Содержание к диссертации
Введение 4
1 Расположение объекта контроля в соленоиде 15
-
Критерии, необходимые для обоснования положения объекта контроля в соленоиде 16
-
Математическая модель магнитного поля кругового тока 21
-
Математическая модель магнитного поля соленоида с постоянным током 29
-
Обоснование расположения объекта контроля в поле соленоида как потенциально возможном при магнитопорошковом контроле 34
-
Анализ на основе первого критерия 34
-
Анализ на основе второго критерия 37
-
Анализ на основе третьего критерия 38
-
Вывод 42
1.5 Обоснование расположения в соленоиде объекта контроля с учетом
его ферромагнитных свойств 42
-
Зависимость магнитной индукции материала оси колесной пары вагона от напряженности внешнего поля 46
-
Анализ расположения объекта контроля в соленоиде 47
-
Вывод 51
1.6 Вывод по главе 1 51
2 Формирование индикаторного рисунка при магнитопорошковом кон
троле 52
-
Критерии, необходимые для обоснования возможности контроля способом приложенного поля и способом остаточной намагниченности 54
-
Исследование динамики ферромагнитной частицы в магнитном поле рассеяния трещины 54
-
Приближенная модель магнитного поля детали цилиндрической формы 57
-
Исследование магнитных характеристик материала объекта контроля и их аппроксимация 62
-
Силы, действующие на ферромагнитную частицу в магнитном поле 72
-
Динамика ферромагнитной частицы в магнитном поле трещины.... 73
-
Магнитное поле трещины (внешнее поле отсутствует) 74
-
Магнитопорошковый контроль способом остаточной намагниченности 78
2.2.4.3 Магнитопорошковый контроль способом приложенного поля .... 83
2.3 Вывод по главе 2 86
3 Режимы магнитопорошкового контроля колесной пары 87
3.1 Экспериментальная проверка режимов контроля 88
4 Пути и средства автоматизации магнитопорошкового контроля оси
колесной пары вагона 93
4.1 Автоматизированная установка магнитопорошкового контроля оси
колесной пары вагона 93
-
Намагничивающие устройства 95
-
Механическая часть 97
-
Сканер средней части оси колесной пары 98
-
Сканер шеек оси колесной пары 99
-
Устройство для вращения колесной пары 100
-
Устройство нанесения магнитного порошка 101
-
Видеосистема 106
4.2 Вывод по главе 4 106
5 Технико-экономическое обоснование 108
Заключение 112
Библиографический список 113
Введение к работе
Колесо - одно из великих изобретений человечества - в системе транспорта занимало и занимает почетное место. Многократно уменьшая работу, затрачиваемую на преодоление пространства, колесо служит превосходным посредником во взаимных отношениях человека и тяготения Земли. Весь железнодорожный транспорт России использует именно такой способ передвижения.
Два спаренных стальных колеса особой формы, разнесенные на определенное расстояние и связанные стальной осью, именуются колесной парой. Входя в качестве узла в конструкцию вагона или локомотива, колесная пара подвержена воздействию многотонной нагрузки различного характера и направления. Будь то знакопеременные вертикальные нагрузки при колебаниях галопирования, либо боковые нагрузки при прохождении кривых малого радиуса, являясь единственным связующим звеном с рельсовым путем, колесная пара воспринимает их все. Много трудностей доставляет и географическое расположение железнодорожных магистралей в Российской Федерации. Необходимость круглогодичного транспортного сообщения Центральной части России, Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, Приморья создает весьма разнообразные и суровые условия эксплуатации. Низкие температуры делают металл хрупким, агрессивные для стальных конструкций среды приводят к образованию коррозии. Таким образом, даже весьма общий подход к анализу важности колесной пары как узла вагона и условий ее эксплуатации подтверждает необходимость высокой степени внимания к ее техническому состоянию.
Множество факторов могут стать причиной разрушения материала. Некоторые закладываются еще в процессе производства, как-то флокены, термические и водородные трещины, газовая пористость, раковина, иные возникают при эксплуатации. Важно, что часто деталь, являясь дефектной, в один момент не выходит из строя. Процесс разрушения начинается, когда размер области с нарушенной сплошностью превысит некоторую критическую величину. Это будет зависеть и от механических свойств материала, из которого изготовлена деталь, и от действующей нагрузки.
Существует некоторый интервал времени между зарождением причины разрушения и самим разрушением. Величину и границы такого интервала спрогнозировать сложно из-за участия в процессе множества случайных факторов. Однако его наличие дает возможность выявить поврежденную деталь до разрушения.
Известен ряд методов и средств, позволяющих обнаружить отклонение структуры материала от нормы, не разрушая сам объект. Они сведены в самостоятельное направление науки - неразрушающий контроль. Неразру-шающий контроль состоит из множества методов, разделенных по физическим признакам на следующие виды [ГОСТ 18353-79]:
Акустический;
Магнитный;
Электрический;
Электромагнитный;
Радиоволновый;
Визуально-измерительный;
Тепловой;
Радиационный;
Контроль проникающими веществами.
Для отдельной детали, в зависимости от ее габаритов, формы, свойств материала, из которого она изготовлена, условий окружающей среды при диагностике и так далее, подбирается один или несколько методов контроля, позволяющих дать оценку технического состояния. Ось колесной пары вагона проверяется четырьмя методами:
Визуально-измерительный;
Эхо-импульсный (акустический вид);
Зеркально-теневой (акустический вид);
Магнитопорошковый (магнитный вид).
Перечисленные методы друг друга взаимно не исключают. Каждый из них предназначен для решения самостоятельной задачи при проведении контроля и заслуживает отдельного внимания. Однако в рамках работы подробно рассматривается только магнитопорошковый метод.
Состояние вопроса
Исследования в области неразрушающего контроля магнитопорошко-вым методом были начаты довольно давно. Ими занимались и занимаются в настоящее время многие ученые и инженеры, как в России, так и в других странах мира. Физическая основа метода, определяя область применения, зачастую является причиной наиболее интенсивного его развития в регионах, занятых в металлургической промышленности, машиностроении, авиастроении.
Первый патент на контроль одним из магнитных методов был взят в Америке Рейдером в 1886 г. Это был метод определения содержания углерода в стали путем измерения ее магнитной проницаемости. В 1919 году В. Ху- ком был запатентован метод магнитных частиц для контроля артиллерийских стволов. В 1929 году де Форестом в США был заявлен патент на применение магнитного порошка для выявления дефектов [27]. Первое руководство по применению магнитопорошкового метода в промышленности (магнафлокс) вышло в 1939 году. В 1946 году на Урале Р. И. Янус выпустил в свет первую монографию по магнитной дефектоскопии [19], в которой обобщил многолетний опыт исследований в этой области науки.
Исследования в области магнитопорошковой дефектоскопии продолжили многие другие ученые, применяя метод в различных отраслях народного хозяйства. Перечислить всех - задача весьма затруднительная, упомянем лишь некоторых: Н. И. Еремин [29], [30], [31], А. В. Жигадло [32], А. Г. Александров [3], [4], [5], П. А. Халилеев [5], В. Е. Щербинин [8], Э. С. Гор-кунов [8], Г. С. Шелихов [2], [4] и др.
Развитие магнитопорошкового контроля, как и любого другого магнитного метода, в своей основе определялось достижениями ученых в описании физики ферромагнетизма. Первым теоретическое объяснение намагничиванию ферромагнетика дал в 1907 году Вейсс [33], предположив существование магнитных доменов. В 1919 году Баркгаузен обнаружил скачкообразное изменение намагниченности [34] (ставшее причиной ряда заблуждений о размерах домена). Первым домен в микроскоп увидел Биттер (1932 г.), хотя и не решился делать выводы о его форме из-за существующего на тот момент времени мнения о малости размеров домена [35]. И только в 1935 году Ландау и Лифшец дали теоретическое объяснение доменной структуры ферромагнетика и правильно описали форму домена [24]. В 1949 году теоретические исследования Ландау и Лифшица были подтверждены экспериментально. Работа выполнялась в лаборатории фирмы «Белл» Уильямсом, Бо-зортом и Шокли [36]. При этом применялся метод порошковых фигур, по технологии схожий с магнитопорошковым контролем.
Актуальность вопроса ферромагнетизма определила весьма активное развитие физики в этом направлении. Отметим лишь малую долю ученых, внесших вклад в современное понимание ферромагнитных явлений: М. А. Розенблат [37], [38]; С, В. Вонсовский [39], [40]; К. М. Поливанов [41], [42]; У. Ф. Браун [43]; Р. Уайт [44]; Л. Р. Нейман [50]; И. И. Кифер [14], Р. Бозорт [45]; Б. М. Яновский [10]; В. Г. Барьяхтар [47], [48]; С. Тикадзуми [49] и многие другие.
Распространению магнитопорошкового контроля на железнодорожном транспорте способствовало удовлетворительное сочетание требований, предъявляемых к качеству контроля, и физических характеристик самого ме- тода. Существенными преимуществами являются наглядная картина индикации и высокая чувствительность. Большое количество способов создать магнитное поле, возможность изменения его физических параметров (напряженность, пространственная ориентация), отсутствие необходимости применения конструктивно сложных и дорогих устройств, относительно легкая «при-спосабливаемость» метода к внешним условиям создали неплохую репутацию магнитопорошковому методу неразрушающего контроля.
В настоящее время на железной дороге для проведения магнитопорош-кового контроля деталей и узлов грузовых и пассажирских вагонов разработан ВНИИЖТом и утвержден департаментами вагонного хозяйства и пассажирских сообщений руководящий документ РД 32.159-2000. В соответствии с требованиями данного документа контроль колесной пары вагона надлежит выполнять следующим образом. На оси колесной пары в сборе способом приложенного поля проверяются шейки, предподступичные и средняя части. При этом значение напряженности магнитного поля па поверхности детали должно быть не менее 20 А/см. Для контроля предписано применять дефектоскопы типа МД-12ПШ или МД-12ПЭ, установки серии Р8617 или МД-14ПКМ, МД-13ПР или МД-12ПС. Средняя часть оси колесной пары в сборе может проверяться двумя типами намагничивающих устройств: седлообразным и разъемным, соответственно им применяют в качестве индикаторов магнитную суспензию или порошок. Соленоид сканирует ось, намагничивая ее поверхность. При этом в зону достаточной намагниченности наносится индикатор, соответствующий типу примененного соленоида, и осматривается контролируемая поверхность. По окончании осмотра контролируемой поверхности ось поворачивается. Размагничивание производится удалением включенного соленоида от ступицы колеса к центру средней части и отключением его в случае применения седлообразного соленоида на расстоянии 0,3 - 0,5 м от оси, а в случае применения разъемного соленоида - на самой оси. Для контроля шейки и пред под ступичной части применяются неразъемные соленоиды дефектоскопов МД-12ПШ или МД-12ПЭ. При этом на вращающуюся поверхность, находящуюся под воздействием магнитного поля соленоида, наносится суспензия и по сформировавшемуся рисунку делается заключение о наличии или отсутствии дефекта. Шейка и предподступичиая часть размагничиваются удалением соленоида на 0,5 м от торца шейки оси с последующим его отключением. На оси колесной пары в свободном состоянии способом приложенного поля проверяется вся поверхность, при этом минимальная напряженность должна составлять 20 А/см. Контроль ведется дефектоскопами типа МД-12ПЭ или МД-12ПС. Соленоид дефектоскопа, сканируя вращающуюся ось, намагничивает ее поверхность. Одновременно в зону достаточной намагниченности наносится индикатор (магнитная суспензия) и анализируется полученный рисунок. Для размагничивания соленоид включается над подступичиой частью и медленно отводится на расстояние не менее 0,5 м от торца шейки оси, где и выключается.
Магиитопорошковый контроль возможен только при тщательном выполнении операций или переходов технологического процесса. Кроме этого, должны соблюдаться требования к размерам и качеству частиц магнитного индикатора, расположению объекта контроля по отношению к намагничивающему полю, параметрам электрического тока в намагничивающем устройстве и т. д.
Деповская штатная технология магнитолорошкового контроля является в основном «ручной», она, а также оборудование и оснастка ее не совершенствуются на протяжении 40 и более лет. Временные затраты на контроль велики, низка производительность. Например, о затрачиваемом времени на магиитопорошковый контроль колесной пары можно судить по анализу статистического материала, собранного в вагонных и локомотивных депо Омского узла Западно-Сибирской железной дороги (рис. 1, 2).
Контроль без межоперационного и подготовительного ручного труда
Контроль ручной ВЧДнЛВЧД
Контроль ручной ТЧ
Временные интервалы
Т ср = 6,5 мин. Т = 14,3 3 мин с = 4,6 мин.
Тср =35,2 мин. о = 4,8 мин.
Рис. 1. Гистограммы времени магнитопорошкового контроля средней части оси колесной пары
Контроль без межоперациоиного и подготовительного ручного труда
Консоль ручной ТЧ
Временные интервалы
Контроль ручной ВЧДиЛВЧД
ТС1] = 8,2 мин.
Тср =10,1 мин. (т = 0,79 мин.
Тср = 11Дмнн. 0 = 0,63 мин.
Рис. 2. Гистограммы времени магнитопорошкового контроля шеек оси колесной пары
Из графиков видно, что среднее время на контроль средней части вагонной оси составляет 14,33 минуты с средним квадратическим отклонением а = 4,6 минуты и шеек оси соответственно 10,1 и 0,79 минут, что превышает установленные нормативы (11,2 для средней части оси и 8,7 - для шеек) на 30 % и 16 % соответственно. Особенно острой проблема излишних затрат времени стоит в в агонно-колесных мастерских (ВКМ), например, в ВКМ ст. Иртышское ОАО «РЖД» с программой выпуска колесных пар 50 тыс. штук в год.
Анализ технологического процесса на данном ВКМ показывает, что магнитопорошковый контроль колесной пары на отдельном рабочем месте должен быть выполнен за 8,5 минут, не более, что потребует повышение производительности такого контроля по сравнению со штатной существующей технологией контроля в 3 раза, а с учетом разброса - в 4 раза. Кроме того, необходимо учесть характер труда дефектоскоп иста: помимо ручных монотонных манипуляций он требует напряженного внимания, ответственности в принимаемых решениях и добросовестного выполнения всех технологических переходов. Вполне очевидно, что у дефектоскописта накапливается усталость и вероятность влияния субъективного фактора увеличивается - падает достоверность контроля. Поэтому повышение производительности кон- троля с обеспечением сохранения существующего уровня достоверности является проблемой актуальной, и ее решение возможно лишь путем автоматизации магнитопорошкового контроля в условиях депо и ВКМ. Известно, что полная автоматизация магнитопорошкового контроля невозможна. Участие человека в нем предопределено сутью метода. Однако представляется возможным устранение ручных манипуляций, их можно отдать автоматам, а аналитическую часть контроля - человеку.
Целью работы является разработка способов повышения производительности магнитопорошкового контроля колесной пары железнодорожного вагона на базе штатного оборудования при сохранении существующего уровня достоверности.
Анализ путей автоматизации МПК оси колесной пары показал, что для достижения поставленной цели исследованию должны быть подвергнуты следующие параметры, определяющие режимы контроля:
