CC BY
19
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ,
МЕТРОЛОГИЯ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
И СИСТЕМЫ
А. Н. ГОЛОВАШ Ю. С. ЩАПИН А. В, ШУШАРИН
Центр внедрения новой техники и технологий "Транспорт"
УДК 620.179.14
При проведении технического обслуживания или ремонта сложиых систем возникает задача обнаружения дефектов элементов системы и контроля над их развитием при эксплуатации. Оптимальным решением этой задачи является систематическое использование методов нераэру-шающего контроля.
Такой способ предотвращения нежелательных последствий эксплуатации изделий с дефектами применяется во многих отраслях народного хозяйства. Одной из отраслей, где систематическое использование методов нераэрушающего контроля имеет колоссальное значение, является железнодорожный транспорт.
Опытом эксплуатации установлено, что одним из наиболее критических узлов подвижного состава являются буксовые подшипники [1]. Поэтому особое внимание во время проведения планового ремонта колесных пар должно уделяться дефектоскопированию деталей подшипников.
Основная задача дефектоскопирования - это поиск отличий контролируемой детали от нормы, а именно:
- нарушений поверхности деталей (трещин, сколов, выбоин);
- нарушений геометрии поверхностей;
- внутренних дефектов (полостей, внутренних трещин, нарушений кристаллической решетки);
- изменений структуры материалов (наклепов).
Эффективность дефектоскопирования в основном определяется двумя факторами; уровнем механизации и автоматизации производства и квалификацией работников, Следовательно, повышать эффективность нераэрушающего контроля подшипников можно двумя путями, причем наиболее перспективным считается внедрение уст-
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИРОВАНИЯ БУКСОВЫХ ПОДШИПНИКОВ
В СТАТЬЕ ПРИВЕДЕНЫ С9ЕДЕНИЯ О РАЗРАБОТАННОМ УСТРОЙСТВЕ ДЕФЕКТОСКОПИРОВАНИЯ ДЛЯ БУКСОВЫХ ПОДШИПНИКОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ. УСТРОЙСТВО СОДЕРЖИТ СИСТЕМУ ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ. БЛОК СОПРЯЖЕНИЯ И ШТАТНЫЙ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР. ЭЛЕКТРОННЫЙ ДЕФЕКТОСКОП ПОЗВОЛЯЕТ ОБНАРУЖИВАТЬ ДЕФЕКТЫ НАРУЖНОГО КОЛЬЦА ПОДШИПНИКА И ОФОРМЛЯТЬ РЕЗУЛЬТАТЫ В ВИДЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОТЧЕТА (ПАСПОРТА). УСТРОЙСТВО ПОЗВОЛИТ ПОВЫСИТЬ БЕЗОПАСНОСТЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПЕРЕВОЗОК И АВТОМАТИЗИРОВАТЬ ПРОЦЕСС ИСПЫТАНИЙ.
ройств автоматизации процесса дефектоскопирования [2].
Существующие приборы дефектоскопирования деталей подшипников в большинстве случаев не могут заменить квалифицированного специалиста мэ-за низкой надежности их показаний. Это обусловпено нескопькими причинами:
- использование несовершенных методов неразрушающе г о контроля уменьшает принципиальную возможность обнаружения дефекта;
- использование аналоговых методов обработки сигналов, чувствительных к внешним помехам, существенно снижает достоверность показаний;
-отсутствие возможности изменения параметров дефектоскопирования уменьшает гибкость работы прибора.
Недостатки существующих приборов были учтены при разработке устройства для дефектоскопирования деталей подшипников (далее ЭДП). Поэтому в ЭДП внедрена цифровая обработка данных и используется более совершенный метод нераэрушающего контроля.
Традиционно в дефектоскопах поверхностей металлических изделий используются разновидности вихретоко-еого метода нераэрушающего контроля [3]. Часть таких приборов основана на измерении частоты колебательного контура генератора, индуктивность которого определяется индуктивностью накладного еихретокового преобразователя (ВТП). ВТП представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, торец которых поводится к поверхности контролируемого изделия. Любое существенное изменение структуры металла под датчиком ведет к изменению комплексного сопротивления катушки индуктивности, а значит, и к изменению частоты колебательно-
Рис. 1. Устройство дли вращения детали,
го контура. Таким образом, установив пороговое значение приращения частоты, можно говорить о наличии или отсутствии дефекта.
Немалая доля приборов вихретокового контроля построена на этом принципе. Однако такие приборы одинаково реагируют как на дефекты, так и на изменение зазора между датчиком и поверхностью изделия. Причина е том, что данный метод учитывает только изменение частоты колебательного контура и игнорирует его характер. Таким образом, пользуясь этим методом, невозможно отличить дефект от зазора и один вид дефекта от другого.
В разработанном устройстве использован более совершенный метод нераэрушающего контроля [4|, способный отличать изменение зазора от появления дефекта и в некоторых случаях различать виды дефектов. Этот метод предполагает использование колебательного контура с изменяемыми параметрами, что позволяет наблюдать за изменением частоты на разных участках спектра. Совместив и определенным образом обработав показания на нескольких частотах, можно с большой достоверностью отличать эаэор от дефекта.
В зависимости от вида дефектоскопируемой детали используют различные вихретоковые преобразователи. При дефектоскопировании наружного кольца подшипника наиболее эффективны накладные ВТП.
ВТП формируются в два блока датчиков для дефектос-копирования наружной и внутренней поверхностей детали, Каждый блок датчиков содержит четыре накладных ВТП, которые располагаются по периметру сечения кольца. Выбор количества ВТП обусловлен необходимостью перекрытия всего периметра кольца и соотношением диаметр ВТП I размер обнаруживаемого дефекта.
Дефектоскопирование всей поверхности кольца осуществляется при перемещении детали относительно неподвижных датчиков. Механическое перемещение детали реализуется с помощью сканера (рис. 1).
Сханер состоит из устройства для вращения детали, блоков датчиков и аппаратуры управления электроприводом. Перемещение детали относительно датчиков происходит эа счет вращения приводного ролика. Управление вращением осуществляется микроконтроллером. Контакт
Рис. 2. Структурная схема ЭДП.
датчиков с поверхностью детали реализован с помощью механизма прижима. Конструкция сканера имеет несколько модификаций и определяется конфигурацией и размерами деталей каждого типоразмера подшипника, подлежащего контролю.
Одним из недостатков многих устройств дефектоско-пирования является обработка информации в аналоговой форме. Это заметно увеличивает зависимость надежности показаний устройства от уровня внешних помех. При разработке ЭДП особое внимание уделялось уменьшению такой зависимости. Поэтому разработанное устройство максимально использует цифровые методы обработки информации.
Поскольку обработка информации производится в цифровой форме. ЭДП представляет собой систему, включающую микроконтроллер и компьютер как центральный элементы его структурной схемы. Структурная схема устройства представлена на рис. 2, На схеме обозначено; У -усилитель сигнала от датчика, К - компаратор, Сч - счетчик, К1 - ключ.
Персональный компьютер является основным управляющим элементом и полностью определяет порядок работы прибора. Он посылает команды микроконтроллеру, который в свою очередь непосредственно управляет всеми блоками устройства. Для организации связи устройства и персонального компьютера выбран интерфейс Я5-232. Преимуществами этого интерфейса являются его наличие в базовой конфигурации любого IBM-совместим ого компьютера и возможность передачи данных на достаточно большие расстояния (до нескольких метров).
Блок датчиков содержит восемь вихретоковых преобразователей, изменяющих свои параметры при появлении дефекта. Для оценки параметров ВТП используется колебательный контур, индуктивность которого определяется индуктивностью ВТП. Полезным сигналом является частота генерации колебательного контура, которая несет информацию о наличии дефекта.
Частота на выходе блока датчиков, проходя через усилитель (У) и компаратор (К) приобретает форму меандра, который может быть прочитан микроконтролпером. Счетчик (Сч) предназначен для пропорционального уменьшения частоты сигнала, что позволяет микроконтроллеру работать с высокими частотами.
Для более полной оценки параметров ВТП используется колебательный контур с изменяемой емкостной составляющей. Изменение емкости осуществляется переключением ключа К1. При этом появляется еще одно значение частоты, несущее дополнительную информацию о дефекте.
Алгоритм работы устройства представляет собой следующую поспедовательность действий
Началодефектосколирования инициализируется программой компьютера, когда пользователь, установив обойму подшипника в сканер, нажимает кнопку старта процесса дефектоскопирования. Компьютер посылает команду о начале контроля и переходит в режим приема данных от микроконтроллера.
Микроконтроллер, получив такую команду, сигнализирует сканеру о начале вращения детали. Время вращения зависит от заданного количества полных оборотов детали. По умолчанию обойма должна совершить три оборота (опытом эксплуатации такое значение было определено как наиболее оптимальное), но это значение может быть изменено иэ программы персонального компьютера.
Одновременно С этим микроконтроллер инициирует процесс опроса датчиков. Опрос производится по следующему алгоритму:
- установка хлюча К1 в разомкнутое положение;
- ожидание установления процесса колебаний;
- замер частоты f1 колебательного контура;
- установка ключа К1 в замкнутое попожение;
• ожидание установления процесса колебаний;
- замер частоты f2 колебательного контура.
Оба значения частоты передаются в виде сообщения персональному компьютеру, который их сохраняет в памяти и проводит анализ. Остановка процесса контроля происходит либо при достижении положенного числа оборотов, либо по команде пользователя.
Для обработки информации и организации интерфейса пользователя разработано специальное программное обеспечение, работающее под управлением операционной системы Windows.
Программа состоит иэ трех компонентов, реализующих следующие функции:
- управление процессом дефектосколирования;
- настройка параметров дефектоскопирования;
- работа с базой данных дефектоскопа.
Каждый из этих компонентов отражен в виде соответствующей вкладки в главном окне программы (рис. 3).
Компонент, представленный вкладкой "Процесс дефек-тосколирования", обеспечивает поточную обработку данных, поступающих от устройства, т.е. непосредственно поиск дефекта. Начало и окончание процесса контроля инициируются командами главного меню. Перед началом дефектоскопирования программа требует ввести номер обоймы, который в дальнейшем используется для сохранения результатов е базе данных.
Для локализации дефекта окружность обоймы разбивается на восемнадцать секторов, а положение дефекта в сечении обоймы определяется номером датчика. Результат поиска Дефектов отображается в таблице "Наличие дефектов" индивидуально для каждого сектора.
Для настройки ЭДП используется вкладка "Параметры дефектоскоп и рования". Этот компонент позволяет определить порог срабатывания для каждого датчика, количество полных оборотов обоймы при дефектоскопировании, разрешить или запретить звуковую сигнализацию при обнаружении дефекта.
Компонент "База данных дефектоскоп и роаания" - существенное дополнение ЭДП по сравнению с аналогичными приборами. Этот компонент обеспечивает доступ к базе данных, записи которой создаются автоматически при завершении процесса контроля. Каждая запись содержит следующую информацию:
-код пользователя;
- номер обоймы;
-дата и время дефектоскопирования;
- продолжительность дефектоскопирования;
£ыс1Ёие Параметры помощь ; fipow«: 1«хоговд j) ftopi ' Раслоложс»** ИТТ4ИО*
С*гтоЫЯ Нет
Г.'.юо н*т
Ct-TOOiM ЭАД1Т. С** »00 Iff HtT СйитосДО HtT Cental №7 Нет
Инфвр, MODОрОМЯД «OHTP&W -
ОМККТЧ CHTop
Угол nOIQpQTO ЫИ (Грану
КСЛИ4СТК Ift
вренаррфритоании .cm
Рис. Э. Главно» окно программы ЭДП.
- количество полных оборотов детали;
- порог срабатывания для каждого датчика;
- информация о наличии дефектов в каждом из секторов.
Эти данные хранятся в БД персонального компьютера в течение времени, заданного пользователем (не менее одного года) и могут быть извлечены по первому требованию пользователя. Минимальное время хранения данных определено исходя иэ того, что наибольшее число отказов подшипников после ремонта приходится на первый год эксплуатации.
Конструкция ЭДП представляет собой единый блок, который подключается по интерфейсу RS-232 к любому IBM-совместимому персональному компьютеру. ЭДП состоит из сканера (рис. 1), аппаратуры управления электроприводом, блока датчиков и платы управления.
Внедрение ЭДП позволяет:
- уменьшить время, затрачиваемое на дефектоскопи-рование детали;
-увеличить надежность результатов контроля;
- организовать электронное документирование результатов не разрушающе го контроля и оперативный доступ к имеющейся информации;
- сформировать с помощью базы данных образ неисправности обоймы подшипника, нто поможет определить направление профилактических мероприятий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров В .А., Цюренко В.Н, Надежность роликовых подшипников в буксах вагонов. -М.: Транспорт, 1982.
2. Гол о ваш А.Н., Щапин Ю.С. Совершенствование технологии ремонта подшипников в вагонных и локомотивных депо: Сб. научн. трудов/ОмГУПС. Омск, 2000.
3. Макарин B.C. Средства неразрушающего контроля отливок. - М.: Высш. школа, 1988.
4. Патент РФ № 2159425, МКИ G01N27/82. Способ электроиндукционной дефектоскопии материалов / Головаш А.Н., Катин М.В.
Г0Л06АШ Анатолий Нойович, начальник Центра внедрения новой техники и технологии «Транспорт» МПС РФ. ЩАПИН Юрий Сергеевич, начальник лаборатории вагонного депо ст.Омск.
ШУШАРИН Алексей Владимирович, аспирант ОмГУПС.
