CC BY
126
58
Подвижной состав
УДК 629.4.027.4
ОБ УЛЬТРАЗВУКОВОМ МЕТОДЕ ОЦЕНКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБОДЬЯХ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ
КОЛЕС ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
С.А. Краснобрыжий
Аннотация
Приведены результаты исследований акустоупругих свойств материалов ободьев колес российского производства. На основании практического опробования метода в производственных условиях подготовлены предложения по оценке напряженного состояния колес при их изготовлении.
Ключевые слова: контроль неразрушающий; остаточные напряжения; колеса цельнокатаные; ободья; методика ультразвукового контроля
Введение
К числу важнейших факторов, влияющих на эксплуатационную надежность колес, относятся уровень и распределение остаточных механических напряжений, которые совместно с действующими в процессе эксплуатации напряжениями в ободьях определяют усталостную прочность. Если в результате сложения действующих и остаточных напряжений будет достигнут предел прочности, то произойдет разрушение колеса. Наиболее опасными являются, естественно, растягивающие (положительные) напряжения.
1. Анализ неразрушающих методов измерения остаточных напряжений
В различных отраслях промышленности применяются магнитные, электромагнитные и рентгеновские методы неразрушающего контроля (НК) остаточных напряжений. Однако такие методы недостаточны, чтобы обеспечить достоверную диагностику колес, так как они позволяют определять механические напряжения только в поверхностных слоях.
Оценить величину напряжений в объеме изделия, где могут возникать зоны концентрации внутренних напряжений, обусловленных технологией изготовления, возможно акустическим (ультразвуковым) методом.
2. Обзор ультразвуковой аппаратуры измерения остаточных напряжений
Измерение остаточных напряжений с помощью ультразвука основывается на зависимости скорости распространения ультразвука от
2004/1
Известия Петербургского университета путей сообщения
Подвижной состав
59
механического напряжения (эффект акустоупругости) и используется в различных ультразвуковых установках (Debro-30, UER-T, SNCF и т.д.).
Основное преимущество установки UER-T перед аналогами заключается в бесконтактном вводе ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковая установка для измерения напряжений UER-Т разработана Фраунгоферовским институтом неразрушающего контроля (IzfP. Саарбрюкен, Германия). Электронный блок UER-T выполнен в конструктиве переносного компьютера промышленного образца. Информация для обработки на электронный блок поступает с манипулятора, устанавливаемого на измеряемое колесо.
Основным элементом манипулятора является электромагнитоакустический преобразователь (ЭМАП), излучающий и принимающий поперечные ультразвуковые колебания при перемещении ЭМАП заданными шагами в радиальном направлении по траектории измерения.
Ультразвуковая волна, отраженная от наружной поверхности обода, принимается в каждой точке измерений. В электронном блоке производится измерение времени распространения ультразвуковой волны в радиальном trad и окружном ttan направлениях с точностью до двух миллиардных долей секунды. По результатам измерений с учетом акустоупругого коэффициента К рассчитывается значение остаточных напряжений сг в ободе колеса (1):
& К (3tan~Rad) ! Rad
(1)
Результаты расчета и заданное пороговое значение напряжения выводятся на монитор в виде диаграммы.
Для уточнения возможности и точности измерений на колесах необходимо исследовать влияние твердости и анизотропии металла колес на его акустоупругие характеристики.
3. Исследование акустоупругих свойств материалов колес
3.1. Исследование анизотропии упругих свойств металла ободьев колес
Важнейшим требованием применения ультразвукового метода оценки НК механических напряжений является отсутствие анизотропии материала.
Для оценки анизотропии упругих свойств металла, влияния твердости и определения акустоупругих характеристик ободьев колес на образцах, изготовленных из колес, производства Выксунского металлургического завода (ВМЗ) и Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК), проведены экспериментальные исследования.
Исследования проводились на измерительном стенде, состоящем из электронного ультразвукового блока, осциллографа и пьезоэлектрических
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/1
60
Подвижной состав
преобразователей, позволяющем измерять время с точностью до десятых долей наносекунды.
Измерялись значения времени прихода первого и второго донных эхосигналов. Далее по известной разнице времен At и известному геометрическому размеру образца B находилась скорость C ультразвука.
Измерения проводились для продольной и двух плоско поляризованных поперечных волн не менее чем пятикратно в каждой точке, в трех сечениях по высоте образца на трех плоскостях с последующей статистической обработкой. Всего проведено более 10000 измерений на 14 образцах. Оценки показали, что использованная аппаратура и методика измерений обеспечивают погрешность не более 0,03%.
Для выявления возможной анизотропии структуры металла в ободе колеса полученные данные были сгруппированы в виде матрицы скоростей.
Полярное сравнение недиагональных компонент матрицы скоростей указывает на их равенство с погрешностью, не превышающей 0,1%, что свидетельствует о том, что исследованные материалы ободьев колёс производства НТМК и ВМЗ можно считать изотропными.
Для оценки значимости влияния непостоянства твёрдости металла по высоте обода по полученным данным оценивалась зависимость скоростей различно поляризованных поперечных волн от твердости на разной глубине.
Установлено, что в ободьях колёс производства НТМК для всех поперечных волн скорость от твердости практически не зависит (АС<0,2%). В то же время скорость поперечных волн в металле колёс производства ВМЗ, во-первых, ниже на 0,4%, во-вторых, имеет тенденцию к уменьшению с возрастанием твердости. В диапазоне твердостей от 260HB до 380HB скорости уменьшаются на 0,6%.
3.2. Измерение акустоупругой константы K
Измерения по определению акустоупругого коэффициента K для колес российского производства проводились в сотрудничестве с доктором Е.Шнайдером (Dr. E. Schneider, IZfP).
К образцам прикладывалось известное напряжение растяжения и измерялись время прохождения поперечных волн, поляризованных параллельно направлению напряжения и перпендикулярно направлению напряжения. Так как влияние напряжения на скорость ультразвука незначительно (около 0,1%), время прохождения ультразвука и путь измерялись с точностью не ниже 0,01%.
В результате проведенных измерений установлено, что для ободьев колес российского производства значение акустоупругой постоянной материала составляет 135 МПа/%о.
2004/1
Известия Петербургского университета путей сообщения
Подвижной состав
61
4. Исследование методики измерения напряжений в ободе
Для оценки влияния технологических факторов на достоверность определения распределения остаточных механических напряжений в ободьях колес и уточнения методики контроля проведены
экспериментальные исследования в производственных условиях заводов-изготовителей. Измерения выполнялись ультразвуковым методом с помощью аппаратуры UER-T. В процессе исследований оценивались:
- случайные погрешности абсолютных значений измерений
напряжений в одной точке обода колеса, по окружности обода, для одной плавки колес и для колес из разных плавок;
- релаксация термических напряжений;
- влияние нарушений технологических процессов изготовления колес на распределение напряжений.
Для определения случайной погрешности абсолютных значений измерений манипулятор установки UER-T устанавливался на обод колеса и снимались показания прибора. Фиксировались средние (<тср), максимальные (<ттах) значения напряжений, глубина сечения (hmax) с максимальным значением напряжений и разность напряжений по высоте обода (oinax-Gmin)• Далее проводилась статистическая обработка результатов измерений. Всего было исследовано более 150 колес из 60 плавок.
Результаты проведенных исследований на ободьях цельнокатаных колес российского производства установили наличие в основном незначительных равномерно распределенных сжимающих напряжений, которые по высоте обода практически не переходят в растягивающие.
Для оценки релаксации термических напряжений колесо, остывшее до 80°С, подавалось на пост контроля. Последовательно измерялись распределения напряжений при остывании колеса на 10°С. Как показали результаты, в пределах исследованных температур наблюдается изменение средних значений напряжений только от 80°С до 60°С, что свидетельствует о возможности проведения измерений в диапазоне температур, не превышающем 60° С.
Измерения распределения остаточных механических напряжений в колесах, изготовленных с нарушением технологии производства, проводились на колесах без закалки, колесах с нарушением режима термоупрочнения и на колесах, произведенных из низкоуглеродистой стали с повышенной твердостью ободьев.
В процессе измерений установлено, что для колес с нарушением режима термоупрочнения в объеме обода, прилегающем к поверхности катания, наблюдаются значительные сжимающие напряжения. Кроме того, наблюдались растягивающие напряжения в нижней части обода, при этом разность напряжений составляет от 300 до 600 МПа, что многократно
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/1
62
Подвижной состав
превышает значения, характерные для колес, изготавливаемых по действующей технологии.
При оценке возможности измерения на колесах без закалки установлено, что затухание ультразвука в таких колесах значительно (до четырех раз больше, чем в стандартных), что приводит к резкому снижению измеряемого диапазона и увеличению погрешности. Результаты статистической обработки свидетельствуют о недостаточной достоверности измерений на таких колесах.
В колесах, произведенных из низкоуглеродистой стали с повышенной твердостью ободьев, в объеме обода наблюдаются значительные растягивающие напряжения в средней части обода.
Таким образом проведенные исследования показали, что колеса российских заводов производителей характеризуются достаточной однородностью и являются квазиизотропными, что позволяет применять ультразвуковой метод измерения распределения остаточных напряжений при значении коэффициента акустоупругости материала £=135 МПа/%о. Измерения распределения остаточных механических напряжений в ободьях цельнокатаных колес в заводских условиях аппаратурой UER-T обеспечиваются с достаточной воспроизводимостью и при установившемся технологическом режиме изготовления колес производственные факторы не оказывают существенного влияния на результаты измерений.
Для интегральной оценки распределения остаточных механических напряжений в цельнокатаных железнодорожных колесах необходимо исследование методики измерения напряжений в диске.
5. Заключение. Разработка технологической документации
На основании результатов исследований акустических свойств металла колес заводов-изготовителей и материалов опытных работ по измерению напряженного состояния колес в условиях производства разработаны предложения по методике оценки распределения остаточных напряжений в ободьях колес с использованием ультразвукового прибора UER-T производства IZfP (Германия).
Проект методики может быть использован для опытного внедрения аппаратуры при выборочном контроле остаточных напряжений в производственных условиях заводов-изготовителей.
6. Литература
ГОСТ 10791-89. Колеса цельнокатаные. Технические условия.
РД 32.144-2000. Контроль неразрушающий приемочный. Колеса цельнокатаные, бандажи и оси колесных пар подвижного состава. Технические требования.
Узлов И.Г., Данченко Н.И., Миронов П.Ф. и др. Влияние термической обработки и тепловых нагрузок на напряженное состояние железнодорожных колес. Вестник ВНИИЖТ, 1994, №1
2004/1
Известия Петербургского университета путей сообщения
