CC BY
22Исследование метрологических характеристик вихретокового метода неразрушающего контроля вагонного парка
Козлов Максим Владимирович
к. т.н., доц., кафедра «Нетяговый подвижной состав», Российский университет транспорта Московского института инженеров транспорта, [email protected]
Петров Александр Алексеевич
к. т. н., доц., кафедра «Нетяговый подвижной состав», Российский университет транспорта Московского института инженеров транспорта, alex_pv@@rambler.ru
Левчук Татьяна Васильевна
к. ф-м. н., доц., кафедра «Теоретической и прикладной механики», Российский университет транспорта Московского института инженеров транспорта, [email protected]
Рассмотрены метрологические основы и характеристики вих-ретокового метода неразрушающего контроля вагонного парка, полученные экспериментально, обобщены результаты замеров внешних гладких поверхностей при лабораторных исследованиях подвижных ходовых частей, на основе которых сделаны обобщающие выводы. Приведены дисциплины, в рамках которых проводится изучение теоретических основ диагностики подвижного состава для специальности «Подвижной состав железных дорог», приведен краткий обзор теоретического материала необходимого для изучения. Диагностические работы проводились с помощью ручного модификаций дефектоскопов марки ВД-113, ВД-113.5, ВД-211.5, ВД-211.7, ВД-12НФ, показана эффективность при обучении будущих специалистов де-фектологов, как наиболее часто используемого оборудования при исследовании поверхности вагонного парка, разработан курс лекции и лабораторных работ по проведению вихретоко-вого контроля произвольной поверхности подвижного состава железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: вихретоковый неразрушающий контроль, вихретоковый преобразователь, метрологические характеристики вихретокового контроля, дефектоскоп марки ВД-113, ВД-113.5, ВД-211.5, ВД-211.7 ВД-12НФ.
В настоящее время развитию современных систем диагностики железнодорожного транспорта уделяется большое внимание, развиваются комплексные системы диагностики и мониторинга состояния внешних покрытий и внутренних ходовых частей вагонного, а так же локомотивного парка, измерение параметров колеи, контроль деталей колесной пары, и т.д. Поэтому в рамках обучения специальности 23.05.03 Подвижной состав железных дорог (специализация - Технология производства и ремонта подвижного состава, Локомотивы, Электрический транспорт железных дорог, Грузовые вагоны) разработаны курсы лекций и лабораторных работ по не-разрушающему контролю вихретокового контроля [1].
Развитие методов диагностики позволяет совершенствовать приборы, создавать диагностические центры для обучения студентов технических специальностей основам дефектоскопии, программное обеспечение для решения различных технических и метрологических задач, связанных со статистической обработкой данных и получением аналитических зависимостей взаимосвязи появления дефектов в наиболее проблемных областях различных как статичных, так и движущих элементах подвижного состава подробно изучается рамках указанных ниже дисциплинах и описано в работах [2-10]. Применяющиеся при диагностике подвижного состава раз-нообназные дефектоскопы используют различные методы исследований (магнитный, вихретоковый, радиоволновой, оптический, акустический, радиационный, тепловой, электрический) для определения более точной и полной картины дефектов, в зависимости от поставленной задачи, поверхностей и точности результата, так же местоположения и технических возможностей ремонтных цехов. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бесконтактность и высокая производительность позволяют иметь этому методу широкие возможности в плане первичного исследования состояния поверхности вагонного парка. Теоретическое описание основ вихретокового неразрушающего контроля (ВНК) просто и часто описывалось в литературе [1-10], при проведении лабораторных исследований выбор остановился на приборах, позволяющих качественно и быстро получить результаты. Отличительной особенностью этого методы является тот факт, что на сигналы преобразователя практически не влияют такие физические факторы как загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами, давление, влажность, радиоактивные излучения, поэтому именно ВНК получил широкое распространение в ремонтных и диагностических центрах железной дороги, данные полученные этим методом используется в качестве образцового метода для создания расчетных теоретических моделей влияния различных параметров, использующиеся при подготовке специалистов. (1). При экспериментальных исследованиях при проведении ла-
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
см
0 см
<0
01
о ш т
X
3
<
т О X X
бораторной работы «Вихретоковый метод неразрушаю-щего контроля» [1] отмечается, что взаимодействие возможно на расстоянии от долей миллиметров до достаточного для свободного движения преобразователя относительно поверхности металла. При благоприятных условиях и малом влиянии мешающих факторов удается выявить трещины глубиной 0,1 ... 0,2 мм, протяженностью 1 ... 2 мм (при использовании накладного преобразователя) или протяженностью около 1 мм и глубиной 1 ... 5 % от диаметра контролируемой поверхности или прутка (при использовании преобразователя проходного). Так же с большой точностью ВТМ позволяет контролировать размеры изделий. В железнодорожном хозяйстве используют дефектоскопы для определения диаметра труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину электропроводящих (например, гальванических), и диэлектрических (например, лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях, толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои [1-10]. Важным моментом является возможность проведения диагностических замеров на скорости. Измерения лабораторных образцов, предоставляемых локомотивным депо для опробирования методики измерения показали, что к недостаткам можно отнести относительно малую глубину проникновения электромагнитного поля в исследуемую поверхность образца, но в сравнении с так же широко распространенным ультразвуковым методом глубина проникновения и точность определения размеров и формы трещины превышает [1].
В рамках дисциплины «Технологии неразрушающего контроля деталей вагона» невозможно охватить полностью теоретическое обоснование влияния при движении вагона колебательной нагрузку на прочность, действие деформирующих силы, которые приводят к необратимым изменениям геометрии поверхности, деформации, сколам и микротрещинам ходовых частей и составных элементов, разупрочнения металла в зоне сварных швов. Эти эффекты теоретически рассматриваются в рамках предметов «Типовые технологические процессы неразрушающего контроля деталей вагонов», «Эксплуатация и техническое обслуживание нетягового подвижного состава», «Типовые технологические процессы ремонта нетягового подвижного состава», «Техническая диагностика тягового подвижного состава», так же в рамках дисциплины «Технологическое оборудование предприятий по производству и ремонту подвижного состава» рассматриваются различные как отдельные приборы так и аппаратные комплексы диагностики неразру-шающего контроля, так же различные используемые методики как физически, так и технически. Так же неоднократно описываемые в работах [2-10]
При приведении диагностических работ для ручного контроля лабораторные испытания [1] проводились диагностическими вихретоковыми приборами ВД-113, ВД-113.5, ВД-211.5, ВД-211.7 ВД-12НФ. На рис. 1 показаны два варианта лабораторных конструкции таких дефектоскопов. В конструкции на рис. 1а обмотки 1 вихретоко-вый преобразовытель (ВТП), охватывающие феррито-вый сердечник 2, с помощью керамической втулки 3 жестко закрепляются в корпусе 4. Керамическая втулка 3 служит также для предохранения торца обмоток от механических повреждений. Для более четкой фиксации зазора между обмотками ВТП и объектом контроля в конструкции на рис. 1б используется подпружиненная
оправка 5 (для лучшего прилегания к поверхности и плавного ведения втулки, уменьшения погрешности, связанной с искажением магнитного поля), которую оператор перемещает вдоль корпуса 4 до соприкосновения с поверхностью объекта, сжимая пружину на определенную длину.
Рис. 1 а Рис 1 б
а- с жестким креплением катушек; б-с подпружиненной оправкой,
где 1-обмотки; 2-ферритовый сердечник; 3-керамическая втулка; 4-корпус; 5- оправка; 6- экран; 7-пружина; 8- каркас катушки; 9- кабель; 10 -крышка; 11- резиновая втулка
При контроле поверхности угол отклонения оси ВТП дефектоскопов ВД-113, ВД-113.5, ВД-211.5, ВД-211.7 ВД-12НФ от нормали к поверхности детали не должен превышать 30 градусов. Скорость сканирования зависит от многих причин, основными из которых являются шероховатости и изменение формы контролируемой поверхности, и варьируется в пределах 2-10 см/сек.
Рис 2. - Контроль внутренних углов с радиусом закругления более 12мм (а) и не более 12мм (б). Где радиус закругления внутреннего угла; Ь- амплитуда;
а - угол отклонения (ВТП) от положения при сканировании внутреннего угла.
В момент пересечения трещины срабатывают звуковой и световой индикаторы дефектоскопа, с этого момента участок проходится на минимальной скорости (дефектоскопы марки ВД-113, ВД-113.5, ВД-211.5, ВД-211.7). При зигзагообразном сканировании ВТП задерживают на 3-5сек. в точке изменения направления движения. Внутренние углы с радиусом закругления не более 12 мм контролируют дефектоскопом БД-12НФМ сканированием поверхности детали вдоль угла в статическом режиме (рис.2 б). Внутренние углы с радиусом закругления более 12мм (галтели, зоны перехода, сопряжения) контролируют зигзагообразным сканированием в динамическом режиме с шагом
не более 20мм и амплитудой не менее двух радиусов закругления контролируемого угла (рис 2.а).
Для исключения перекосов ВТП в плоскости перпендикулярной направлению сканирования, рекомендуется использовать фиксирующие насадки или используются модификации дефектоскопа с «плавающей» подвеской каркаса обмоток, позволяющая ослабить влияние формы корпуса ВТП на увеличение угла наклона каркаса катушки.
Контроль стыковых сварных швов шириной более 20мм проводят дефектоскопами ВД - 12НФМ в динамическом режиме работы или ВД-15НФ.
Для выявления продольных трещин проводят зигзагообразное сканирование сварного шва с шагом не более 20мм и амплитудой, превышающей ширину сварного шва 1_ не менее чем на 20мм (рис 2.а). Для выявления поперечных трещин сварной шов сканируют по середине и вдоль его границ (рис 3.б). При этом не следует допускать отклонения ВП от середины и от границ шва, а также от фиксированного положения в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования.
Рис. 3 - Траектории сканирования сварного шва шириной более 20мм для выявления продольных (а) и поперечных (б) трещин, где 1 - сварной шов; 2 - трещина; 3- траектории сканирования
Контроль сварных швов шириной менее 20мм как показывает практика работы с дефектоскопом ВД - 12НФМ лучше проводить в статическом режиме сканирования сварного шва вдоль его границ. В случае срабатывания светового и звукового индикаторов при обнаружении дефекта в какой-либо точке необходимо провести сканирование зоны вокруг этой точки для уменьшения погрешности измерений на 30% не менее двух раз со смещением ВТП относительно этой точки на (5- 10) мм. Необходимо распознавать ложное срабатывание индикатора, которое как правило связано с отрывом ВТП от контролируемой поверхности. Так же при исследовании ходовых частей вагонной тележки наблюдались ложные срабатывания индикаторов при неоднородности магнитных свойств детали.
Для работающих машин и механизмов (подшипников) используется конструкция параметрического и дифференциального типа ВТП с ферромагнитными сердечниками, электропроводящими экранами и короткоза-мкнутыми витками. Такой вид ВТП технологически более усовершенствован и выполнен с непрерывным измерением зазоров и жестким креплением в посадочных гнездах, ферритовые сердечники имеют зазоры, в которые устанавливается медная вставка для локализации магнитного поля в зоне контроля. Так же возможен вариант замены на короткозамкнутый виток, обмотка параметрического ВТП охватывает сердечник так же, как и
возбуждающая и измерительная обмотки трансформаторного ВТП. Для защиты от влияния внешних магнитных полей в работающих электрических машин применяют специальные экраны, которые одновременно служат элементами корпуса. Технологическая особенность дифференциального типа ВТП заключается в гашении магнитного поля благодаря обнулению магнитного потока, сцепленного с объектом, пронизывающего дважды измерительную обмотку. Если объект неоднороден (например, имеет трещины), то симметрия магнитного потока в зоне контроля нарушается и в измерительной обмотке появляется напряжение. Помехи в процессе измерений как правило появляются при прохождении головки неровностей и, как вследствие, возникновение перекосов, которые так же приводят к изменению магнитного поля как по величине, так и по форме. Так, например, если катушка ВТП имеет цилиндрическую форму и приложена к детали торцевой частью, то возбуждаемый ею вихревой ток течёт по окружности, диаметр которой соизмерим с диаметром катушки. Дефекты находятся на поверхности в той её части, где протекают изменяющиеся вихревые токи. Влияния перекосов ВТП убирается благодаря шарнирным закреплением сердечника. Минусом ВТП подобного типа является ширину зоны контроля 0,5 ... 1 мм. Глубина проникновения вихревых токов в деталь меняется в пределах от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Она зависит от частоты возбуждающего тока, электропроводности и магнитной проницаемости материала детали. Как показывают многократно проведенные эксперименты, порог чувствительности соответственно будет определяется минимальной глубиной трещины, так называемым «пороговым значением», начиная с которого необходима обработка поверхности, в установленном ГОСТом и правилами эксплуатациями данной детали, порядке.
Дефектоскоп, рассмотренных и экспериментально опробованных марок ВД-113, ВД-113.5, ВД-211.5, ВД-211.7, используются при подготовке специалистов в области дефектоскопии в центрах повышения квалификации в учебных центрах железнодорожного транспорта, при прохождении практики студентами соответствующих специальностей железнодорожных вузов, в связи с простотой применения и обслуживания.
Литература
1. Петров, А. А. Вихретоковый метод неразрушаю-щего контроля деталей вагона: методические указания к лабораторным работам / А.А. Петров, К.В. Мотовилов // - М. Изд-во РУТ МИИТ, -2007 г. - С 98.
2. Неразрушающий контроль деталей вагонов. Общие положения. РД 32.174 - 2001.
3. Вихретоковый метод неразрушающего контроля деталей вагонов. РД.32.150 - 2000.
4. Левчук, Т.В. Основные современные направления модернизации метрологических средств диагностики / Т.В. Левчук // В сб.: Современные проблемы железнодорожного транспорта. Сб. трудов по результатам международной интернет- конференции. Под общей редакцией К.А. Сергеева 2020. С. 102-107.
5. Левчук, Т.В. Метрологическое обеспечение современных направлений диагностики и мониторинга путевого хозяйства/ Т.В. Левчук, О.И. Гусарова // В сб.: Автоматизированные системы как основа технического и технологического прорыва. Сб. статей Международной научно-практической конференции. 2019. С.38-41
X X
о го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
6. Левчук, Т.В. Физические и метрологические основы вихретового метода неразрушающего контроля вагонного парка / Т.В. Левчук, А.А. Петров // В сб.: Современные проблемы железнодорожного транспорта. Сб. трудов по результатам международной интернет-конференции. Под общей редакцией К.А. Сергеева 2020. С. 102-107.
7. Левчук, Т.В. Методологическое обоснование введения основ метрологического обеспечения современных методов диагностики подвижного состава/ Левчук Т.В. Садыкова О.И. // В книге: Актуальные проблемы совершенствования высшего образования. Тезисы докладов XIV всероссийской научно-методической конференции. 2020. С.192-193.
8. Левчук, Т.В. Основные современные направления развития диагностических систем для железнодорожного транспорта/ Т.В .Левчук, О.И. Гусарова // В сб.: Проблемы и перспективы разработки инновационных технологий. Сб. статей Международной научно-практической конференции. 2019. С.11-14.
9. Левчук, Т.В. Направление развития систем диагностики объектов подвижного состава / Т.В. Левчук, Г.С. Шумейко // Развитие науки и техники: механизм выбора и реализации приоритетов. - 2019. - С 5-8.
10. Левчук, Т.В. Основные современные направления развития диагностических систем для железнодорожного транспорта / Т.В. Левчук, О.Ф. Гусарова // Проблемы и перспективы разработки инновационных технологий. - 2019. - С. 11-14.
Study of metrological characteristics of the vortex method of
nondestrousing control of the car park Kozlov M.V., Petrov A.A., Levchuk T.V.
Russian University of Transport
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
References
1. Petrov, A.A. Eddy current method of non-destructive testing of car parts: guidelines for laboratory work. A.A. Petrov, K.V. Motovilov // - M. Publishing house of RUT MIIT, - 2007, - S.98.
2. Non-destructive testing of car parts. General Provisions. RD 32.174 -2001.
3. Eddy current method of non-destructive testing of car parts. RD 32.150 - 2000.
4. Levchuk, T.V. The main modern directions of of modernization of metrological diagnostic tools / T.V. Levchuk // In collection: Modern problems of railway transport. Sat works based on the results of the international Internet conference. Under the general editorship of K.A. Sergeeva 2020. S 102-107.
5. Levchuk, T.V. Metrological support of modern directions of diagnostic and monitoing of track facilities / T.V. Levchuk, O.I. Gysarova // In collection: Automated systems as the basis for technical and technological breakthrough. Sat. articles of the International Scientific and Practical Conference. 2019.P.38-41
6. Levchuk, T.V. Physical and metrological foundations of the vortex method of non-destructive testing of the car fleet / T.V. Levchuk, A.A. Petrov // In collection: Modern problems of railway transport. Sat. works based on the results of the international Internet conference. Under the general editorship of K.A. Sergeeva 2020.S. 102-107.
7. Levchuk, T.V. Methodological substantiation of the introduction of the foundations of metrological support of modern diagnostic methods for rolling stock / Levchuk T.V. Sadykova O.I. // In the book: Actual problems of improving higher education. Abstracts of the XIV All-Russian Scientific and Methodological Conference. 2020.S. 192-193.
8. Levchuk, T.V. The main modern directions of development of diagnostic systems for railway transport / T.V. Levchuk, O.I. Gusarova // In: Problems and Prospects for the Development of Innovative Technologies. Sat. articles of the International Scientific and Practical Conference. 2019.S. 11-14.
9. Levchuk, T.V. Direction of development of systems for diagnostics of rolling stock objects / T.V. Levchuk, G.S. Shumeiko // Development of science and technology: a mechanism for choosing and implementing priorities. - 2019. - S 5-8.
10. Levchuk, T.V. The main modern directions of development of diagnostic systems for railway transport / T.V. Levchuk, O.F. Gusarova // Problems and prospects for the development of innovative technologies. - 2019 .S. 11-14.
The metrological foundations and characteristics of the eddy current method of non-destructive testing of the car fleet, obtained experimentally, are considered, the results of measurements of external smooth surfaces during laboratory studies of moving chassis are generalized, conclusions are made. The disciplines within which study of the theoretical foundations of diagnostics of rolling stock for the specialty "Rolling stock of railways" is carried out, a brief overview of the theoretical material necessary for study is given. Diagnostic work was carried out using manual modifications jf VD-113,VD-113.5, VD-211.5, VD-211.7,VD-12NF flaw detectors, the effectiveness of training future defectologists as the most frequently used in the study of the surface of the car fleet is shown, a course of lectures and laboratory work on conducting eddy current testing of an arbitrary surface has been developed of the rolling stock of railways.
Keywords: Eddy current nondestructive testing, eddy current transducer, metrological characteristics of eddy current testing, VD-113,VD-113.5, VD-211.5, VD-211.7, VD-12NF flaw detector.
