CC BY
42
УДК 620.179.12
А. В. Курков, И. А. Смирнов, А. Д. Шубин, С. С. Пушкин
ВЫЯВЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ ТРЕЩИН В ГРЕБНЯХ БАНДАЖЕЙ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛЕС 1
Дата поступления: 11.10.2018 Решение о публикации: 17.10.2018
Аннотация
Цель: На основе характеристик шумовых сигналов ультразвуковой поверхностной волны в бездефектных бандажах локомотивных колес и характеристик эхо-сигналов от реальных и искусственных трещин определить параметры контроля для выявления поперечных трещин в гребнях бандажей локомотивных колес. Методы: Изготовлена модель трещины в виде пропила в гребне цельнокатаного колеса, измерены амплитуды эхо-сигналов ультразвуковой поверхностной волны от модели трещины, реальных трещин, а также амплитуды шумовых сигналов этой волны на бездефектных бандажах локомотивных колес. Результаты: Определены характеристики шумовых сигналов ультразвуковой поверхностной волны и эхо-сигналов от реальных и искусственных трещин в бандажах локомотивных колес. Разработана методика по выявлению поперечных трещин в бандажах локомотивных колес. Практическая значимость: Внедрение описанной методики позволит выявлять поперечные трещины бандажей локомотивных колес на ранней стадии их развития, что предотвратит излом бандажа и, как следствие, возможное крушение поезда.
Ключевые слова: Трещина, бандаж, гребень, колесо, неразрушающий контроль, сортировочная горка, методика, ультразвуковой контроль.
Alexander V. Kurkov, Cand. Eng. Sci., associate professor, [email protected]; *Ivan A. Smirnov, student, [email protected]; Alexander D. Shubin, student, shubin.sasha.28.01.98@gmail. com; Sergey S. Pushkin, student, [email protected] (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) DETECTION OF TRANSVERSE CRACKS IN FLANGES OF LOCOMOTIVE WHEELS
Summary
Objective: To determine control parameters for the detection of transverse cracks in flanges of locomotive wheels based on characteristics of noise signals of an ultrasonic surface wave in defect-free flanges of locomotive tires as well as characteristics of return signals from real and artificial cracks. Methods: A crack model was designed in the form of a sawcut made in the flange of a solid wheel. Amplitudes of return signals of an ultrasonic surface wave were measured from a crack model, real cracks, as well as amplitudes of noise signals of the wave on defect-free flanges of locomotive tires. Results: Characteristics of noise signals of an ultrasonic surface wave and return signals from real and artificial cracks in flanges of locomotive tires were determined. The procedure of detecting transverse cracks in flanges of locomotive tires was developed. Practical importance: The implementation of the procedure in question will make to possible to detect transverse cracks in flanges of locomotive tires at an early stage of their development. The latter will prevent flange rupture and, therefore, possible train crash.
Keywords: Crack, binding band, flange, wheel, nondestructive control, gravity yard, procedure, ultrasonic check.
1 Данная статья написана при поддержке Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» инициативных научных работ, выполняемых студенческими научными коллективами.
Введение
В настоящей статье предлагается методика выявления поперечных трещин в гребнях бандажей колес локомотивов.
Впервые подобные поперечные трещины были обнаружены при обточке бандажей локомотивных колес. Бандаж - это деталь составного колеса, имеющая специальный профиль, который обеспечивает его контакт с рельсом и задаваемые условия контакта. Во время проведения такой процедуры происходил откол кусков гребня, что приводило к его непригодности. Данные трещины наиболее часто встречаются на гребнях колес ЧМЭ3 [1] на сортировочных горках при выполнении маневровых работ [2] в условиях низких температур. Возможно, это явление связано с большим перепадом температур из-за торможения локомотивом состава с разомкнутыми тормозными магистралями. Поскольку вагоны, которые спускают с горки, тормозятся только за счет локомотива, то места прижатия тормозных колодок сильно нагреваются [3]. В условиях низких температур происходит их последующее резкое охлаждение. В результате на гребнях бандажей образуются термические трещины или трещины напряжения [4].
Это дефект поверхности, представляющий собой разрыв металла, идущий вглубь под прямым углом к поверхности, который возникает вследствие напряжений, связанных со структурными превращениями или неравномерным нагревом и охлаждением.
Визуальным методом контроля [5] выявлять данные трещины весьма затруднительно, поскольку их размеры слишком малы, а также из-за состояния поверхности гребня и отсутствия доступа ко всей поверхности колеса. На рис. 1 представлен внешний вид трещины на гребне бандажа. Видно, что заметить такую трещину возможно, но вероятность пропуска дефекта очень велика.
Постановка задачи
Цель настоящего исследования - определить метод и основные параметры контроля, который бы мог с большой достоверностью выявлять данные дефекты, а также разработать методику, опираясь на которую дефекто-скописты смогли бы оперативно проводить контроль. В работе участвовал студенческий научный коллектив кафедры «Методы и приборы неразрушающего контроля» ПГУПС.
Рис. 1. Внешний вид трещины гребня бандажа
Поскольку методику необходимо создать для контроля бандажей локомотивных колес при текущем обслуживании локомотивов или их ремонте, она должна быть встроена в технологический процесс депо, на котором будет проводиться контроль. Соответственно к ней выдвигается ряд требований:
- контроль под локомотивом (отсутствие доступа ко всей поверхности колеса);
- использование уже существующего оборудования;
- малозатратность по времени (7-10 мин на колесо);
- надежное выявление трещин глубиной 1 мм и более.
Опираясь на данные требования, следует выбрать подходящий метод контроля. Рекомендуется проводить контроль тремя методами: ультразвуковой, магнитопорошковый и оптический. Также в локомотивном хозяйстве применяется капиллярный метод контроля.
Выбор метода контроля
Использование капиллярного метода контроля осложнено тем, что для выявления поверхностных дефектов нужно объект контроля покрыть специальным веществом - пенетран-том [6]. Исходя из первого требования к методике, данный метод не подойдет, так как полностью покрыть поверхность гребня колеса пенетрантом невозможно при отсутствии доступа ко всей поверхности колеса.
Магнитопорошковый метод требует как полного доступа к поверхности объекта контроля, так и полного его намагничивания [7]. Его нельзя применить, ссылаясь на первое требование к методике, так как для полного намагничивания необходима выкатка колесной пары из-под локомотива, что недопустимо.
Ультразвуковой метод контроля, в свою очередь, удовлетворяет всем требованиям к методике. В его основе лежит использование колебаний звуковой волны как источника информации о наличии дефекта [8]. Для проведения контроля таким методом следует
провести предварительную настройку оборудования по эталонам - установить необходимую чувствительность и другие параметры контроля. Для удовлетворения всех требований к методике контроля было принято решение применить преобразователь релеевских (поверхностных) волн на частоту 1,25 МГц.
Измерения
Для подбора чувствительности и оценки контролепригодности [9] бандажей локомотивных колес важно снять их характеристики шумовых сигналов. Измерения проводились в локомотивных депо «Санкт-Петербург-Пассажирский-Московский», «Санкт-Петербург-Витебский-Сортировочный», Вологда и Агрыз (Татарстан).
Параметры сигналов от реальных трещин измерялись в локомотивном депо Агрыз. В гребне цельнокатаного колеса, находящегося в лаборатории кафедры «Методы и приборы неразрушающего контроля», была выполнена модель трещины - пропил глубиной 1 мм.
После снятия и обработки измерений анализируются характеристики шумовых сигналов бездефектных колес, которые представлены в виде нижней группы кривых на рис. 2, сигналов от реальных и искусственных дефектов в гребнях - в виде верхней группы.
Методика
В работе [10] охарактеризована методика по проведению ультразвукового контроля гребней бандажей локомотивных колес. В ней подробно описано, как настраивать прибор перед проведением контроля. Схему настройки браковочного уровня ультразвукового контроля (УЗК) на стандартных образцах СО-2 и СО-ЗР иллюстрирует рис. 3, а-в.
Для контроля гребней бандажей необходимо использовать схему установки датчика в соответствии с рис. 4.
0 --10 --20 --30 --40 --50 --60 --70 1) -80 --90 --100 -
Амплитуда, дБ
300 350
Установка ПЭП, см
Рис. 2. Зависимость амплитуды сигнала от реальных трещин в гребнях бандажей (верхняя группа кривых) и амплитуды шума в бездефектных гребнях (нижняя группа) при удалении от места установки преобразователя (ПЭП) по окружности колеса
ж.
v<
111111 1 1 1 1 1 1 «" 0 10 20 30 40 50 I 60 70 i
^ ♦ + ♦ у
Рис. 4. Установка датчика на контролируемый бандаж
Рис. 3. Настройка браковочного уровня УЗК вершины гребня бандажей локомотивных колес на стандартных образцах СО-3 Р (а), СО-2 (б) и на экране дефектоскопа (в)
а
б
О 1
LÛ -10 -
ё -20 -
Cl
О
с -30 -
>s
3
Щ -40 -
о
ш
g -50 -
го
о.
ш -60 -
"70 0 50 100 150 200 250 300 350
Установка ПЭП, см
Рис. 5. Браковочный порог, настраиваемый по ТИ 07.185-2018: 1 - область сигналов от трещин; 2 - область шумов в бездефектных бандажах при удалении от места установки ПЭП по окружности колеса
На рис. 5 показан браковочный порог, уровень которого установлен согласно результатам проведенных исследований.
Заключение
Описанная методика была испытана как на модели дефекта в виде пропила на гребне цельнокатаного колеса, так и на гребнях локомотивных колес, бездефектных и с реальными трещинами. Для испытаний использовались колесные пары локомотивов ЧМЭ3, ВЛ10, 2 ТЭ10, ТЭП70, ЭП2 К. В настоящее время проводится внедрение методики в технологический процесс локомотивных депо российских железных дорог.
Библиографический список
1. Нотик З. Х. Тепловозы ЧМЭЗ, ЧМЭЗТ, ЧМЭ-ЗЭ. - 2-е изд., перераб. и доп. / 3. X. Нотик. - М. : Транспорт, 1996. - 444 с.
2. Луговцов М. Н. Сортировочные станции / М. Н. Луговцов. - Гомель : БелГУТ, 2009. - 248 с.
3. Крылов В. И. Тормоза подвижного состава. -2-е изд. / В. И. Крылов, Е. В. Клыков, В. Ф. Ясен-цев. - М. : Транспорт, 1980. - 76 с.
4. Расщупкин В. П. Дефекты металла / В. П. Рас-щупкин, М. С. Корытов. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2006. - 37 с.
5. Клюев В. В. Неразрушающий контроль : в 8 т. Т. 1. Визуальный и измерительный контроль / В. В. Клюев. - М. : Машиностроение, 2008. -560 с.
6. Прохоренко П. П. Физические основы и средства капиллярной дефектоскопии / П. П. Прохоренко, Н. П. Мигун. - Минск : ИПФ, 1998. - 37 с.
7. Шелихов Г. С. Магнитопорошковая дефектоскопия деталей и узлов / Г. С. Шелихов. - М. : Эксперт, 1995. - 251 с.
8. Кретов Е. Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении / Е. Ф. Кретов. - СПб. : СВЕН, 2014. - 392 с.
9. Клюев В. В. Неразрушающий контроль : в 8 т. Т. 3. Ультразвуковой контроль / В. В. Клюев. -М. : Машиностроение, 2008. - 864 с.
10. ТИ 07.185-2018. Технологическая инструкция по ультразвуковому контролю вершины гребня бандажей колесных пар локомотивов при выполнении сервисного обслуживания / сост.: А. В. Шевелев, А. В. Курков. - СПб. : НИИ мостов, 2018. - 23 с.
References
1. Notik Z. Kh. Teplovozy ChMEZ, ChMEZT, ChMEZE [Diesel locomotives ChMEZ, ChMEZT, ChMEZE]. 2nd ed., rev. and enlarged. Moscow, Transport Publ., 1996, 444 p. (In Russian)
2. Lugovtsov M. N. Sortirovochniye stantsii [Marshalling yards]. Gomel, BelGUT (Belarusian State University of Transport) Publ., 2009, 248 p. (In Russian)
3. Krylov V. I., Klykov E. V. & Yasentsev V. F. Tor-mozapodvizhnogo sostava [Rolling stock brake]. 2nd ed. Moscow, Transport Publ., 1980, 76 p. (In Russian)
4. Rasshchupkin V. P. & Korytov M. S. Defekty metalla [Metal defects]. Omsk, SibADI Publ., 2006, 37 p. (In Russian)
5. Klyuyev V. V. Nerazrushayushchiy control [Nondestructive control]. In 8 vol. Vol. 1. Vizualniy i izme-ritelniy control [Visual test and control by measurement]. Moscow, Mashinostroyeniye [Mechanical engineering] Publ., 2008, 560 p. (In Russian)
6. Prokhorenko P. P. & Migun N. P. Fizicheskiye os-novy i sredstva kapillyarnoy defektoskopii [Physics and means of liquid penetrant inspection]. Minsk, IPF (Institute of Applied Physics) Publ., 1998, 37 p. (In Russian)
7. Shelikhov G. S. Magnitoporoshkovaya defek-toskopiya detaley i uzlov [Magnetic particle testing of parts and assemblies]. Moscow, Ekspert Publ., 1995, 251 p. (In Russian)
8. Kretov E. F. Ultrazvukovaya defektoskopiya v energomashinostroyenii [Ultrasonic testing in powerplant engineering]. Saint Petersburg, SVEN Publ., 2014, 392 p. (In Russian)
9. Klyuyev V. V. Nerazrushayushchiy control [Nondestructive control]. In 8 vol. Vol. 3. Ultrazvukovoy control [Ultrasonic inspection]. Moscow, Mashinostroyeniye [Mechanical engineering] Publ., 2008, 864 p. (In Russian)
10. Shevelev A. V. & Kurkov A. V. TI 07.185-2018. Tekhnologicheskaya instruktsiya po ultrazvukovomu kontrolyu vershiny grebnya bandazhey kolesnykh par lokomotivov pry vypolnenii servisnogo obsluzhiva-niya [TI 07.185-2018. Process message on ultrasonic control of a wheel flange top for locomotive set of wheels while preforming service maintenance]. Saint Petersburg, NII Mostov (Research and Development Department of Bridges) Publ., 2018, 23 p. (In Russian)
КУРКОВ Александр Валентинович - канд. техн. наук, доцент, a. [email protected]; *СМИР-НОВ Иван Александрович - студент, [email protected]; ШУБИН Александр Дмитриевич - студент, [email protected]; ПУШКИН Сергей Сергеевич - студент, Pushkin. [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
