напряженно-деформированного состояния металлов на скорость распространения ультразвуковых волн. Под руководством Горкунова Э.С. (ИМАШ УрО РАН) развивается научное направление по определению напряженно-деформированного состояния металлопроката, деталей машин и механизмов магнитными методами контроля. Исследованиями закономерностей изменения коэрцитивной силы ферромагнитных сталей при двухосной деформации занимается Захаров В.А (ФТИ УрО РАН).
В работах Шкарлета Ю.М., Сазонова Ю.И., Шубаева С.Н., Буденкова Г.А., Комарова В.А., Ильина И.В. рассмотрена связь параметров акустических колебаний и полей физических сил при электромагнитно-акустическом (ЭМА) преобразовании, порождающих эти колебания. Вопросами влияния конструктивных особенностей ЭМА преобразователей на эффективность их работы занимались Глухов Н.А.,
Маскаев А.Ф., Квятковская В.Н., Петров Ю.В., Малинка А.В., Аббакумов К.Е. Существенный вклад в развитие акустических методов контроля материалов и изделий с использованием ЭМА преобразования внесли Гуревич С.Ю., Ильясов Р.С, Буденков Б.А., Мужицкий В.Ф, Бабкин С.Э., Сучков Г.М.
Акустическая методика контроля остаточных напряжений в ободьях колес применяется в зарубежной практике, начиная с 90-х годов XX века, что отражено в работах западных исследователей: Schramm R. Е., Kristan J., Gordon J., Del Fabbro V,. Schneider E. Исследования и разработка средств контроля остаточных напряжений в ободьях колес ведутся в Петербургском государственном университете путей сообщения (руководитель Дымкин Г.Я.).
Цель работы. Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием электромагнитно-акустического преобразования и эффекта акустоупругости.
Цель работы соответствует следующим областям исследования по паспорту специальности 05.11.13: п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п.З. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»; п. 6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».
Задачи, решаемые в диссертации
1. Выбор и обоснование оптимальных параметров электроакустического тракта и конструкции ЭМА преобразователя сдвиговых волн, позволяющего реализовать метод многократных отражений при акустической тензометрии ободьев цельнокатаных колес.
2.Разработка способа определения коэффициента упругоакустической связи для колесных сталей.
3.Определение величины вклада акустической анизотропии, обусловленной структурой металла, при контроле напряженного состояния в ободьях цельнокатаных колес вагонов.
4.Разработка алгоритма выделения и обработки информативных параметров импульсов ультразвуковых сдвиговых волн для повышения точности методики контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.
5.Экспериментальное исследование распределения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием ЭМА преобразования совместно с методом многократных отражений и выработка рекомендаций к методике контроля.
Научная новизна диссертационной работы
1 .Создана модель возбуждения и приема сдвиговых ультразвуковых волн ЭМА преобразователем, объединяющая аналитические исследования основных закономерностей формирования акустического поля в зависимости от конструктивных параметров преобразователя с результатами аналитического расчета величины и характера распределения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля систем подмагничивания.
2.Впервые предложен алгоритм обработки и выделения информативных параметров, включающий анализ формы сигнала и времени распространения сдвиговых волн, позволяющий повысить точность результатов измерений при проведении контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.
3.Разработан способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием метода многократных отражений, позволяющего регистрировать изменение скорости сдвиговых волн с необходимой точностью.
4.Впервые экспериментально обнаружена неравномерность распределения остаточных напряжений в ободе колеса, заключающаяся в отличии величины контролируемых напряжений по окружности на одинаковом расстоянии от поверхности катания.
5.Научно обоснованы и экспериментально подтверждены рекомендации к проведению акустической тензометрии методом акустоупругости остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью ЭМА возбуждения и приема волн в совокупности с методом многократных отражений
Теоретическая и практическая значимость
Созданная модель электроакустического тракта накладных ЭМА преобразователей обладает теоретической значимостью для исследования чувствительности ЭМА метода возбуждения и приема ультразвуковых волн в зависимости от формы и размеров апертуры преобразователя, рабочей частоты, силы тока и количества витков в индукторе, величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.
Практической значимостью обладают разработанные конструкции ЭМА преобразователей сдвиговых волн, предназначенные для контроля крупногабаритных металлоизделий (подтверждено двумя патентами на полезную модель), и оценка вклада фактора акустической анизотропии в результаты контроля остаточных напряжений ободьев цельнокатаных колес.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при обосновании рекомендаций к проведению контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью ЭМА метода (подтверждено актом об использовании результатов ОАО «Выксунский металлургический завод»).
Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 200100.62 «Приборостроение» и магистров по направлению 200100.68-21 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (акт об использовании ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».
Объект исследования. Параметры распространения акустических волн в структурно неоднородных средах, характеризующихся напряженным состоянием.
Предмет исследования. Способы, алгоритмы и устройства для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений методом акустоупругости в ободьях цельнокатаных колес.
Методология и методы исследования. Методы исследования, использованные в настоящей работе, включали элементы теории упругости, акустики твердого тела, электромагнитного поля. Обработка акустических сигналов проводилась при помощи математического аппарата Фурье-преобразования и корреляционного анализа. Моделирование осуществлено на базе вычислительной техники с использованием пакетов программ Mathcad, Elcut, Matlab. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием ЭМА метода возбуждения и приема ультразвуковых волн, метода многократных отражений, включающего эхо-импульсный и эхо-сквозной методы, метода акустоупругости, металлографии.
Положения, выносимые на защиту
1. Модель электроакустического тракта сдвиговых волн при ЭМА преобразовании, объединяющая закономерности формирования акустического поля в зависимости от формы и размеров апертуры преобразователя, рабочей частоты, силы
тока в индукторе с результатами моделирования величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.
-
Алгоритм обработки и выделения информативных параметров, заключающийся в анализе формы регистрируемых импульсов сдвиговых волн с помощью функции взаимной корреляции, позволяющей определять разницу времен распространения сигналов, при проведении акустической тензометрии ободьев цельнокатаных вагонных колес.
-
Способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием ЭМА преобразования и метода многократных отражений.
4.Экспериментально выявленные закономерности распределения остаточных напряжений по толщине и окружности обода цельнокатаного вагонного колеса.
5.Рекомендации к реализации контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес, заключающиеся в использовании научно обоснованных рабочих параметров ЭМА преобразователя сдвиговых волн, алгоритма выделения и обработки информативных сигналов в совокупности с экспериментальными данными о вкладе акустической анизотропии в результаты контроля.
Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории акустоупругости, теории акустики твердого тела, теории упругости, теории электромагнитного поля, теории спектрального анализа сигналов; заданием корректных начальных условий при моделировании методом конечных элементов, проведением исследований на реальных объектах контроля в производственных условиях, согласованностью экспериментальных данных с результатами моделирования, воспроизводимостью экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всерос. НТК студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика» (г.Ижевск, 2010 г.); XVI Всерос. НК студентов-физиков и молодых ученых (г. Волгоград, 22-28 апреля 2010 г.); VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2010 г.); 10 Европейской конф. по неразрушающему контролю (г. Москва, 7-11 июня 2010 г.); VI Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2010 г.); XXV Уральской конф. «Физические методы неразрушающего контроля» (г. Екатеринбург, 16-18 мая 2011 г.); VI Всерос. НТК аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15-18 марта 2011 г.); ХГХ Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 6-8 сентября 2011 г.); VII Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15-17 ноября 2011 г.); II Всерос. НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерение, контроль и диагностика» (г. Ижевск, 14-16 мая 2012 г.); XIII Всерос. школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Верхняя Пышма, 7-14 ноября 2012 г.); VIII Всерос. НТК с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 14-16 ноября 2012 г.); XXVI Уральской конф. «Физические методы неразрушающего контроля»; II Международной конф. «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов» (с. Ольгинка, г. Туапсе , 23-30 сентября 2013 г.).
За успехи в научной деятельности и активное участие в общественной жизни ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени МЛ. Калашникова» автор удостоен стипендии Правительства РФ в 2012/2013 году.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 22 печатных работах, среди которых 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель и получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель.
Личный вклад автора. Модели, методики проведения исследований, алгоритмы, результаты численных и экспериментальных исследований, представленные в диссертации, получены автором лично. ЭМА преобразователи и экспериментальная установка, использованные при исследованиях, разработаны при активном участии автора. Постановка цели и задач исследований, определение методов их решения, интерпретация и анализ результатов выполнены совместно с научным руководителем. Вклад автора в совместных публикациях состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований, которые определяют основу диссертации и новизну полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Материал изложен на 144 страницах, включающих 55 рисунков и 6 таблиц. Список цитированной литературы содержит 114 наименований.
