Ультразвуковой контроль колесных пар локомотива
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2
Разраб.
Миронов
Провер.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Ультрозвуковой контроль бандажей колёсных пар
Лит.
Листов
23
42 ТЭПС
ВВЕДЕНИЕ
1.Актуальность исследований………
2.Постановка проблемы………………………
3.Теоретический анализ исследований………………………………7
4.Целью……………………………………………………………
5.Задачи исследования………………………
6.Основной материал
7.Вывод……………………………………………………………
Литература.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
совершенствование выявления несплошностей металла вблизи донной поверхности при диагностической операции ультразвукового контроля бандажей колесных пар
В работе представлены результаты исследований по выявлению несплошностей металла бандажей колесных пар подвижного состава железных дорог, залегающих вблизи донной поверхности, способом высокочастотных эхо-сигналов. Исследования производились на образцах из фрагментов бандажей с искусственными отражателями в виде сверления с плоским дном диаметром 3 мм и20 мм. Установлены новые дополнительные признаки для выявления крупных несплошностей вблизи донной поверхности при диагностической операции ультразвукового контроля бандажей по сравнению с выявлением мелких несплошностей. Рис. 10, Ист. 8.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
4
1.Актуальность исследований.
Проблема безопасности движения на железных дорогах имеет приоритетное значение. Бандажи составных ходовых колес колесной пары подвижного состава являются ответственейшим элементом, от исправной работы которого существенно зависит безопасность движения поездов. Особые требования предъявляются к металлу бандажей. В бандажах должны отсутствовать недопустимые несплошности металла, наличие которых определяется при диагностировании ультразвуковым методом [1, 2].
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
2.Постановка проблемы.
В соответствии с [3, 4] диагностической операции ультразвукового контроля подвергаются как черновые бандажи, так и бандажи после окончательной механической обработки.
Одним из недостатков ультразвукового контроля по руководящему документу [4] является отсутствие выявления нарушений сплошности металла вблизи противоположной донной поверхности бандажа. Там на фоне интенсивного донного эхо-сигнала выявление несплошностей вблизи дна изделия затруднено. В связи с этим у противоположной поверхности изделия имеется неконтролируемая зона. Величина этой зоны определяется лучевой разрешающей способностью импульсного эхо-метода. Лучевая разрешающая способность зависит в основном от длительности импульса и скороти ультра звука в материалле [5].
По существующей технологии изготовления колесных пар окончательная механическая обработка посадочной поверхности бандажа производится до посадки на колесный центр, остальных поверхностей – после формирования колесной пары. Поэтому диагностическая операция ультразвукового контроля бандажей после окончательной механической обработки производится в составе колесной пары. В соответствии с [4] при диагностировании бандажей ультразвуковым импульсным эхо-методом существуют зоны контроля в пределах которых контролируемая несплошность металла может быть определена с заданной степенью достоверности. Также существуют зоны, где не гарантируется выявление несплошностей. При радиальном направлении ультразвукового контроля бандажей на частотах 2,0-2,5 МГц или 4,0-5,0 МГц продольной волной с поверхности катания зона, в которой не гарантируется выявление несплошностей у посадочной поверхности, составляет 10мм (рис. 1, а).
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
а
Рис. 1. Контролируемые ультразвуком зоны бандажей:
а - с поверхности катания; б - с внутренней боковой поверхности до изготовления канавки для заводного кольца
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
7
3. Теоретический анализ исследования.
В черновых бандажах при диагностической операции ультразвукового контроля с внутренней боковой поверхности контролируется, в том числе и зона вблизи посадочной поверхности (рис. 1, б).
При подготовке к формированию колесной пары в бандаже изготавливается канавка для установки заводного кольца и при контроле бандажа в составе колесной пары направить ультразвук с внутренней боковой поверхности в зону вблизи посадочной поверхности из-за неё невозможно – положение 2 преобразователя (рис. 2).
Рис. 2. Ультразвуковой контроль бандажа с внутренней боковой поверхности в осевом направлении после обработки внутренней поверхности и формирования колесной пары.
Исследования показывают, что в этой зоне существуют нарушения сплошности металла по ликвациям, закаты и др., возникающие при изготовлении бандажа, которые нельзя пропустить в эксплуатацию (рис. 3) [6].
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
8
а
в
Рис. 3. Характерные внутренние неоднородности и несплошности на макрошлифах бандажей в поперечном сечении: а, б- ликвация, в - плена, г - нарушение сплошности по ликвации.
Анализ расположения несплошностей в исследуемой зоне показывает, что максимальная их поверхность обращена к поверхности катания, а к боковой поверхности - минимальная. Выявление ультразвуком таких несплошностей наиболее эффективно с поверхности катания. При ультразвуковом контроле с внутренней боковой поверхности эхо-сигналы от этих несплошностей будут незначительными из-за чего выявление несплошностей затруднительно [7]. Таким образом, ультразвуковой контроль зоны вблизи посадочной поверхности, проводимый в черновых бандажах является неэффективным и Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
9
недостаточным. Отсутствие надежного контроля указанной зоны является недостатком нормативного документа [4].
Ультразвуковые дефектоскопы при эхо-методе работают в импульсном режиме. Обычно на экране дефектоскопа после детектирования наблюдают огибающие высокочастотных сигналов (детектированные сигналы).
При выявлении несплошностей металла продольными волнами эхо-сигнал от них на экране дефектоскопа виден отдельно от донного эхо-сигнала (сигнала от противоположной донной поверхности). Если несплошность расположена вблизи донной поверхности, то эхо-сигналы от нее и донной поверхности не фиксируются дефектоскопом раздельно. При этом левый фронт донного эхо-сигнала может смещаться влево при наличии несплошности, что может служить признаком существования несплошностей в этой зоне.
Однако такое смещение может происходить как из-за несплошности, так и из-за изменения толщины изделия [8]. Кроме этого из-за изменения акустического контакта в процессе сканирования также изменяется ширина сигнала. Если несплошность находится вблизи дна, то не всегда визуально удается регистрировать такое смещение. Учитывая ответственность бандажа в обеспечении безопасности движения на железных дорогах, такой признак наличия несплошности металла по смещению левого фронта донного эхо-сигнала является недостаточным для надежного выявления несплошностей металла.
В некоторых дефектоскопах предусмотрена возможность наблюдения высокочастотных сигналов на экране дефектоскопа [5].
В [8] предложен способ выявления несплошностей вблизи донной поверхности по изучению высокочастотных эхо-сигналов от несплошностей и от донной поверхности. Рассматривался случай, когда эхо-сигнал от несплошности значительно меньше эхо-сигнала от донной поверхности. СИзм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
10
лева донного высокочастотного эхо-сигнала, начиная с расстояния , появляются отчетливые дополнительные высокочастотные колебания, число периодов которых пропорционально расстоянию между отражателями. Их появление связано с тем, что первый меньший отражатель находится ближе к преобразователю, и эхо-сигнал от него, хотя и немного, но все же опережает больший по амплитуде эхо-сигнал от донной поверхности. Расстояние между несплошностью и донной поверхностью определяется по количеству дополнительных колебаний, появившихся перед фронтом донного сигнала.
В [8] разрабатывался и экспериментально проверялся способ для выявления несплошностей малых размеров (искусственных отражателей диаметром 2 мм) вблизи донной поверхности. Недостатком предложенного способа является разработка признаков обнаружения только для несплошностей малых размеров:
- изменение левого фронта высокочастотного донного эхо-сигнала фиксируется при появлении дополнительных высокочастотных колебаний малой амплитуды перед высокочастотным донным эхо-сигналом большой амплитуды;
- глубина залегания несплошности определяется по количеству дополнительных высокочастотных колебаний, появившихся перед левым фронтом донного эхо-сигнала. Дополнительные высокочастотные колебания из-за своей малой амплитуды легко различаются с донными эхо-сигналами большой амплитуды.
Кроме этого в работе [8] не указано, для какой толщины металла проводились исследования.
Задачей ультразвукового контроля является выявление несплошностей не только малых размеров, но и крупных - превышающих площадь искусственного отражателя диаметром 2 мм. В работе [8] предложен способ выявления малых несплошностей у дна, при этом не рассматривался вопрос Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
11
обнаружения крупных, недопустимых с точки зрения прочностных свойств нарушений сплошности металла, а при диагностировании необходимо уверенно выявлять и крупные недопустимые несплошности. Рассмотренные в [6] несплошности бандажей, располагающиеся вблизи посадочной поверхности, значительно превышают отражатели 2 мм. Они могут полностью или значительно перекрыть зондирующий ультразвуковой сигнал, и донный эхо-сигнал может совсем отсутствовать или иметь амплитуду меньшую, чем от несплошности. Поэтому способ выявления несплошностей вблизи донной поверхности с помощью высокочастотных сигналов с предложенными в [8] признаками выявления несплошности имеет ограниченное практическое применение.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
12
4.Целью.
Настоящей работы является совершенствование технологии диагностической операции ультразвукового контроля бандажей колесных пар путем уменьшения неконтролируемой зоны вблизи посадочной поверхности бандажа.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
13
5.Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели необходимо:
- изготовить образцы из фрагментов бандажей с искусственными отражателями вблизи посадочной поверхности;
- экспериментально определить минимальную глубину выявления несплошностей вблизи посадочной поверхности с помощью высокочастотных сигналов;
- экспериментально проверить признаки выявления малых несплошностей вблизи посадочной поверхности;
- произвести экспериментальное исследование выявления крупных несплошностей вблизи посадочной поверхности бандажа высокочастотными сигналами;
- разработать новые признаки для выявления крупных несплошностей вблизи посадочной поверхности бандажа высокочастотными сигналами.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
14
6.Основной материал исследований.
Для изучения и разработки предложений по совершенствованию технологии контроля из фрагментов двух бандажей были изготовлены образцы с плоскодонными цилиндрическими отражателями.
На одном образце были выполнены цилиндрические плоскодонные отражатели диаметром 3 мм. Глубина залегания отражающей поверхности плоского дна от посадочной поверхности бандажа соответствует 4λ, 2λ, λ, 0,5λ ультразвуковой продольной волны для частоты 2,5 МГц (рис. 4). В этом же образце для контроля в осевом направлении с внутренней боковой поверхности были выполнены аналогичные искусственные отражатели.
Рис. 4. Фото образца с плоскодонными цилиндрическими отражателями диаметром 3 мм для проведения экспериментальных исследований.
На этом образце экспериментально определялось выявление плоскодонных отражателей на указанных глубинах на частотах 2,5 и 5 МГц прямыми пьезоэлектрическими преобразователями П111-2,5-К12-003 и П111-5-К6-003, П111-5-К12-003 продольными волнами с помощью детектированных и высокочастотных эхо-сигналов. Работы выполнялись ультразвуковым дефектоскопом УД4-Т. Ультразвуковой дефектоскоп с преобразователем настраивался на предельную чувствительность 7,1 мм2 на глубине 15 мм от посадочной поверхности.
В процессе эксперимента
было установлено, что искусственный отражатель
на глубине 0,5λ2,5 от посадочной поверхности
бандажа на частоте 2,5 МГц не выявляется
детектированным, и неуверенно выявляется
высокочастотным эхо-сигналом. На частоте
2,5 МГц уверенно выявлялся искусственный
отражатель на глубине λ2,5 с помощью
высокочастотного эхо-сигнала и не выявляется
детектированным сигналом (рис. 5).
а
Рис. 5. Вид детектированного - а и высокочастотного эхо-сигнала - б от искусственного отражателя диаметром 3 мм на экране дефектоскопа при Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
15
контроле на частоте 2,5 МГц прямым преобразователем, глубина залегания отражателя - λ2,5.
Экспериментально определено, что при контроле на частоте 5 МГц удается выявлять высокочастотным эхо-сигналом искусственный отражатель на глубине 0,5λ2,5, при этом с помощью детектированного сигнала выявление не уверенное. Эксперименты на частоте 5 МГц проводились с диаметрами пьезоэлемента 6 мм и 12 мм. Было установлено, что более уверенное выявление искусственного отражателя на глубине 0,5 λ2,5ультразвуковым преобразователем с диаметром преобразователя 6 мм (рис. 6).
а
Рис. 6. Вид детектированного - а и высокочастотного - б эхо-сигнала от дефекта на экране дефектоскопа при контроле на частоте 5 МГц прямым преобразователем, глубина залегания отражателя - 0,5λ2,5.
Исследования выявления плоскодонных отражателей диаметром 3 мм на наружной боковой поверхности на глубинах 4λ, 2λ, λ, 0,5λ ультразвуковой продольной волны для частоты 2,5МГц с помощью детектированных и высокочастотных эхо-сигналов частотой 2,5 и 5 МГц показали аналогичные результаты.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
16
Учитывая, что на 5 МГц с помощью высокочастотного эхо-сигнала уверенно выявляется искусственный отражатель на глубине 0,5 λ2,5, эксперименты по выявлению искусственных отражателей большего размера проводились для глубины 0,5 λ2,5.
Во втором фрагменте бандажа был изготовлен цилиндрический плоскодонный искусственный отражатель диаметром 20 мм (рис. 7).
Рис. 7. Фото образца с плоскодонным цилиндрическим отражателем диаметром 20ммдля проведения экспериментальных исследований
Экспериментально изучался высокочастотный эхо-сигнал от искусственного отражателя диаметром 20мм в различных положениях преобразователя относительно искусственного отражателя. На рис. 8 представлен вид высокочастотного эхо-сигнала в положении преобразователя против центральной части отражателя.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
17
Рис. 8. Вид высокочастотного эхо-сигнала от исскуственного отражателя 20мм на экране дефектоскопа при контроле прямым преобразователем с диаметром пьезоэлемента 6 мм на частоте 5 МГц
По виду такого высокочастотного сигнала согласно признакам предложенного в [8] способа определить наличие несплошности невозможно, так как амплитуда высокочастотных колебаний от несплошности и дна приблизительно одинакова, и выделить слева дополнительные колебания от несплошности невозможно, что не позволяет обнаружить отражатель.
Если несплошность будет иметь значительные размеры, то донный эхо-сигнал на ее фоне не будет регистрироваться и произойдет только смещение высокочастотного эхо-сигнала влево, а вид высокочастотных колебаний эхо-сигнала от несплошности останется как у донного эхо-сигнала. А так как у бандажа толщина переменная, то по этому признаку можно пропустить недопустимую несплошность металла.
Эксперименты показали, что при перемещении преобразователя на начало отражателя происходит изменение амплитуды и количества высокочастотных колебаний в эхо-сигнале. При этом дополнительные высокочастотные колебания эхо-сигнала слева возрастают, а колебания донного эхо-сигнала справа – снижаются. При перемещении преобразователя с отражателя на бездефектный участок происходит снижение амплитуды колебаний слева эхо-сигнала и возрастание амплитуды колебаний справа.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
18
Признаком начала несплошности предлагается считать противоположное изменение амплитуд высокочастотных колебаний эхо-сигнала слева и справа и изменение их количества. Определив края несплошности можно оценить и ее условные размеры.
На рис. 9 представлен вид высокочастотного сигнала при перемещении преобразователя с бездефектного участка на начало искусственного отражателя.
Рис. 9. Вид высокочастотного
сигнала при перемещении
Глубину залегания крупной несплошности предлагается определять так же как и в [8] по количеству колебаний слева эхо-сигнала и по дополнительному новому признаку - по количеству колебаний эхо-сигнала слева, имеющих амплитуду высокочастотных колебаний значительно меньших амплитуды эхо-сигналов от дна с одинаковой динамикой возрастания колебаний вначале или убывания в конце несплошности.
Экспериментально изучалось изменение высокочастотного эхо-сигнала от дна при перемещении преобразователя поперек поверхности катания, в процессе которого изменялась толщина бандажа.
Установлено, что при перемещении преобразователя поперек поверхности катания происходит смещение эхо-сигнала из-за изменения толщины, но количество высокочастотных колебаний в эхо-сигнале не изменяется. В Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
19
процессе перемещения
преобразователя изменяется местами
амплитуда высокочастотных
На рис. 10 показаны различные положения преобразователя при перемещении его поперек поверхности катания и соответствующие ему виды высокочастотных донных эхо-сигналов на экране дефектоскопа при отсутствии в металле несплошностей.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
20
а
б
Рис. 10. Положения преобразователя при перемещении его поперек поверхности катания – а, и смещение высокочастотного донного эхо-сигнала при ультразвуковом контроле переменной толщины бандажа - б
Выводы.
1. На изготовленных образцах определено, что способ выявления несплошностей металла с помощью высокочастотных колебаний эхо-сигналов при диагностической операции ультразвукового контроля бандажей позволяет уменьшить неконтролируемую зону вблизи посадочной поверхности бандажа до 0,5λ2,5 (1,2 мм) при контроле на частоте 5 МГц и до λ2,5 (2,4 мм) при контроле на частоте 2,5 МГц.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
21
2. Экспериментально подтверждено, что при диагностической операции ультразвукового контроля с помощью высокочастотных колебаний эхо-сигнала признаками выявления малых несплошностей вблизи посадочной поверхности бандажа является появление дополнительных высокочастотных колебаний малой амплитуды перед высокочастотным донным эхо-сигналом большой амплитуды. Глубина залегания такой несплошности определяется по количеству дополнительных высокочастотных колебаний, появившихся слева от высокочастотного донного эхо-сигнала.
3. Экспериментально установлено, что по признакам выявления малых несплошностей способом высокочастотных колебаний эхо-сигнала определить наличие крупной несплошности вблизи посадочной поверхности бандажа невозможно, потому что при положении преобразователя над крупной несплошностью по амплитуде дополнительные высокочастотные сигналы не отличаются от высокочастотных колебаний донного эхо-сигнала.
4. По результатам исследований разработаны новые признаки для выявления крупных несплошностей вблизи посадочной поверхности бандажа при диагностической операции ультразвукового контроля бандажей колесных пар:
- началом несплошности является появление дополнительных высокочастотных колебаний слева перед высокочастотным донным эхо-сигналом при одновременном возрастании амплитуды дополнительных высокочастотных эхо-сигналов и уменьшении амплитуды донного высокочастотного сигнала.
- концом несплошности является одновременное уменьшение амплитуды высокочастотных колебаний эхо-сигнала слева и увеличение справа.
- глубина залегания несплошности определяется на ее крае, когда амплитуда высокочастотных колебаний эхо-сигнала слева значительно меньше амплитуды высокочастотных колебаний донного эхо-сигнала справа, что дает возможность посчитать количество дополнительных высокочастотных колебаний слева от высокочастотного донного эхо-сигнала.