m0935

Л.Н. Степанова, Е.С. Тенитилов

8.Степанова Л.Н., Бехер С.А., Бояркин Е.В. и др. Исследование образцов из материала боковых рам коробчатого сечения методом акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2013. № 4. С. 40–51.

9.Верескун В.Д., Степанова Л.Н., Бехер С.А. и др. Акустико-эмиссионный контроль боковых рам тележки грузового вагона // Фундаментальные исследования для долгосрочного развития железнодорожного транспорта: Сб. тр. членов и науч. партнеров Объединенного ученого совета ОАО «РЖД» / Под ред. Б.М. Лапидуса. М.: Интекст, 2013. С. 78–84.

10.Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И. Акустико-эмиссионная система для регистрации непрерывных и дискретных сигналов // Датчики и системы. 2010. № 8. С. 55–60.

11.Пат. 2339938 Российская Федерация, МПК G 01 N 29/14. Способ диагностирования металлических конструкций и устройство для его осуществления / Л.Н. Степанова, А.Е. Кареев, С.И. Кабанов. Заявл. 14.02.2007; опубл. 27.11.2008, Бюл. № 33.

12.Пат. 2356043 Российская Федерация, МПК G 01 N 29/14. Способ определения коор-

динат источников сигналов акустической эмиссии и устройство для его осуществления

/Л.Н.Степанова, С.И. Кабанов и др. Заявл. 27.06.2007; опубл. 20.05.2009, Бюл. №14.

13.Пат. 2448343 Российская Федерация, МПК G 01 N 29/14. Способ прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий и устройство для его осуществления / А.Л. Бобров, Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов и др. Заявл. 23.04.2010; опубл. 20.04.2012, Бюл. № 11.

УДК 620.179.17

Л.Н. Степанова, Е.С. Тенитилов

Акустико-эмиссионный контроль свободных колец подшипников буксового узла

Безопасность движения на железной дороге в значительной степени зависит от технического состояния подвижного состава, важным элементом которого являются подшипники буксовых узлов. Буксовый узел служит для передачи на ось статических и динамических нагрузок и обеспечивает ее вращение при движении вагона. Колесная пара обеспечивает непосредственный контакт экипажа с рельсами и передает на них вертикальные и боковые нагрузки. Взаимодействие колеса и рельса имеет сложный характер и сопровождается качением, поперечным и продольным проскальзыванием с различными скоростями. При этом колесная пара подвижного состава обладает неподрессоренной массой, а установка внутреннего кольца подшипника (КП) на шейку оси осуществляется с натягом по горячей посадке. Совокупность этих факторов приводит к тому, что контакт «металл – металл» между вращающимися элементами подшипника создает высокие напряжения в данной зоне (рис. 1).

161

Диагностика и неразрушающие методы контроля

Рис. 1. Дефекты колец подшипников:

а – контактно-усталостное повреждение (раковины); б – контактно-усталостное повреждение (шелушение); в – трещина бортика; г – излом бортика

К причинам выхода из строя подшипниковых узлов можно отнести нарушение режимов работы и загрязненность смазки, наличие трещин колец, сколов, раковин и выкрашиваний на дорожках качения и беговых дорожках. При испытаниях на разрыв кольца из подшипниковой стали ШХ15 (хромомарганцовистая сталь регламентированной прокаливаемости) разрушаются взрывообразно, рассыпаясь на большое количество мелких осколков [1]. Разрушение по многим сечениям с образованием осколков у колец объясняется низкой пластичностью стали вследствие совпадения предела текучести и предела прочности на разрыв. Поэтому после образования первой трещины (в момент освобождения накопленной упругой энергии под влиянием внешней нагрузки) в остающихся целыми концах детали возникает ударная волна, разрывающая их на мелкие осколки.

В настоящее время в вагонных и локомотивных ремонтных депо применяются магнитопорошковый и вихретоковый методы неразрушающего контроля (НК) свободных КП.

Обладая высокой чувствительностью к выявлению дефектов поверхности, технология магнитопорошкового контроля требует как продольного, так и циркуляционного намагничивания всего КП [2]. Для этого используется установка ТПС-9706 для магнитного дефектоскопирования свободных колец буксового узла тягового подвижного состава. Данная установка реализует метод остаточного намагничивания, при котором опора с контролируемым КП поме-

162

Л.Н. Степанова, Е.С. Тенитилов

щается внутрь намагничивающей катушки, через витки которой пропускается импульсный ток. Наличие дефектов выявляют визуально при помощи индикатора – магнитного порошка, взвешенного в жидкости. Дефекты, неблагоприятно ориентированные по отношению к направлению намагничивания, магнитопорошковым методом не выявляются. Наличие остаточной намагниченности в КП не допускается и должно тщательно контролироваться.

Вихретоковый метод контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в процессе сканирования КП. Для этого через возбуждающую катушку пропускают высокочастотный (частотой до 10 МГц) переменный или импульсный ток. Изменения в распространении вихревых токов вызывают дефекты поверхности и подповерхностного слоя. Для вихретокового контроля свободных колец роликовых подшипников № 2726 буксовых узлов грузовых вагонов используется автоматизированный комплекс серии ВД-233.1. В его состав входят технологические модули вихретокового контроля наружных (ВД-233.100) и внутренних (ВД-233.200) КП, а также технологический модуль размагничивания КП (МДМ 2726).

Из достоинств вихретокового метода НК можно выделить способность выявлять микротрещины поверхностного слоя металла КП (по ширине – 2 мкм, по глубине – 0,07 мм, по длине – 3 мм), возможность бесконтактного контроля КП, а также возможность локализации дефекта. Однако даже незначительное изменение зазора между возбуждающей катушкой и контролируемым КП может привести к получению недостоверных результатов контроля (перебраковка КП или потеря чувствительности).

Метод акустической эмиссии (АЭ) относится к акустическим методам НК

итехнической диагностики. В основе метода лежит физическое явление излучения волн напряжений при быстрой локальной перестройке структуры материала [3]. Явление АЭ наблюдается в широком диапазоне материалов, структур

ипроцессов. Спектр сигналов АЭ лежит в звуковом и ультразвуковом диапазонах. Рабочий частотный диапазон аппаратуры может меняться в пределах от 10 кГц до 1 МГц в зависимости от типа, размеров, акустических свойств объекта, а также параметров шумов на объекте. Источником энергии АЭ служит переменное поле упругих напряжений от развивающихся дефектов. В производственных условиях метод АЭ позволяет выявить приращение трещины на де-

сятые доли миллиметра. Предельная чувствительность АЭ-аппаратуры по расчетным оценкам составляет порядка 106 мм2, что соответствует выявлению

скачка трещины размером 1 1 мкм. В производственных условиях могут быть выявлены скачки трещин 0,1–0,3 мм и более. Метод АЭ позволяет обнаруживать как поверхностные, так и внутренние дефекты в материале объекта. Для стимуляции излучения дефектом акустических волн объект, как правило, нагружают механическим способом. [3]. Для проведения АЭ-контроля свободных

163

Диагностика и неразрушающие методы контроля

КП на кафедре «Электротехника, диагностика и сертификация» СГУПСа был разработан специализированный нагружающий стенд (рис. 2).

Рис. 2. Стенд для АЭ-контроля КП

Конструкция захватов стенда позволяет проводить контроль колец различной геометрии: внешних КП 30-42726Е2М буксового узла локомотива (наружный диаметр Dнар = 250 мм), внутренних колец без буртов (внутренний диаметр Dвн = 130 мм), внутренних колец с буртом, а также осуществлять поворот колец на любой заданный угол между циклами нагружения. На шток гидроцилиндра и одну из стоек силового каркаса стенда были наклеены проволочные тензодатчики. С их помощью был образован параметрический канал для измерения прикладываемой к КП нагрузки. Необходимо приложить такие нагрузки, которые не привели бы к разрушению, но были бы достаточны для инициализации возможных усталостных трещин контролируемого КП.

Важной задачей при проведении АЭ-контроля является установление механических напряжений, возникающих в КП при его нагружении. Решение данной задачи выполнялось путем тензометрирования свободных КП различных типоразмеров. Для этого использовалась многоканальная микропроцессорная тензометрическая система ММТС-64.01 (свидетельство RU.C. 34.007.A № 44412, регистрационный номер № 21760-01, производство ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина»), к входу которой подключались проволочные тензодатчики ПКС5-120 с базой l = 5 мм, номинальным сопротивлением R = 120 Ом, устанавливаемые на внутренних и наружных поверхностях колец. Дополнительно был проведен компьютерный расчет методом конечных элементов. Ре-

164

Л.Н. Степанова, Е.С. Тенитилов

зультаты тензометрии показаны на рис. 3, а, а программная модель четверти наружного кольца – на рис. 3, б. При воздействии суммарной испытательной нагрузки, равной 10 кН, было определено наличие растягивающих напряжений во внутренней зоне кольца, ограниченной сегментом с углом α = ±41,90°. Максимум растягивающих напряжений составил 135 МПа в секторе α = ±40°. Сжимающие напряжения увеличивались при приближении угла α к 90°. Максимум сжимающего напряжения составил 93,3 МПа.

Рис. 3. Зависимость механических напряжений σ в материале внешнего кольца подшипника от угла определения α при испытательной нагрузке F = 10 кН

При АЭ-контроле КП буксового узла на кольцо устанавливались преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), подключенные к входу диагностической АЭ-системы СЦАД-16.10 (свидетельство RU.C.27.007. A № 40707, зарегистрировано в Государственном реестре средств измерений под номером 45154-10, производство ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина»), и производилось нагружение кольца сжимающей, монотонно увеличивающейся механической нагрузкой [4]. В процессе всего времени нагружения измеряли величину механической нагрузки, регистрировали сигналы АЭ, осуществляли их оцифровку, предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени их прихода и определяли по ним координаты развивающихся дефектов.

При использовании метода АЭ для контроля объектов с малыми геометрическими размерами возникает сложная задача, связанная с локализацией дефектов. В таких объектах время распространения акустического сигнала оказывается сравнимым с погрешностями диагностической АЭ-системы, что приводит к большим разбросам координат источников сигналов в зоне локализации (рис. 4).

165

Диагностика и неразрушающие методы контроля

Рис. 4. Локализация сигналов в дефектном кольце подшипника при АЭ-контроле (нагрузка F = 40,6 кН)

Известно, что сигналы АЭ состоят из композиции как продольных l-волн, так и поперечных t-волн. При этом продольные волны определяют низкоамплитудную быструю моду сигналов АЭ, а поперечные – высокоамплитудную медленную моду (скорости распространения в углеродистой стали сl = 5,8 мм/мкс, сt = 3,3 мм/мкс соответственно). При АЭ-контроле объектов с малыми геометрическими размерами (такими как КП) временной интервал между быстрой и медленной модами в сигналах, принимаемыми ПАЭ, может быть ничтожно мал. В результате возникает нежелательное наложение волн и быстрая мода оказывается «поглощенной» медленной (рис. 5). При расчете координат источника сигналов АЭ предполагается, что передний фронт регистрируемых сигналов АЭ формирует быстрая мода. Если для какого-либо приемного канала системы это условие не выполняется, то возникает значительная погрешность локализации источника АЭ.

Определение момента начала сигнала является важной задачей при анализе сигналов АЭ, так как его погрешность влияет на погрешность локализации. При цифровой обработке начало сигнала АЭ находится при использовании его оцифрованной формы. Поскольку количество записанных сигналов АЭ может достигать нескольких тысяч при проведении одного испытания, то очевидна необходимость применения автоматического определения с высокой точностью момента начала сигнала.

Самым простым способом определения момента начала сигнала является пороговый анализатор уровня. Однако пороговый метод не применим для сигналов низкого уровня с шумами высокого уровня. Среди наиболее распространенных методов (особенно в сейсмологии) можно выделить метод, использующий динамический порог или отношение STA / LTA [5]. Данный метод вычисляет отношение среднего на коротком интервале (STA – Short Term Average) к среднему на длинном интервале (LTA – Long Term Average).

Из-за характерной формы регистрируемых сигналов АЭ метод STA / LTA не может применяться непосредственно к сигналам без их предварительной обработки. Поэтому в [4] предлагается определять характеристическую функцию (ХФ), которая представляет собой огибающую сигнала АЭ.

166

Л.Н. Степанова, Е.С. Тенитилов

а)

б)

в)

Рис. 5. Определение времени прихода медленной моды сигнала АЭ по его максимальному коэффициенту на вейвлет-скалограмме:

а – расстояние до источника l = 412 мм; б – l = 229 мм; в – l = 46 мм

167

Диагностика и неразрушающие методы контроля

Стандартный подход в определении момента начала сигнала связан с пропусканием его через ряд полосовых частотных фильтров и дальнейшим использованием ХФ в качестве абсолютного значения сигнала АЭ. Среднее короткого интервала оценивает текущее значение Current value (CV) сигнала, а среднее длинного интервала характеристической функции оценивает прогнозируемое значение Predicted value (PV) сигнала. За момент начала сигнала АЭ принимается момент времени, когда отношение CV / PV превышает установленное пороговое значение [5].

За рубежом нашел применение новый подход в выделении момента начала сигнала АЭ для быстрой моды, основанный на вейвлет-преобразовании (ВП) [6].

Известно, что с помощью преобразования Фурье (ПФ) можно установить значения частот, содержащихся в сигнале, без определения их положения во времени. Необходимость в данной частотно-временной локализации существует, и обусловлена она дисперсией скорости распространения акустических волн в материале объекта. Для решения данной задачи использовалось оконное преобразование Фурье (ОПФ) и ВП. Однако вейвлет-преобразование имеет преимущество перед ОПФ при анализе сигналов АЭ, так как использует подвижное и масштабируемое частотно-временное «окно» (базисный вейвлет). Это позволяет иметь высокие разрешения по оси частот для низкочастотных компонентов сигнала АЭ и по оси времени для его высокочастотных компонент.

С целью установления возможности ВП для определения момента начала сигнала для медленных мод в структуре сигналов АЭ был проведен эксперимент на стальном листе. Пьезоантенна состояла из трех ПАЭ, образующих равносторонний треугольникс координатами, мм, ПАЭ 0 (0; 0); ПАЭ 1 (357,4; 0);ПАЭ 2 (178,7; 80). Источник сигналов АЭ (Су – Нильсена, излом грифеля) располагался внутри пьезоантенны и имел координаты (200; 30). Для обработки сигналов АЭ дополнительно использовалась программа AGU-Vallen Wavelet. Сигналы исследовались в частотном диапазоне от 0 до 255 кГц. Установление максимальных значений коэффициентов вейвлет-преобразования kWT для всех сигналов АЭ позволяет определить соответствующие им параметры частот f и времен t (см. рис. 5). Погрешности локализации с использованием коэффициентов ВП для определения момента начала сигнала АЭ составили X = ±0,3 мм и Y = ±1,0 мм. При использовании метода среднеквадратического отклонения амплитуд в «окне» (штатного метода в программном обеспечении системы СЦАД)

X = ±1,3 мм и Y = ±2,17 мм.

Библиографический список

1.Девяткин В.П., Шепеляковский К.З., Мирза А.Н. Вагонные буксовые подшипники из стали регламентированной прокаливаемости (ШХ4) // Повышение надежности и долговечности подшипников качения в буксах. Ростов н/Д, 1973. С. 48–67.

2.РД 32.159–2000. Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля деталей ваго-

нов. М., 2000. 120 с.

168

Л.Н. Степанова, Е.С. Тенитилов

3.ГОСТ Р 52727–2007. Акустико-эмиссионная диагностика. Общие требования. М., 2007. 10 с.

4.Акустико-эмиссионный контроль железнодорожных конструкций / А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, В.В. Ивлиев и др. Новосибирск: Наука, 2011. 272 с.

5.Allen R.V. Automatic Earthquake Recognition and Timing from Single Traces // Bulletin of the Seismological Society of America. 1978. Vol. 68. № 5. P. 1521–1532.

6.Kurokawa Y., Mizutani Y., Mayuzumi M. Real Time Executing Source Location System Applicable to Anisotropic Thin Structures // Journal of Acoustic Emission. 2005. № 23. Р. 224–232.

169