CC BY
3
DOI: 10.53078/20778481_2023_3_153 УДК 620.179.1
A. Н. СИНИЦА, канд. техн. наук, доц.
B. П. КУЛИКОВ, д-р техн. наук, проф. М. А. СИНИЦА, канд. техн. наук
Белорусско-Российский университет (Могилев, Беларусь)
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ОСЕЙ ТРАМВАЙНЫХ ВАГОНОВ ДЕФЕКТОСКОПОМ УД2-102 «ПЕЛЕНГ»
Аннотация
Рассмотрены особенности ультразвукового контроля осей трамвайных вагонов без демонтажа и разборки колесной пары. Приведены результаты расчета механических напряжений оси трамвайного вагона при трогании вагона с места. Установлены наиболее нагруженные участки оси. По результатам расчетов разработана технология ультразвукового контроля осей трамвайных вагонов и даны основные параметры.
Ключевые слова:
ультразвуковой контроль, ось трамвайного вагона, стандартный образец. Для цитирования:
Синица, А. Н. Ультразвуковой контроль осей трамвайных вагонов дефектоскопом УД2-102 «ПЕЛЕНГ» / А. Н. Синица, В. П. Куликов, М. А. Синица // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2023. - № 3 (80). - С. 153-160.
Введение
Одной из ответственных деталей трамвайных вагонов с точки зрения безопасной их эксплуатации является ось колесной пары.
Периодический контроль осей трамвайных вагонов проводится во всех трамвайных депо. Используемые при этом методы неразрушающего контроля (НК), последовательность их выполнения аналогичны тем, что применяются в практике дефектоскопии деталей подвижного состава железнодорожного транспорта. Основными из методов НК являются ультразвуковой контроль эхо-методом и магнитопорошковый.
До недавнего времени основным прибором, который использовался при акустическом контроле, являлся дефектоскоп УД2-12. Прибор надежен в эксплуатации, и при его грамотном применении достигается высокая чувствительность контроля, однако при этом
УД2-12 имеет ряд эксплуатационных недостатков, обусловленных, главным образом, устаревшей конструкцией дефектоскопа. Основными из этих недостатков являются низкая производительность контроля, связанная с длительной настройкой браковочной чувствительности при прозвучивании различных участков оси и замене пьезоэлектрических преобразователей, неудобства при определении координат дефекта, большие габариты и вес дефектоскопа.
В последние годы предприятия Республики Беларусь начали переоснащение своих лабораторий неразрушаю-щего контроля на более совершенные акустические дефектоскопы, которые лишены недостатков прибора УД2-12. Наибольшее распространение получили такие дефектоскопы, как УД2-102 «ПЕЛЕНГ» российской фирмы «АЛТЕК» и ^N-52 немецкой фирмы KRAUTKRAMER.
© Синица А. Н., Куликов В. П., Синица М. А., 2023
Указанные приборы за счет наличия встроенного процессора и жидкокристаллического дисплея позволяют хранить в памяти более 100 вариантов настройки дефектоскопа на различные зоны контроля или изделия, эффективно отсекать шумы, быстро, без перенастройки прибора, переходить на другие режимы контроля и преобразователи, хранить результаты контроля на внешнем накопителе, распечатывать копию экрана на бумаге. На экране дефектоскопа, кроме привычной сигналограм-мы, отображаются параметры выявленного дефекта, режимы контроля и др. Габариты и вес приборов в несколько раз ниже, чем у УД2-12.
В работе описываются особенности акустического контроля осей трамвайных вагонов дефектоскопом УД2-102 «ПЕЛЕНГ» на основе опыта ультразвуковой дефектоскопии трамваев в г. Мозыре.
Расчет механических напряжений в оси трамвайного вагона
Как отмечалось выше, технология ультразвукового контроля осей вагонов трамваев в целом аналогична контролю осей железнодорожных вагонов [1]. Однако с учетом различий в конструкциях осей трамваев и железнодорожных осей, отличий в схемах их нагру-жения контроль осей трамваев имеет свои особенности.
Ось трамвайного вагона работает в сложно нагруженных условиях при переменных нагрузках, и наиболее опасным эксплуатационным дефектом является усталостная трещина. Наиболее вероятными участками возникновения трещин являются те участки оси, в которых значения механических напряжений максимальны. Для определения этих участков был проведен расчет напряженно-деформированного состояния оси при различных схемах нагру-
жения (трогании трамвая с места, торможении, движении трамвая по криволинейному участку и т. д.).
На рис. 1 представлен эскиз оси в сборе с основными деталями, передающими ей механические нагрузки. На крайние подступичные части оси 1 напрессованы ступицы колес 2. К ним крепятся колеса (на рис. 1 не показаны), которые опираются на рельсы. С внутренних сторон ступиц колес расположены роликовые подшипники, на которые опирается кузов вагона (внутренние кольца подшипников обозначены цифрой 3). В центральной части на ось напрессована ступица зубчатого колеса 4. К ней крепится зубчатое колесо (на рис. 1 не показано), которое передает оси вращательное движение.
Схема нагружения оси при трога-нии трамвая изображена на рис. 2. Ось трамвая испытывает изгиб от сосредоточенных сил Г от веса вагона, а также кручение, обусловленное крутящим моментом М от редуктора двигателя. Ступицы колес неподвижны.
Расчет возникающих в оси механических напряжений проводился с использованием метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе SolidWorksSimulation.
Модель с приложенными нагрузками представлена на рис. 3. На внутренние кольца роликовых подшипников действует пара сил Г. К ступице зубчатого колеса приложен крутящий момент М. Ступицы колес (на рис. 3 не показаны) неподвижно закреплены.
Результаты расчетов
Результаты расчета механических напряжений оси трамвайного вагона представлены на рис. 4 в виде распределения цветовых градаций на поверхности оси (см. рис. 4, а), в ее продольном сечении (см. рис. 4, б), под ступицами колеса и кольцами роликового подшип-
ника с короткой (см. рис. 4, в) и длинной (см. рис. 4, г) частей оси, а также под ступицей зубчатого колеса
(см. рис. 4, д). Красные участки соответствуют максимальным значениям напряжений, синие - минимальным.
Рис. 1. Эскиз оси трамвайного вагона в сборе: 1 - ось трамвайного вагона; 2 - ступицы колес; 3 - кольца роликовых подшипников; 4 - ступица зубчатого колеса
Рис. 2. Схема нагружения оси трамвайного вагона
Рис. 3. Расчетная модель нагружения оси трамвайного вагона
Приведенные на рис. 4 данные отражают только качественную картину распределения механических напряжений в нагруженной оси при трогании трамвайного вагона с места. Тем не менее информация о наиболее нагруженных участках оси полезна при разработке технологии неразрушающего контроля.
Как видно из рис. 4, наибольших значений напряжения достигают под краями ступиц колес и роликовым подшипником в короткой части оси (до 200 МПа). Несколько меньшего значения (до 130 МПа) - на аналогичных участках длинной части оси между ступицей зубчатого колеса и роликовым подшипником. На участке зубчатого колеса (см. рис. 4, д) со стороны короткой части оси значения напряжений также больше, чем с длинной стороны (соответственно 150 и 130 МПа).
Разница в величине напряжений на короткой и длинной частях оси объясняется тем, что зубчатое колесо рас-
положено несимметрично по длине оси.
Таким образом, участками оси, в которых наиболее вероятно возникновение усталостных трещин, являются участки под ступицами колес и под роликовыми подшипниками, а также участки между ступицами колес и роликовыми подшипниками. Кроме того, контролировать следует и участки под краями ступицы зубчатого колеса и в обе стороны от них на расстоянии 50.. .70 мм.
Использование результатов расчетов механических напряжений в оси трамвайного вагона при разработке технологии ультразвукового контроля
По результатам расчетов была разработана технология ультразвукового контроля осей трамвайных вагонов с торцов оси без демонтажа и разборки колесной пары.
а)
АЭгЕМЗ-1 :: Э1аИс Мос1а1 Ягегг ип^: |\1Ат1л2
V
V
I
Уоп
™2.0436+008 1,872е+008 1.7026+008 1.5326+008 1.362е+008 ,1.1926+008 1.021 е+008 8.5126+007 8.8106+007 ¡.1086+007 ¡.4086+007 |1.7046+007 ?.520е+004
б)
Рис. 4. Распределение механических напряжений в нагруженной оси трамвайного вагона:
а - на поверхности оси; б - в продольном сечении оси; в - под ступицами колеса и кольцами роликового подшипника с короткой части оси; г - под ступицами колеса и кольцами роликового подшипника с длинной части оси; д - под ступицей зубчатого колеса
в)
ASSEM3-1 :: Static Nodal Stress Units : NAtia2
Von IWSes 3\043e+008 .37W008 .1.702\008 53 :e+008
04e+007 ¡20e+004
г)
ASSEM3-1 :: Static Nodal Stress Units : NftriA2
Von Mlses ™2.043e+008 1 872e+008 1,702e+008 1 ,S32e+008 .1,362e+QQS 1.192e+008 1.021 e+008 8.512e+007 8.810e+007 5.108e+007 3.406e+007
Окончание рис. 4
Процесс ультразвукового контроля оси проводится в несколько последовательных этапов. На каждом этапе контролируется определённая часть оси (зона). Каждая зона условно разделена на несколько диапазонов, в пределах которых наиболее вероятно возникновение эксплуатационных дефектов (усталостных трещин).
Для каждой зоны контроля следует применять свои схемы прозвучива-
ния, масштаб развёртки, эталонные отражатели и значения браковочной чувствительности.
Зоны контроля оси представлены на рис. 5. Размеры зон и диапазонов, расположение эталонных отражателей в стандартном образце выбраны с учетом результатов расчетов, описанных выше. Для исключения пропуска непрозвучи-ваемых участков оси зоны контроля взаимно перекрывают друг друга.
Рис. 5. Зоны контроля оси трамвайного вагона
Зона А - контролируется вся ось (контроль на прозвучиваемость).
Зоны В, С - контроль участков под ступицами колес.
Зоны Б, Е - контроль центральной части оси.
Для настройки акустического дефектоскопа используется стандартный образец предприятия (СОП) колесной пары с искусственными дефектами в виде узких поперечных прорезей в оси. Такие искусственные дефекты располагаются во всех зонах контроля в местах наиболее вероятного возникновения усталостных трещин [2]. Образец аттестован в установленном порядке.
Параметры контроля, полученные при прозвучивании соответствующих зон стандартного образца, записывают-
ся в память дефектоскопа в качестве настроек. Настройки создаются один раз. Перед проведением контроля каждой зоны нет необходимости перенастраивать прибор, достаточно только вызвать из памяти соответствующую настройку.
Заключение
Результаты расчета механических напряжений оси трамвайного вагона позволили установить наиболее нагруженные участки оси. Это участки под краями ступиц колес и роликовым подшипником, а также на участке зубчатого колеса в средней части оси. Именно здесь наиболее вероятно возникновение усталостных трещин.
Также установлено, что из-за несимметричности расположения зубчатого колеса по длине оси значения напряжений в короткой части оси превышают напряжения в длинной части. Причем эта разница увеличивается по мере удаления от зубчатого колеса. Слева и справа от зубчатого колеса значения напряжений составляют соответственно 150 и 130 МПа, а уже под ступицами колес - 200 и 130 МПа.
По результатам расчетов разработаны технология ультразвукового контроля осей трамвайных вагонов и стандартный образец предприятия колесной пары с искусственными дефектами для настройки акустического дефектоскопа.
Методика контроля внедрена в трамвайном депо г. Мозыря. Использование дефектоскопа УД2-102 «ПЕЛЕНГ» позволило сократить время акустического контроля одной оси в 3 раза.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / В. В. Клюев [и др.]; под ред. В. В. Клюева. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва: Машиностроение, 2003. - 656 с.
2. Неразрушающий контроль: в 5 кн. Кн. 2: Акустические методы контроля: практическое пособие / Под ред. В. В. Сухорукова. - Москва: Высшая школа, 1991. - 283 с.: ил.
Статья сдана в редакцию 14 июля 2023 года
Контакты:
[email protected] (Синица Александр Николаевич); [email protected] (Куликов Валерий Петрович); [email protected] (Синица Маргарита Анатольевна).
A. N. SINITSA, V. P. KULIKOV, M. A. SINITSA
ULTRASONIC INSPECTION OF TRAMWAY CAR AXLES WI TH UD2-102 PELENG FLAW DETECTOR
Abstract
The features of ultrasonic testing of tramway car axles without dismantling and disassembling the wheel-set are considered. The results of calculation of mechanical stresses of tramcar axle, when starting the tramcar, are given. The most loaded parts of the axle are determined. Based on the results of the calculations, the technology for ultrasonic testing of tramway car axles has been developed and its main parameters are presented in this paper.
Keywords:
ultrasonic testing, tramway car axle, reference material. For citation:
Sinitsa, A. N. Ultrasonic inspection of tramway car axles wi th UD2-102 PELENG flaw detector / A. N. Sinitsa, V. P. Kulikov, M. A. Sinitsa // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2023. - № 3 (80). -P. 153-160.
