CC BY
20
7. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2005. - С. 26 - 34.
8. Пат. 2547947 Российская Федерация, МКП G 01 M 15/00, G 01 M 17/10. Способ диагностики технического состояния роторных агрегатов [Текст] / Костюков В. Н., Костюков А. В., Казарин Д. В., Зайцев А. В.; заявитель и патентообладатель ООО НПЦ «Динамика». - № 2014100085/11; заявл. 03.03.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл. № 10.
9. Зайцев, А. В. Повышение достоверности вибродиагностирования роторных агрегатов [Текст] / А. В. Зайцев, А. В. Костюков, Д. В. Казарин // Тезисы докладов XX всерос. науч.-техн. конф. по неразрушающему контролю и технической диагностике. - М.: Спектр, 2014. -С. 355 - 357.
References
1. Kostyukov V. N. Study of vibration rolling bearing assemblies when changing speed [Issle-dovanie vibratsii podshipnikovyih uzlov podvizhnogo sostava pri izmenenii chastotyi vrascheniya]. Materialy vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Ekspluatatsionnaia nadezhnost' loko-motivnogo parka i povyshenie effektivnosti tiagi poezdov» (Proceedings of the scientific-technical conference «The operational reliability of the locomotive fleet and improving the efficiency of traction trains»). - Omsk, 2012, pp. 92 - 97.
2. Zaitsev A. V. Study of the dependence of vibration parameters bearing on the rotation speed [Issledovanie zavisimosti velichinyi vibroparametrov podshipnika ot chastotyi vrascheniya]. Materialy regional'noi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Nauka, obrazovanie, biznes» (Materials of regional scientific-practical conference «Science, education and business»). - Omsk, 2013, pp. 110 -112.
3. Vedenyapin G. V. Obschaya metodika eksperimentalnyih issledovaniy i obrabotki opyitnyih dannyih (General Procedure for pilot studies and experimental data processing). Moscow: Kolos, 1973, 199 p.
4. Nadezhnost informatsionnyih sistem: uchebnoe posobie po distsipline dlya studentov vseh form obucheniya (Reliability of information systems: a manual on discipline for students of all study modes). Stavropol, 2013, 150 p.
5. Birger I. A. Tehnicheskaya diagnostika (Technical diagnostics). Moscow,1978, 240.p.
6. Fundamentalnyie problemyi teorii tochnosti (The fundamental problems of the theory of precision). Saint-Petersburg, 2001, 504 p.
7. Tehnicheskaya diagnostika. Terminyi i opredeleniya GOST 20911-89 (Technical diagnostics. Terms and Definitions, State Standart 20911-89). Moscow, 2005, pp. 26 - 34
8. Kostiukov V. N., Kostiukov A. V., Kazarin D. V., Zaitsev A. V. Patent RU2547947 G 01M 15/00, 10.04.2015.
9. Zaitsev A. V. Increasing the reliability of rotor units [Povyishenie dostovernosti vibrodiag-nostirovaniya rotornyih agregatov]. Tezisy dokladov XX Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii po nerazrushaiushchemu kontroliu i tekhnicheskoi diagnostike (Abstracts of the V All-Russian Scientific and Technical Conference on Non-Destructive Testing and Technical Diagnostics). - Moscow, 2014, pp. 355 - 357.
УДК 620.192.64: 543.423.1
А. А. Кузнецов, А. А. Рауба, В. В. Дюндин
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ АЭС СПЕКТРОМЕТРИИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ КОНТРОЛЕ ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
Работа посвящена исследованию связи изменения параметров спектрального излучения рельсовой стали, полученных методом атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) в среде аргона на эмиссионном спектрометре
№ 4(24) оли с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 39
2015 1
«Аргон-5СФ», с ее физико-механическими свойствами. Выполнен количественный анализ и построена многомерная градуировка с описанием спектральных линий, коррелирующих с изменением твердости стали. Полученные результаты могут быть использованы для расширения возможностей приборов атомно-эмиссионного спектрального анализа.
Для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте необходимо проводить систематическое диагностирование объектов подвижного состава и рельсового пути на наличие дефектов. Большое количество дефектов кристаллического строения в поверхностных слоях трущихся тел, а также повышение температуры контакта обусловливают интенсивное развитие диффузионных процессов, приводящих к изменению структуры, химического и фазового состава материалов [1].
Для решения задачи бесконтактной высокоскоростной диагностики технического состояния рельсового пути ранее были предложены методы лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС) экспрессного контроля состава и свойств конструкционных материалов и сварных соединений. При ЛИЭС-анализе для характеризации лазерной плазмы были рассчитаны температура и электронная плотность плазмы в различные моменты времени наблюдения для образцов рельсовой стали с различной твердостью. В результате проведенных исследований впервые была сопоставлена электронная плотность плазмы и твердость рельсовой стали для возможности экспрессного внелабораторного зондирования ее механических свойств [2].
Исследования по оценке структурных параметров стали методом атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) уже проводились ранее [3]. Авторы экспериментально исследовали влияние структуры стали 25Л и параметров источника спектра на результаты спектрального анализа. В результате работы была установлена зависимость между средним размером зерна литейной стали и измеряемыми параметрами атомно-эмиссионного спектра.
Целью данной работы является установление взаимосвязи между изменениями параметров спектрального излучения и физико-механическими свойствами рельсовой стали. Для экспериментальных исследований были подготовлены образцы из темплета рельса, бывшего в эксплуатации (рисунок 1).
С целью достижения существенного различия по твердости несколько образцов подвергались дополнительно термообработке. Результаты измерения твердости образцов рельсовой стали приведены в таблице 1.
А Г01 02 03
7 2 3 •
1 4 г,--
5
6
7
8
___^иг 9
10
11
12
13
Рисунок 1 - Нумерация образцов, вырезанных из темплета рельса Р65
Таблица 1 - Твердость образцов темплета железнодорожного рельса
Номер образца 13 1 5 03 8 11
Твердость, НВ 309 336 337 343 357 686
Атомно-эмиссионный спектральный анализ позволяет получить информацию о качественном и количественном составе исследуемого образца. Искровые спектрометры работают на физических принципах атомной эмиссии, основанных на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов и в лазерной искре. Электроны свободных атомов возбуждаются до определенного энергетического состояния, в результате этого возникает электромагнитное излучение, которое регистрируется и в дальнейшем используется для анализа материалов. Результаты определения концентрации химических элементов в рельсовой стали приведены в таблице 2.
40 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(24) 2015
=
При проведении спектрального анализа рельсовой стали погрешности измерений количественного состава основных и легирующих элементов не превысили требований нормативных документов [4].
Таблица 2 - Определение концентрации химических элементов рельсовой стали
Хим. эл-т Концентрация хим. элементов в образцах темплета рельса,%
нормальный режим слабый режим
03 1 5 8 11 13 03с 1с 5с 8с 11с 13с
С 0,91 0,91 0,83 0,84 0,91 0,92 0,87 0,86 0,85 0,84 0,91 0,92
Mn 0,91 0,91 0,89 0,90 0,89 0,89 0,89 0,90 0,88 0,88 0,90 0,89
Si 0,30 0,31 0,30 0,30 0,31 0,30 0,30 0,31 0,31 0,30 0,32 0,31
Л1 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,03 0,02
Сг 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04
Си 0,09 0,10 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,10 0,09
м 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,04 0,04 0,03 0,05 0,04
Для выявления зависимости между физико-механическими свойствами образцов рельсовой стали и параметрами спектрального излучения регистрация спектров осуществлялась в нормальном режиме (обжиг - 10 с, экспозиция - 10 с) и в слабом (обжиг - 2 с, экспозиция -10 с) при помощи спектрометра типа «Аргон-5СФ». По предположению авторов, в слабом режиме на результаты измерений должны оказать влияние изменения в структуре образцов.
Влияние структуры в большой степени зависит от времени предварительного обыскри-вания. Эта закономерность отчетливо наблюдается при анализе простых и сложнолегирован-ных марок стали, чугунов, а также других цветных сплавов. Характерно, что при определении разных элементов в сплавах одного типа длительность предварительного обыскривания сказывается по-разному. Влияние структуры выражается как в смещении, так и в изменении угла наклона градуировочных кривых для образцов с различными видами термической обработки или технологии изготовления [5].
При исследовании спектров образцов рельсовой стали с различной структурой был отмечен ряд спектральных линий, имеющих изменения интенсивностей относительно интен-сивностей линий сравнения. Интенсивность спектральных линий, чувствительных к изменению структуры, представлены в таблице 3.
Интенсивности излучения спектральных линий описываются зависимостью вида:
/ ) • еМ-Кд / кТ), (1)
где Aqp - эйнштейновский коэффициент спонтанного излучения перехода h - постоянная Планка; vqp - частота излучения; па - число атомов в возбужденном состоянии; gq - статистический вес состояния q; Eq - энергия возбуждения атома; Ш - показатель температуры плазмы.
В таблице 3 приведены спектральные линии, имеющие различные потенциалы возбуждения, а следовательно, по-разному реагирующие на изменение структуры при одинаковом химическом составе образцов. Такие линии имеют различную работу выхода из твердой фазы в плазму, что сказывается на изменениях их интенсивностей.
Для устранения возможных флуктуаций измеряемых параметров следует ввести в рассмотрение спектральные линии, интенсивность которых не изменяется в условиях различных физико-механических свойств. Такие линии должны быть гомологичными и должны иметь близкие по значению энергетические параметры. В качестве таких линий более всего подходят линии основы (железа), которые можно выбрать из перечня реперных линий методики выполнения измерений.
№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 41
2015 1
Таблица 3 - Параметры линий, чувствительных к изменению структуры
Длина волны, нм Элемент Измерение Интенсивность I, а.е.
№11 №13 №8
293,31 Мп 1 2 Среднее 2623306 2721937 2672622 2808435 2875592 2842014 2848070 2924649 2886362
322,78 Ев 1 2 Среднее 4525707 4764676 4645192 4957029 4850534 4903782 4906761 4846902 4876832
382,07 Ев 1 2 Среднее 5387895 5516381 5452138 5787765 5464289 5626027 5731152 5340470 5535811
На рисунках 2 и 3 представлены графики интенсивности спектральных линий железа образцов № 11 и 13. Данные образцы существенно отличаются друг от друга по твердости, что сказывается на изменениях интенсивности указанных спектральных линий.
5 000 000 а.е 4 600000 4 400 000 4200 ООО 4 000 ООО 5500 ООО 3 600 000 3 400 000 3200 ООО 3 000 000 2800 ООО 2600 ООО 2 400 000 2200000 2 000 000 1 300 ООО 1 600 000 1 400 000 1 200 ООО 1 ООО 000 800000 600 000 400 ООО 200 000
Ре Л
322,78 ¡7
! !
\
1
322.6 322,65 322,7 322,75 322,6 322,65 322,9 322,05 Длина ВОЛНЫ-
323 323,05 323,1
Рисунок 2 - Интенсивность чувствительной спектральной линии Ев 322,78 нм
Для нахождения зависимости между измеряемыми параметрами спектральных линий и твердостью образцов рельсовой стали предложена функция, включающая в себя параметры, реагирующие на изменение структуры. Вид функции обоснован в работе [6], а ее параметры, учитывающие особенности структуры материала, подобранные в результате эксперимента, представлены в выражении:
у = а ■ + а 2 ■ !ре + а 3 • 1ре
Ь1 • Л + Ь2 •12 + Ь3 •13
(2)
где 1Мп - интенсивность спектральной линии Мп с длиной волны 293,31 нм; 1рв -интенсивность спектральной линии Ев с длиной волны 322,78 нм; 1рв - интенсивность спектральной линии Ев с длиной волны 382,07 нм; ¡1, ¡2, 13 - интенсивности стабильных линий сравнения Ев 227,99 нм, Ев 392,29 нм, Ев 292,66 нм; а1, а2, а3 - весовые коэффициенты чувствительных линий; Ъ]_, Ъ2, Ъ3 - весовые коэффициенты стабильных линий.
Весовые коэффициенты а1, а2, а3, Ъ1, Ъ2, Ъ3 определяются нелинейным методом обобщенного понижающего градиента при условии максимума коэффициента детерминации (Я ^1).
42 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(24) 2015
= _
Значения функции и соответствующие им значения твердости образцов представлены в таблице 4, а значения весовых коэффициентов - в таблице 5.
а.е. 750 000 700 000 650 000 600 000 550 000 500 000 450 ООО 400 000 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0
Ре
392,29 /\
\\
Л
-"--———
392,15 392,2 392,25 392,3 392.35 392,4 нм 392,5
Длина волны -^^
Рисунок 3 - Интенсивность стабильной спектральной линии Ев 392,29 нм Таблица 4 - Значения функции Е
Образцы №11 №8 №13
Функция Е Твердость НВ -5,580 686 -5,777 357 -5,806 309
Таблица 5 - Значения весовых коэффициентов
ах а2 а3 Ъ2 Ъэ Я2
0,4721 -0,6235 -1,0000 0,2799 -0,4239 0,3096 1,00
Рисунок 4 - График зависимости функции Е от твердости образцов рельсовой стали
На рисунке 4 представлен график зависимости между твердостью рельсовой стали и функцией, зависящей от параметров спектрального излучения.
Проведенные исследования подтверждают наличие зависимости между физико-механическими свойствами рельсовой стали и параметрами спектрального излучения. Полу-
№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 43
2015 1
ченные данные могут быть использованы для расширения возможностей приборов атомно-эмиссионного спектрального анализа, что позволит проводить не только многопараметро-вый анализ рельсовых сталей по химическому составу, но и давать оценку твердости материалов при контроле рельсового пути на железнодорожном транспорте.
Список литературы
1. Бернштейн, М. Л. Металловедение и термическая обработка стали: справ. изд. в 3 т. Методы испытаний и исследования [Текст] / М. Л. Бернштейн, А. Г. Рахштадт. - М.: Металлургия, 1983. - Т. 1. - 352 с.
2. Использование лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии для оценки прочностных свойств сварных стыков рельсового пути [Текст] / А. М. Попов, С. М. Зайцев и др.// Труды третьей науч.-техн. конф. с междунар. участием «Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте. Компьютерное и математическое моделирование ИСУЖТ-2014» / ОАО НИИАС. - М., 2014. - С. 119 - 122.
3. Глазырин, А. В. Оценка структурных параметров стали методом атомно-эмиссионной спектроскопии [Текст] /А. В. Глазырин, А. А. Кузнецов //Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск. - 2012. - № 3 (113). - С. 253 - 258.
4. ГОСТ Р 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2001. - 26 с.
5. Буравлев, Ю. М. Основы атомно-эмиссионного спектрального анализа [Текст] / Ю. М. Буравлев / Донецкий нац. ун-т. - Донецк, 2001. - 254 с.
6. Кузнецов, А. А. Способ достижения инвариантности градуировочных графиков при определении количественного состава металлов и сплавов автоматизированными системами АЭСА [Текст] / А. А. Кузнецов, О. Б. Мешкова, Д. Е. Зачатейский // Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск. - 2010. - № 2 (30). - С. 169 - 172.
References
1. Bernstein M. L., Rahshtadt A. G. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka stali. Metod yispytanij i issledovaniya [Metallurgy and heat treatment of steel. Methods of testing and research]. Moscow: Metallurgy, 1983. V. 1. 352p.
2.Popov A. M., Zaytsev S. M., Labutin T. A., Zorov N. B. Dyundin V. V., Kuznetsov A. A. Using laser-induced breakdown spectroscopy to assess the strength properties of welded joints of track [Ispol'zovanie lazerno-iskrovoj ehmissionnoj spektrometrii dlya ocenki prochnostnyh svojstv svarnyh stykov rel'sovogo puti].Trudy tret'ejnauch.-tekhn.konf. smezhdunar. uchastiem «Intel-lektual'nye sistemy upravleniya na zheleznodorozhnom transporte. Komp'yuternoe i matematich-eskoe modelirovanie ISUZHT-2014» (Proceedings of the Third scientific and engineering. conference with international participation «Intelligent control systems for rail transport. Computer and mathematical modeling ISUZHT 2014»). - Moscow, 2014, pp. 119 - 122.
3. Glazyrin A. V. Estimation of structural parameters of steel by atomic emission spectroscopy [Ocenka strukturnyh parametrov stali metodom atomno-ehmissionnoj spektroskopii]. Omskij nauchnyj vestnik - Omsk Scientific Bulletin, 2012, pp. 253 - 258.
4. GOST R 51685-2000. Railway rails. General specifications [Rel'sy zheleznodorozhnye. Ob-shchie tekhnicheskie usloviya]. Moscow. 2001, 26 p.
5. Buravlev Y. M. Osnovy atomno-ehmissionnogo spektral'nogo analiza [Fundamentals of atomic-emission spectral analysis]. Donetsk: DonNU. 2001, 254 p.
6. Kuznetsov A. A. Method of achieving the invariance of calibration curves in the determination of the quantitative composition of metals and alloys automated systems AESA [Sposob dosti-zheniya invariantnosti graduirovochnyh grafikov pri opredelenii kolichestvennogo sostava metallov i splavov avtomatizirovannymi sistemami AEHSA]. Omskij nauchny jvestnik - Omsk Scientific Bulletin,, 2010, pp. 169 - 172.
44 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(24) 2015
= _
