CC BY
14
УДК 681.5
В.В. Горбунов, А.М. Карпеев, А.А. Игнатьев
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ РОЛИКОВ БУКСОВЫХ ПОДШИПНИКОВ
Аннотация. Рассматривается конструкция, применение и технические характеристики автомата модели BG Н^Р. 01 для вихретокового контроля роликов буксовых подшипников железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: вихретоковый метод, ролики подшипников, автомат для контроля, автоматическая калибровка чувствительности датчика
V.V. Gorbunov, A.M. Karpeev, A.A. Ignatiev
AUTOMATED EDDY CURRENT CONTROL OF AXLE ROLLER BEARINGS
Abstract. The design, application and technical characteristics of the automatic machine model IP NK-R. 01 for eddy current control of rollers to axle bearings for the railroad transport are considered.
Keywords: eddy current method, bearing rollers, automatic control, automatic calibration of sensor sensitivity
ВВЕДЕНИЕ
В подшипниковом производстве вихретоковый контроль применяется для автоматизированного выявления дефектов в шлифованном поверхностном слое колец и роликов, приводящих к образованию локальных очагов разрушения рабочих поверхностей [1-3]. При этом предусматривается возможность идентификации локальных неоднород-ностей, включающей определение вида дефекта и его размеров [4, 5]. Это обеспечивает в рамках системы мониторинга технологического процесса (СМТП) не только разбраковку деталей, но и корректировку процесса шлифования, что существенно повышает качество деталей и изготовленных подшипников [6].
При серийном производстве предотвращение выпуска подшипников с критическими дефектами рабочих поверхностей обеспечивается применением автоматов вихретокового контроля, встраиваемых в автоматические линии по производству деталей подшипников. Автоматы имеют соответствующие метрологические характеристики, количественные значения которых определяются при калибровке. Настройку и калибровку средств вихретокового контроля деталей подшипников рекомендуется проводить метрологическими средствами, к которым относятся образцы с искусственными дефектами в виде прямоугольных прорезей с соответствующими параметрами: глубина, ширина, длина при отношении сигнал-шум вихретоковых преобразователей не менее двух [7]. Например, в соответствии с техническими требованиями Европейского стандарта ЕК 12080 «Транспорт железнодорожный. Буксы. Подшипники качения», применяемым на европейских предприятиях - производителях буксовых подшипников, в том числе локализованных в РФ, предусмотрен сплошной автоматизированный контроль поверхностного слоя деталей вихретоковым методом. В современном производстве подшипников на ряде предприятий (ОАО «ЕПК Саратов», ООО «Средневолжский подшипниковый завод» (г. Самара) и других) применяют автоматизированное вихретоковое оборудование, которое позволяет достоверно выявлять критические дефекты, не допускаемые стандартом ЕК 12080.
Выполненные с участием ученых СГТУ имени Гагарина Ю.А. исследования методов и средств неразрушающего контроля [3, 6, 9] стали основой для разработки и внедрения ряда приборов и автоматов для вихретокового контроля деталей подшипников. В работающем и проектируемом оборудовании для отображения состояния поверхностного слоя предусматривается формирование сканограмм - вихретоковых образов контролируемых поверхностей, используемых для визуального выявления и идентификации дефектов. Универсальный автоматизированный прибор ПВК-К2М и методика выполнения измерений с его применением включены в Государственные метрологические реестры и позволяют с нормированной точностью оценивать размеры дефектов шлифованных поверхностей и определять их вид для колец различных типоразмеров.
Практический интерес представляет применение вихретокового метода в автоматах для сплошного контроля роликов буксовых подшипников. Результатом его применения является отсортировка всех деталей, для которых сигнал вихретокового датчика от неоднородности поверхностного слоя превышает сигнал, аналогичный сигналу от прямоугольной прорези с номинальными параметрами: шириной 0,05 мм, глубиной 0,05 мм и длиной 3 мм [8].
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТА КОНТРОЛЯ РОЛИКОВ
При изготовлении и ремонте буксовых подшипников применяются специальные приборы и автоматы [5]. В ООО «Реновация» (г. Санкт-Петербург) разработан автомат
вихретокового контроля роликов модели BG НК-Р.01, предназначенный для выявления и измерения глубины поверхностных дефектов роликов, входящих в состав подшипников 42726, применяемых в буксовых узлах железнодорожного подвижного состава.
Автомат, показанный на рис. 1, содержит автоматическое загрузочное устройство, шаговый транспортер и накопитель проверенных роликов. По ходу транспортера размещены демагнетизатор с вращающимися постоянными магнитами, первая станция сканирования роликов, устройство разворота роликов, вторая станция сканирования роликов, сортировочное устройство и накопитель рассортированных роликов. На каждой из двух станций сканируются половина длины и один торец каждого ролика. Автомат оснащен шаговыми электроприводами вращения роликов и линейного перемещения сканеров. Транспортер и механизмы подвода и отвода датчиков оснащены пневматическими приводами. Управление приводами осуществляется программируемым логическим контроллером (ПЛК), обработка измерительной информации и визуализация результатов измерений - персональным компьютером (ПК).
Рис. 1. Автомат вихретокового контроля роликов мод. ВО НК-Р.01, где: 1 - загрузочное устройство; 2 - демагнетизатор; 3 - станция сканирования; 4 - сортировочное устройство; 5 - накопитель рассортированных роликов
В режиме работы автомата «Наладка» результаты измерений представляются в виде разверток сканируемых поверхностей, на которых яркостью отображается величина сигналов датчиков (рис. 2). Доступны также графики сигналов за любой выбранный оборот ролика.
Глубина дефектов - амплитуда сигнала - отображается встроенным цифровым индикатором в указанной курсором точке развертки или графика. В режиме работы «Автомат» превышение заданной величины сигнала в области определенных размеров, приводит к тому, что ролик определяется как бракованный.
Программное обеспечение автомата (ПО) содержит программу обработки сигналов вихретоковых преобразователей «HROT» и программу управления приводами сканеров «SCAN».
ПО реализует следующие метрологически значимые функции:
• конфигурирование параметров функционирования исполнительных устройств и обмен данными компьютера и ПЛК;
• конфигурирование параметров обработки, чтение и обработка данных с вихре-токового преобразователя, сохранение данных в файл.
Идентификация программ «HROT» и «SCAN» осуществляется проверкой соответствия «контрольных сумм», указанным в паспорте автомата. «Контрольная сумма» загруженной в ПЛК версии программы «SCAN» проверяется при подключении к ПЛК через программный пакет «CODE SYS».
Защита программного обеспечения от несанкционированного доступа осуществляется средствами операционной системы Windows 10 Professional. От несанкционированных изменений настраиваемые параметры сканирования и обработки измерительной информации защищены паролем.
Технические и метрологические и характеристики автомата мод. BG НК-Р.01 для контроля роликов
Наименование показателя Значение
Производительность автомата, шт./мин 10
Выявляемые дефекты: - трещины, в том числе подповерхностные - пятна несоответствующей структуры и напряженно-деформированного состояния металла -
Метрологические характеристики (при использовании мер с искусственными дефектами): - диапазон измерения глубины искусственных дефектов, мм - пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения глубины, мм 0,03-0,08 ±0,02
Для проверки метрологических характеристик автомата (таблица) применяются меры с искусственными дефектами в виде пар тонких прорезей различной глубины. На рис. 2 показан пример калибровки автомата с применением указанных мер. Калибровка автомата состоит в сканировании на автомате меры и настройке автомата так, чтобы показания глубины каждого из двух искусственных дефектов соответствовали их действительной глубине.
Рис. 2. Сканограммы контроля цилиндрической поверхности ролика: а - развертка контролируемой поверхности (С-скан); б - график сигнала за один оборот ролика (А-скан)
По сканограмме на рис. 2а можно идентифицировать искусственные дефекты на фоне других неоднородностей поверхности. Это нужно для однозначной связи всплесков сигнала вихретокового преобразователя с искусственными дефектами. Показанный на рис. 2,б график сигнала позволяет при калибровке приводить показания глубины дефектов в соответствие действительной глубине, а при контроле деталей измерять глубину отдельных дефектов и в целом глубину дефектного слоя на контролируемой поверхности.
Цифровая фильтрация сигналов вихретоковых преобразователей и распознавание образов дефектов выполняется с применением разработанных алгоритмов и соответствующего программно-математического обеспечения [6, 9]. Такой подход позволяет выявлять признаки дефектов в сигналах, зашумленных некритической неоднородностью поверхностного слоя контролируемых деталей.
КАЛИБРОВКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЗАЗОРА
Во всех известных средствах вихретокового контроля с накладными датчиками проявляется зависимость чувствительности датчиков от зазора между контролируемой поверхностью и чувствительным элементом датчика (далее - измерительный зазор)
[2, 10]. В свою очередь, измерительный зазор зависит от изменения размеров контролируемых изделий. На деталях подшипников должны выявляться микротрещины, глубина и ширина которых составляет десятки микрометров. В условиях селективной сборки подшипников размеры поверхностей качения могут изменяться на 0,2...0,4 мм. Это существенно сказывается на достоверности результатов контроля [11, 12].
Актуальная задача - разработка системы автоматической калибровки чувствительности к дефектам и стабилизация зазора при автоматическом контроле изделий непостоянных размеров в производственном потоке.
Проведены предварительные исследования для разработки системы автоматического регулирования с обратной связью, содержащей датчики и преобразователи сигналов датчиков, устройства для анализа получаемой измерительной информации и исполнительные устройства. Накладной вихретоковый датчик представляет собой намотанную на ферритовом сердечнике катушку с параллельно подключенным конденсатором, размещаемую вблизи контролируемой поверхности. Вихретоковый преобразователь преобразует резонансную частоту датчика в цифровую форму. На выходе преобразователя сигнал, в частотном спектре которого содержаться составляющие, связанные с зазором -низкочастотные составляющие, а также высокочастотные составляющие, связанные с не-однородностями поверхностного слоя типа трещин и локальных пятен [13].
Анализ частотного спектра сигналов вихретокового преобразователя выполняется компьютером с соответствующим программным обеспечением. Исполнительное устройство - шаговый микропривод для перемещения датчика в направлении контролируемой поверхности.
Способ автоматической калибровки чувствительности к дефектам и стабилизации измерительного зазора поясняется на рис. 3.
Датчики 1 расположены вблизи цилиндрической и торцовой поверхностей контролируемого ролика. Датчики закреплены на сканерах, оснащенных линейным шаговым приводом 2. Датчики подключены к преобразователю 3, сигнал с выхода преобразователя поступает в компьютер 4, который формирует команды на осуществление перемещений датчиков в систему управления приводами 5.
Алгоритм калибровки чувствительности датчика состоит в следующем (рис. 4):
1. Подвести датчик в предварительно заданное положение.
2. Измерить амплитуду сигнала от образцового дефекта на ролике определенного диаметра.
3. Если амплитуда сигнала больше заданной величины, то отвести датчик от ролика так, чтобы значение амплитуды стало равно заданному. Если значение амплитуды сигнала меньше заданного, то подвести датчик.
Рис. 3. Структурная схема системы автоматической калибровки и стабилизации измерительного зазора
Рис. 4. Алгоритм калибровки чувствительности и настройки измерительного зазора
4. Запомнить величину зазора как разность координат датчика и поверхности ролика, выраженную через среднее значение сигнала. Эта величина зазора, т. е. среднее значение сигнала, должна поддерживаться при контроле роликов, отличающихся по диаметру и длине.
Алгоритм стабилизации измерительного зазора:
1. Измерить среднее значение сигналов за один оборот ролика после подвода датчика к контролируемой поверхности.
2. Если среднее значение больше установленного при калибровке, то отвести датчик от ролика так, чтобы среднее значение стало равно заданному. Если среднее значение меньше заданного, то подвести датчики.
3. Перейти к сканированию.
Примечание. При контроле роликов с криволинейным или ступенчатым профилем положения датчиков должны изменяться по соответствующей программе.
Выполнено экспериментальное исследование зависимости сигнала вихретокового преобразователя от измерительного зазора, результаты которого представлены на рис. 5.
Зазор 0,2 мм; среднее значение 101,1; СКО 3,06 Зазор 0,3 мм; среднее
н(Яlл^olt^m^Гl^o^нгnlл^шнmlл^lnнmlл^mнm^л^шн
Рис. 5. Зависимость сигнала вихретокового преобразователя от измерительного зазора (сплошной линией показана постоянная составляющая сигнала)
Реальный график отражает изменение сигналов за два оборота изделия. Первому обороту соответствуют отсчеты 1...2500, второму - отсчеты 2501... 5000. Увеличение зазора на втором обороте с 0,15 мм до 0,25 мм вызывает увеличение постоянной составляющей сигнала с 101.1 до 104,0 единиц. Одновременно среднее квадратическое отклонение (СКО) уменьшается с 3,06 до 2,54 единицы, т. е. чувствительность датчика к неоднородности поверхностного слоя снижается в 1,2 раза.
Возможность автоматической настройки чувствительности (калибровки) автомата к дефектам поверхностного слоя показана на рис. 6.
На графике показан сигнал вихретокового преобразователя от поверхности контрольного образца с дефектом глубиной 35 мкм. Амплитуда всплеска 35 единиц получена при зазоре 0,33 мм. Этому зазору соответствует среднее значение сигнала, равное 113,5 единиц. Это среднее значение сигнала принимается опорным. Задача системы авто-
матического регулирования зазора - поддерживать опорное значение сигнала при контроле потока роликов для обеспечения одинаковой чувствительности автомата к дефектам. Задача решается предложенным выше алгоритмом стабилизации измерительного зазора.
Рис. 6. График сигнала от поверхности контрольного образца с искусственным дефектом глубиной 35 мкм
На рис. 7 показано устройство для регулирования измерительного зазора.
Рис. 7. Устройство регулирования измерительного зазора
Устройство закрепляется на кронштейне сканера, который при работе автомата перемещается в направлении оси контролируемого ролика. На кронштейне установлена шариковая пара рельс-каретка 3. На каретке закреплен кронштейн 2, который приводится в движении линейным шаговым двигателем 4.
На кронштейне 2 закреплен вихретоковый датчик 1. Под управлением компьютера устройство может регулировать измерительный зазор между датчиком и поверхностью ролика, а также отводить датчик во время установки ролика в гнездо, заменяя пневматический привод.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Метрологическое обеспечение автоматизированного вихретокового контроля деталей подшипников требует особого внимания с точки зрения их качества, что обеспечивает, во-первых, резкое снижение брака деталей, во-вторых, поступление на сборку только годных деталей. Этому способствует настройка автомата контроля роликов модели BG НК-Р.01 по мерам с искусственными дефектами, а также стабилизация измерительного зазора.
Стопроцентный неразрушающий контроль роликов буксовых подшипников позволяет не только определить качество их рабочих поверхностей, но и проверить эффективность совершенствования технологического процесса и СМТП.
Применением автоматов, настраиваемых по сертифицированным образцам с искусственными дефектами, впервые на практике реализованы положения упомянутого выше Европейского стандарта EN 12080 по неразрушающему контролю бездефектности поверхностей деталей буксовых подшипников.
Рациональное использование автоматизированных вихретоковых методов контроля деталей подшипников, позволяющее повысить надежность и качество продукции, способствует внедрению новых прогрессивных технологических процессов и дает производству экономические преимущества, необходимые для широкого применения подшипниковой продукции в ОАО «РЖД», а также для поставок на европейский рынок.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Федосеенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль. Москва: Изд. дом «Спектр», 2014. 224 с.
2. Шубочкин А.Е. Развитие и современное состояние вихретокового метода нераз-рушающего контроля. Москва: Изд. дом «Спектр», 2014. 288 с.
3. Игнатьев А.А., Чистяков А.М., Горбунов В.В. Автоматизированная вихретоко-вая дефектоскопия деталей подшипников // СТИН. 2002. № 4. С. 17-19.
4. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля. Москва: Спектр, 2010. 256 с.
5. Тяпаев СВ., Снитко Н.Г. Реализация сплошного неразрушающего контроля бездефектности поверхностного слоя деталей в производстве буксовых подшипников для подвижного железнодорожного состава // Вестник ВНИИЖТ. 2013. № 1. С. 35-40.
6. Игнатьев С.А., Горбунов ВВ., Игнатьев А.А. Мониторинг технологического процесса как элемент системы управления качеством продукции. Саратов: СГТУ, 2009. 160 с.
7. Бабаджанов Л.С., Бабаджанова М.Л. Меры и образцы в области неразрушающего контроля. Москва: Стандартинформ, 2007. 160 с.
8. Горбунов В.В., Тяпаев С.В., Карпеева Е.В. Метрологическое обеспечение контроля бездефектности поверхностного слоя в производстве подшипников // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2019. С. 18-28.
9. Игнатьев А.А., Игнатьев М.А. Методы идентификации дефектов шлифованных деталей подшипников при автоматизированном вихретоковом контроле с применением интеллектуальных технологий // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2022. № 1 (92). С. 19-35.
10. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. Москва: Машиностроение, 1980. 232 с.
11. Метрологическое обеспечение вихретокового контроля в производстве деталей подшипников / Л.С. Бабаджанов, М.Л. Бабаджанова, В.В. Горбунов, С.В. Тяпаев // Законодательная и прикладная метрология. 2018. № 4. С. 37-43.
12. Метрологическое обеспечение автоматизированного вихретокового контроля деталей подшипников / Л.С. Бабаджанов, М.Л. Бабаджанова, В.В. Горбунов, Т.А. Ко-рюшкина, С.В. Тяпаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2022. № 1. С. 12-18.
13. Горбунов В.В., Карпеев А.М., Игнатьев А.А. Контроль физико-механических свойств поверхностей дорожек качения подшипников для газотурбинных авиационных двигателей вихретоковым методом // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2021. № 3. С. 5-11.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Горбунов Владимир Владимирович
кандидат технических наук, главный конструктор ООО «Реновация», г. Санкт-Петербург
Vladimir V. Gorbunov -
PhD (Technical Sciences), Chief Designer of Renovation LLC, St. Petersburg
Карпеев Андрей Михайлович -
студент Московского авиационного института (Национального исследовательского университета)
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Статья поступила в редакцию 16.
Andrei M. Karpeev -
Undergraduate,
Moscow Aviation Institute
(National Research University)
Alexander A. Ignatiev -
Dr. Sci. Tech., Professor Department of Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
'.2022, принята к опубликованию 12.09.2022
