Удосконалення систем дефектоскопії деталей ходової частини рухомого складу

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення систем дефектоскопії деталей ходової частини рухомого складу

Жученко Наталія Олександрівна

Луганськ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Яковенко Валерій Володимирович,

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля,

завідувач кафедри електромеханіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сахацький Віталій Дмитрович,

Українська інженерно - педагогічна академія,

завідувач кафедри автоматики та радіоелектроніки

доктор технічних наук, професор

Білокур Іван Павлович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри машинознавства

Захист відбудеться: “ 1 ” листопада 2007 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.051.07 у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля, за адресою:

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а).

Автореферат розісланий “27” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Шевченко О. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У зв'язку з розвитком залізничного транспорту, збільшенням швидкості його руху й навантажень на ходову частину (ХЧ) рухомого складу (РС) виникла необхідність у перевірці вузлів і кожної окремої деталі ХЧ та контролю за їхнім станом в процесі експлуатації. У зв'язку з підвищенням швидкості руху і подовженням ділянок безупинного руху потягів вимоги до ХЧ як одного з най відповідальних вузлів РС зростають. Тому необхідне подальше вдосконалення засобів неруйнівного контролю на пунктах технічного огляду в залізничних депо.

З огляду на різноманітність форм деталей, що входять до ХЧ РС, їхній контроль виконувався шляхом поєднання декількох видів дефектоскопії, таких як магнітопорошкова і ультразвукова. Для підвищення ефективності операцій контролю необхідно магнітопорошковий метод використовувати лише в тому випадку, коли попередній магнітоферозондовий експрес-метод вказує на наявність ознаки дефекту деталей ХЧ РС, але його чутливість не дозволяє зробити остаточного висновку щодо самого дефекту. В інших випадках, тобто коли дефекти деталі ХЧ РС достатньо великі і попередній магнітоферозондовий експрес-метод впевнено вказує на наявність цих дефектів, магнітопорошковий метод не застосовувати. Це дозволить підвищити продуктивність контролю за рахунок скорочення часу на огляд однієї деталі, виключить суб'єктивний фактор оцінки наявності дефектів, дозволить реєструвати результати контролю деталей ХЧ РС.

Магнітоферозондовий метод контролю дає можливість виявляти як поверхневі, так і підповерхневі дефекти. Його використанню для контролю деталей ХЧ РС дотепер заважали перешкоди, викликані нерівностями поверхні й крайовим ефектом деталей, що підлягають контролю. У роботі пропонується метод, що дозволяє ефективно усунути цей недолік магнітоферозондового контролю й поширити останній для контролю деталей зі східчастою поверхнею й кінцевими розмірами.

З огляду на те, що феромагнітні деталі з негладкою поверхнею становлять більшість у вузлах ХЧ РС, проблема вдосконалювання їхнього контролю переросла межі приватного технічного завдання і перетворилася в галузеву. У цьому полягає актуальність теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до Концепції Державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки, затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 11 червня 2003 року №351 і Постановою Кабінету Міністрів України від 8 жовтня 2004 року №1331 “Про затвердження Державної науково-технічної програми “Ресурс” й у рамках тем держбюджетних НДР Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля ДН-05-04 (№ ДР 0104U 000102) наказ МОН України №746 від 07.11.2003 р. (автором виконані: теоретичні дослідження дефектоскопів з ферозондовими магніточутливими елементами; розроблені математичне й фізичне моделювання їхньої роботи), ДБ№143 (№ ДР 0105U 000934) (автором здійснено: розробка математичної моделі напруженості магнітного поля, що створене постійними магнітами, усередині камери комутуючого пристрою; вибір оптимальних параметрів магнітної системи камери), а також у рамках госпдоговірних тем.

Мета й задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення ферозондового методу контролю в умовах високого рівня магнітних перешкод від деталей складної форми, розробка засобів компенсації цих перешкод і проведення оперативного контролю деталей ХЧ РС.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити ряд завдань:

проаналізувати геометричні параметри деталей ХЧ РС, що контролюються, і види їхніх дефектів та найбільш ймовірне розташування на поверхні виробу і існуючі методи їх контролю;

теоретичним шляхом визначити топографію магнітних полів дефектів, розташованих на східчастій поверхні деталей;

визначити раціональні методи та технічні засоби ферозондового контролю деталей ХЧ РС;

виконати дослідження вимірювання полів дефектів ферозондами при наявності перешкод, що створюються нерівністю поверхні контрольованої деталі, в прикладених постійних і змінних полях;

виробити рекомендації щодо розробки магнітоферозондових приладів із пристроєм компенсації перешкод. дефектоскопія деталь ходова

Об'єкт дослідження - процес неруйнівного ферозондового контролю дефектів деталей ХЧ РС.

Предмет дослідження - методи й засоби ферозондового контролю поверхневих і підповерхневих дефектів феромагнітних деталей кінцевих розмірів з негладкою поверхнею.

Методи дослідження - математичне моделювання магнітних полів розсіювання дефектів і перешкод, викликаних негладкістю поверхні контрольованої деталі у магнітних й електромагнітних полях; теоретичні й експериментальні дослідження магнітних потоків у осерді ферозондів, що індуковані дефектами, при наявності перешкод; чисельні методи розв'язання інтегральних рівнянь.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

Вперше визначені співвідношення між параметрами магнітних полів розсіювання дефектів і східчастої поверхні в прикладених постійних і змінних полях, що стало науковою основою розробки пристроїв виділення інформаційних сигналів з сигналів перешкод і підтвердженням можливості ферозондової дефектоскопії деталей з кінцевою поверхнею, до яких належать деталі ХЧ РС.

Вперше враховуються кінцеві розміри площі поверхні, що контролюють, і магнітні параметри феромагнітного середовища при розрахунку полів розсіювання дефектів у нелінійних феромагнітних середовищах у прикладеному й залишковому полях, що дає можливість обґрунтовано обирати параметри магнітних систем ферозондових дефектоскопів.

3. Вперше розроблено спосіб визначення магнітного потоку в осерді ферозонду, викликаного полем розсіювання дефектів, який засновано на принципі взаємності і який дає можливість розрахувати вимірювальні перетворювачі ферозондових дефектоскопів і пристроїв компенсації полів перешкод, що в остаточному підсумку дозволяє застосувувати ферозондовий метод у якості попереднього експрес-методу при дефектоскопії деталей ХЧ РС.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на підставі отриманих наукових результатів розроблені рекомендації щодо розрахунку параметрів магнітних систем ферозондових дефектоскопів для контролю деталей ХЧ РС, які прийняті до впровадження в ХК “Луганськтепловоз”. Використання запропонованих методик дало можливість підвищити чутливість дефектоскопу ДВЦ-031КLUGA та пристрою компенсації, які розроблені та впроваджені у НДЛ “Технічна електродинаміка” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Теоретичні результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрах “Електромеханіка” й “Прилади” для спеціальностей “Прилади й системи неруйнівного контролю”, “Наукові, аналітичні та екологічні прилади й системи” та “Електричні машини”.

Особистий внесок здобувача. Автором запропоновано концепцію проведення неруйнівного ферозондового контролю великогабаритних деталей з урахуванням компенсації перешкоди, що викликана крайовим ефектом або східчастою поверхнею, обґрунтовано використання в якості магніточутливих елементів ферозондів з осердям різних розмірів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: III Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія - 2002)” (м. Харків, 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Університет і регіон” (м. Луганськ, 2002, 2003 р.); VI й VIII Міжнародних конференціях “Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2002, 2004 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Дні науки - 2005” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.); VI науково-технічній конференції “Приладобудування: стан і перспективи” (м. Київ, 2007 р.); 4-й Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка й електромеханіка” (м. Луганськ, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 наукових праць у спеціалізованих наукових журналах, у тому числі 11 статей (з них 4 - без співавторів), 2 матеріали праць науково-технічних і науково-практичних конференцій та 2 деклараційні патенти України. Одинадцять статей надруковані у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 131 найменування та додатків. Дисертація містить 201 сторінку, 95 малюнків, 9 таблиць, з них 31 малюнок та 2 таблиці повністю займають 23 сторінки. Основну частину викладено на 146 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність виконаних досліджень, сформульовано їх мету і задачі, викладена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розглянуті характеристики дефектів, що виникають у процесі експлуатації, які характерні для великогабаритних деталей ХЧ РС зубчастого колеса, осі й бандажа (обіддя цільнокатаних коліс).

Проведено аналіз існуючих і найпоширеніших методів контролю великогабаритних деталей ХЧ РС. З аналізу видно, що для різних деталей використовуються різні методи контролю. Так, для контролю зубчастих коліс використовують магнітопорошковий метод; для контролю осі й бандажу (обіддя цільнокатаних коліс) - прийнятний як магнітопорошковий (при огляді з випресовкою осі й контролі “доріжки катання” бандажу), так й ультразвуковий (при огляді сформованої колісної пари).

Однак перераховані методи мають і ряд недоліків. Магнітопорошковий метод контролю хоч і є простим й універсальним, але при цьому він залишається суб'єктивним, трудомістким, вимагає високої кваліфікації обслуговуючого персоналу, його неможливо використовувати в нестаціонарних установках контролю, а також відсутня можливість автоматизації процесу контролю. Ультразвуковий метод використовується у діагностуванні осей, однак, його неможливо застосовувати для контролю зубчастих коліс, а також для контролю дефектів на поверхні осей колісних пар. Метод також вимагає високої кваліфікації обслуговуючого персоналу, є досить суб'єктивним і має низьку надійність апаратури. Ферозондовий метод дозволяє робити контроль без спеціального очищення поверхні деталі, що контролюється, збільшити продуктивність за рахунок економії часу на огляд однієї деталі і виключити суб'єктивність контролю. При цьому він має високу чутливість і не вимагає високих значень напруженості поля розсіювання. Однак, при дефектоскопії зубчастих коліс, бандажу й осей колісних пар цим методом можуть виникнути додаткові труднощі, обумовлені крайовим ефектом, що вимагає досліджень, результати яких будуть сприяти використанню ферозондового методу для контролю дефектів ХЧ РС.

Аналіз літературних джерел дозволяє зробити висновок, що найбільш ефективним є комбінування електромагнітного й ферозондового методів, тобто правильного вибору способу, напрямку, локалізації, виду намагнічування й найбільш ефективного зняття отриманих характеристик за допомогою високочутливої апаратури.

Сформульовані завдання теоретичних досліджень, які передбачають розробку математичних моделей зондуючих магнітних й електромагнітних полів, полів розсіювання дефектів та перешкод, що викликані крайовим ефектом або східчастою поверхнею, та розробку алгоритмів чисельного розв'язання інтегральних рівнянь.

У другому розділі розглядаються математичні моделі магнітних й електромагнітних полів зондуючих пристроїв, а також полів розсіювання дефектів і перешкод, що викликані східчастою поверхнею контрольованої деталі і її кінцевими розмірами (крайовий ефект).

Різноманітність конструкцій пристроїв намагнічування вимагає розробки декількох математичних моделей полів. Поле зондуючого пристрою з П-подібним осердям апроксимується полем двох прямокутних площин з розташованим на них простим шаром магнітних зарядів щільністю для постійного магнітного поля й для змінного синусоїдального поля. Розрахунок напруженості поля, що створене зондуючим пристроєм П-подібного виду, розраховується за формулою:

Інтеграл (1) береться в аналітичній формі.

Розрахунок поля котушки круглого перетину із осердям визначається шляхом розв'язанням рівняння Фредгольма 2-го роду, що дає можливість знайти щільність магнітних зарядів на осерді зондуючого пристрою.

Після визначення щільності вторинних джерел у кожному елементі площі, на які розбивається поверхня осердя, знаходиться індукція в робочій області вимірювального перетворювача, тобто там, де розташована система ферозондів

Розроблено математичну модель електромагнітного поля, створеного струмом, що протікає в об'ємі деталі. Джерелом магнітного поля слугують два дроти зі струмом, що торкаються поверхні деталі, яку контролюють.

Розроблено математичну модель поля, що зондує, створеного шаром струму над поверхнею контрольованої деталі. Модель поля заснована на перетворенні Фур'є функції напруженості магнітного поля від нитки зі струмом з подальшим використанням теореми про згорток.

Математичні моделі полів розсіювання дефектів і перешкод, що викликані негладкістю контрольованої поверхні, засновані на інтегральному рівнянні Фредгольма 2 - го роду, що при розбивці поверхні деталі на елементарні площадки, редукується до системи лінійних рівнянь:

Окрім лінійної моделі магнітного поля розроблено математичну модель магнітного поля в нелінійному середовищі у двомірному й тримірному просторі, основою якої є рівняння Фредгольма 1-го роду; запропоновано алгоритм їхнього чисельного розрахунку. Результатом розв'язання є значення вектора намагніченості в кожному елементарному об'ємі (або в кожній елементарній площадці), на які розбивається область розв'язання. За певним значенням векторів намагніченості й напруженості поля , що розмагнічує, у кожному елементарному об'ємі визначається усереднене за об'ємом значення коефіцієнта розмагніченості для кожної координати простору

Тобто, вважається, що коефіцієнт розмагнічування є векторною величиною. Математична модель поля в кожному елементарному об'ємі в процесі намагнічування матеріалу подається структурною схемою

Значення коефіцієнтів розмагнічування дають можливість визначити робочу точку магнітного стану елементарного об'єму феромагнетика після відключення струму в обмотці електромагніта на “спинці” петлі гістерезису шляхом розв'язання для кожного елементарного об'єму системи рівнянь:

При чисельному розв'язанні система інтегральних рівнянь зводиться до системи лінійних рівнянь шляхом розбивки площі деталі, на якій розташовується дефект, на елементарні прямокутні площадки із точками колокацій у центрах площадок. Після рішення системи рівнянь (2), напруженість поля поза феромагнітним об'ємом обчислюється за формулою

Математичні моделі полів дефектів дають можливість провести чисельні експерименти, що дозволяють проаналізувати поля дефектів і перешкод на поверхні феромагнітної деталі, що контролюють.

У третьому розділі наведені результати чисельних експериментів, у результаті яких розраховані й проаналізовані магнітні й електромагнітні поля дефектів і полів перешкод деталей ХЧ РС. Розроблені математичні моделі полів дозволяють зробити дослідження розподілу магнітних зарядів на стінках дефектів типу “тріщина” і на сходах поверхні контрольованої деталі. Знайдені шляхом розрахунку розподіли щільності зарядів дають змогу розрахувати поле розсіювання дефектів.

У якості розрахункової моделі обиралася пласка феромагнітна () пластина 80Ч80 мм з дефектом у вигляді прямокутної тріщини довжиною L=20 мм, шириною b=0,1;0,2;0,4 мм й глибиною h=0,1;0,2;0,4;1,0;2,0 мм. Пластина намагнічувалася однорідним магнітним полем напруженістю 200 A/м, що спрямовано перпендикулярно бічним граням дефекту.

Кожна грань розбивалася на 25 елементарних площадок, у точках колокації яких розраховувалася щільність магнітних зарядів . Встановлено, що щільність магнітних зарядів по довжині стінки граней дефекту розподілена нерівномірно, а має спад до нуля біля поверхні дефекту й на його дні. Максимум щільності заряду доводиться на центральну частину грані дефекту.

Нерівномірність розподілу щільності заряду по довжині стінки зменшує амплітуду дефекту на 10-15%, у порівнянні з розрахунковими даними отриманими за допомогою формул, у яких щільність магнітних зарядів вважається величиною постійною.

Визначався вплив типу пристрою, що зондує, на параметри поля дефекту. Розраховувалося електромагнітне синусоїдальне поле частотою f=103 Гц, параметри пластин і дефектів залишалися такі ж самі. Циліндричне кругле джерело поля, яке зондує, мало внутрішній радіус , зовнішній радіус , висота намотування , струм у котушці , число витків w=100.

Джерело з П-подібним осердям мало розміри полюсів , кількість витків w=500, струм в обмотці . Результати чисельних експериментів показали, що сигнали дефектів при намагнічуванні циліндричним джерелом поля, що зондує, мають амплітуду нормальної складової напруженості магнітного поля меншу, ніж при П-подібному джерелі на 20-25%. Розрахунок здійснювався на відстані 1 мм від поверхні контрольованої деталі. Різниця амплітудних значень нормальної складової напруженості поля залежить від величини розкриття дефекту, зі збільшенням якої різниця максимальних значень дефектів зменшується.

При намагнічуванні циліндричною котушкою дотична складова напруженості поля дефекту перевищує дотичну складову дефекту при намагнічуванні П-подібним джерелом поля, що зондує. Таким чином, встановлено, що параметри поля, яке зондує, впливають на поле розсіювання дефекту.

Предметом досліджень шляхом чисельних експериментів було встановлено залежності полів дефектів від частоти поля, яке зондує, з метою визначення найбільш сприятливих для виявлення дефектів режимів намагнічування деталей, які контролюють. Чисельні експерименти проводилися для вже описаної розрахунковій моделі. Частота поля намагнічування змінювалася в межах 0-4000 Гц. Аналіз отриманих результатів показав, що для різної глибини дефектів магнітне поле розсіювання має різний характер розподілу. Так, для дефектів малої глибини в розглянутому діапазоні частот магнітні поля спочатку монотонно зростають, а потім наближаються до насичення. Для дефектів більшої глибини існує максимум сигналу дефекту на частоті 1000-1500 Гц, причому, чим більше глибина дефекту, тим при меншій частоті поля намагнічування має місце максимум сигналу.

Аналогічним чином впливає ширина дефекту. Розширення дефекту до значення 2b=0,8 мм приводить до незалежності сигналу дефекту від частоти.

Для оцінки впливу перешкоди на сигнал дефекту проведено експеримент для випадку, коли на відстані 1…10 мм від дефекту перебувала сходинка, висота якої становила 2…8 мм. Магнітне поле дефекту, а саме, нормальна складова напруженості магнітного поля, розраховувалося на висоті 2 мм від поверхні.

Аналіз отриманих даних показав, що існує певна залежність магнітного поля дефекту від відстані до сходинки. При відстані від сходинки до дефекту, яка дорівнює трьом значенням ширини дефекту, поле дефекту й сходинки зливається. Поле сходинки на порядок більше за поле дефекту. Якщо сходинка має нахил, то вплив її поля на поле дефекту зменшується.

Досліджувалися поля дефектів при одночасному намагнічуванні змінним і постійним полем. У прикладеному змінному полі нормальна складова напруженості магнітного поля дефекту збільшується на 18-20% у порівнянні з намагнічуванням постійним полем. На рис. 4 показана залежність горизонтальної й вертикальної складових магнітного поля при намагнічуванні постійним і змінним полями.

Поле підмагнічування зменшує сигнал дефекту на 10-15%, але при цьому зменшується й поле перешкод, що викликані магнітною неоднорідністю матеріалу деталі, що контролюють.

У четвертому розділі розглядаються методи й технічні засоби фіксації дефектів ХЧ РС. Відмінною рисою деталей ХЧ є те, що вони мають крайовий ефект і східчасту поверхню. Тому головним завданням дослідження є, якщо не повне виключення, то значне зменшення поля перешкоди, що створюється сходами поверхні або крайовим ефектом.

Застосування частотного методу селекції сигналів перешкоди неможливо, тому що сканування вимірювальним перетворювачем по поверхні контрольованої деталі виконується вручну зі змінною, заздалегідь невідомою швидкістю. З цієї ж причини в розглянутому випадку малоефективні методи, засновані на розпізнаванні образів і використанні “плаваючого” порогу, через те, що для реалізації цих методів необхідний фіксований крок переміщення вимірювального перетворювача.

У роботі показано, що застосування градієнтометричного методу відбудування від перешкоди для контролю розглянутих деталей так само не дає бажаного результату. Знайдено у першому наближенні поріг чутливості ферозонду, який включено за градієнтометричною схемою. Показано, що для ефективної роботи ферозонду, який включено за градієнтометричною схемою, необхідно, щоб його поріг чутливості становив 0,3 - 1,5 А/м, а для підповерхневих дефектів цей поріг зменшується до рівня електромагнітних наведень. Таким чином, відбудування від перешкоди, що має низькочастотний просторовий спектр, вимагають настільки низького порога чутливості ферозонда, включеного за градієнтометричною схемою, що він стає порівнянний з рівнем електромагнітних перешкод.

Для обґрунтування запропонованого методу відбудування від перешкод розглянуті особливості вимірювання полів дефектів стрижневими ферозондами. Показано, що усереднення поля по довжині осердя ферозонду не дає результату, який збігається з експериментальними даними, особливо при вимірюванні нормальної складової вектора напруженості магнітного поля дефекту.

Знайдено аналітичну залежність для функції потенціалу , створеного котушкою із осердям ферозонду.

Встановлено, що магнітний потік у осерді ферозонду, створений полем дефекту, обернено пропорційній довжині осердя ферозонду. Тобто, чим коротше осердя ферозонду, тим більше його коефіцієнт перетворення щодо напруженості поля розсіювання дефекту, при такому самому значенні магнітної проникності осердь. Це підтверджено шляхом чисельних експериментів. Для цієї мети були взяті дані трьох ферозондів, що мають довжину осердя 2bф=2;4;8 мм з однаковим для всіх значенням коефіцієнта форми осердь m=35. Розміри дефектів склали 2b=0,1;0,3;0,9 мм й h=0,8 мм. Площі дефектів S=0,08;0,24;0,72 мм2. На рис. 6, а наведені графіки максимального значення потоку в осердях ферозондів, як функції довжини його осердь й площі дефекту.

До поля перешкоди ферозонд зберігає постійну номінальну чутливість. Оскільки всі три варіанти осердь ферозондів мають однакове значення коефіцієнта форми т, то поля, що викликані східчастою поверхнею та краєм деталі, усі три ферозонди вимірюють з однаковим коефіцієнтом перетворення. Цей факт дозволяє використовувати компенсаційні ферозонди з довжиною осердя 2bф>6 мм, які будуть практично нечутливі до полів дефектів і матимуть високу чутливість до полів перешкод. На рис. 6,б показана залежність максимального значення магнітного потоку для дотичної складової вектора напруженості поля дефекту. Ефект зменшення чутливості ферозонду до поля дефекту тут проявляється меншою мірою, ніж при вимірюванні нормальної складової вектора напруженості магнітного поля дефекту.

Таким чином, пропонується компенсувати поля перешкоди шляхом введення у вимірювальний перетворювач, окрім основного ферозонду, ще й компенсаційного, з довжиною осердя більше ніж 6 мм.

Методика заснована на порівнянні вихідних сигналів основного й компенсаційного ферозондів: перший реагує на поле розсіювання дефекту й перешкоди, а другий - тільки на поле розсіювання перешкоди. Відсутність різниці між сигналами двох ферозондів свідчить про бездефектну поверхню, у іншому випадку - поверхня має дефект.

Блок-схема обробки вихідних сигналів ферозондів, основного й компенсаційногоВихідні сигнали ферозондів проходять традиційну обробку з виділенням другої гармоніки. Канали обробки сигналу ферозондів ідентичні.

Розроблено конструкції вимірювальних перетворювачів дефектоскопу для контролю зубчастих коліс ходової частини рухомого складу та деталей зі східчастою поверхнею.

Вироблено рекомендації щодо розробки магнітоферозондових приладів із пристроєм компенсації перешкод, які впроваджено у ХК “Луганськтепловоз”; використання запропонованих методик дало можливість підвищити чутливість дефектоскопу ДВЦ-031КLUGA та пристрою компенсації, які розроблено та впроваджено у НДЛ “Технічна електродинаміка” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Експериментально доведено, що при ширині розкриття тріщини близько використання ферозондового та магнітопорошкового методів дають практично однакові результати щодо виявлення цих дефектів. Однак, при застосуванні ферозондового контролю витрачений час на порядок менший, ніж при використанні магнітопорошкового контролю.

Доведено, що використання компенсаційного методу більш ефективно у порівнянні з градієнтометричним, тому що при ширині розкриття дефекту більш ніж при його застосуванні виявляємість дефектів вища на . При зменшенні ширини розкриття дефекту градієнтометричний метод виявляється непрацездатним.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішене завдання вдосконалення ферозондового методу контролю в умовах високого рівня магнітних перешкод від деталей складної форми, розробка засобів компенсації цих перешкод і проведення оперативного контролю деталей ХЧ РС.

У результаті виконання роботи отримані такі основні результати:

1. Проаналізовано геометричні параметри деталей ХЧ РС, які контролюють, види їхніх дефектів, що є характерними для цих деталей, їх найбільш ймовірне розташування на контрольованій поверхні, на основі чого визначені ділянки деталей, на яких можливо частково замінити магнітопорошковий метод контролю дефектів ХЧ РС магнітоферозондовим.

2. Розроблено нові й адаптовано відомі математичні моделі магнітних й електромагнітних полів дефектів, перешкод і пристроїв, що зондують, які засновані на інтегральних рівняннях і дають змогу розрахувати й зробити аналіз усього спектру можливих дефектів ХЧ РС, з урахуванням їх розташування на поверхні й в об'ємі деталі, що контролюють.

3. Проведені дослідження полів дефектів показали, що для виявлення поверхневих дефектів з розкриттям найбільш ефективно використовувати, у якості поля, що зондує, синусоїдальне магнітне поле частотою . У прикладеному електромагнітному полі максимальне значення складових вектора напруженості поля розсіювання дефектів типу “тріщина” в рази більше, ніж у прикладеному постійному полі.

4. Відстань між максимальними значеннями функції напруженості поля розсіювання дефектів у прикладеному синусоїдальному полі становить від відстані між цими максимумами в прикладеному постійному полі, тобто змінне поле дефектів більше локалізовано в просторі, ніж поле, що індуковано дефектами в прикладеному постійному магнітному полі.

5. Метод намагнічування деталі з зубчастою поверхнею струмом, що пропускають по її об'єму, при визначенні тріщини у западинах між зуб'ями дає максимальне поле розсіювання в рази більше, ніж при намагнічуванні електромагнітом.

6. Розрахунок магнітного потоку в осерді ферозонду методом теореми про взаємність дає можливість врахувати вплив параметрів ферозонду на сигнал дефекту при різних співвідношеннях геометричних параметрів дефекту й осердя ферозонду, а також від їхньої взаємної орієнтації в просторі.

7. Встановлено, що при дефектоскопії ХЧ РС в умовах магнітних перешкод, викликаних сходами поверхні й краями деталі, що контролюють, зі всіх існуючих способів найбільш ефективним є спосіб використання компенсаційного ферозонду, довжина осердя якого перевищує довжину осердя основного ферозонду в декілька разів. Цей спосіб дає можливість частково замінити магнітопорошковий метод контролю дефектів ХЧ РС магнітоферозондовим.

8. Для врахування взаємного впливу осердя ферозондів при близькому їхньому розташуванні в просторі запропонована формула для розрахунку проникності форми осердя, що дає можливість розрахувати функції перетворення основного й компенсаційного ферозондів.

9. Використання ферозондового та магнітопорошкового методів при ширині розкриття тріщини близько дають практично однакові результати щодо виявлення цих дефектів. Однак при застосуванні ферозондового контролю витрачений час на порядок менший, ніж при використанні магнітопорошкового контролю. Використання компенсаційного методу більш ефективно у порівнянні з градієнтометричним, тому що при ширині розкриття дефекту більш ніж при його застосуванні виявляємість дефектів вища на . При зменшенні ширини розкриття дефекту градієнтометричний метод виявляється непрацездатним.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жученко Н.А., Швец С.Н., Басим Т. Определение информационных параметров магнитных полей рассеяния намагниченных участков ферромагнитных материалов // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск „Проблеми сучасної електротехніки”.-Київ: Інститут електродинаміки НАН України.-2002.-ч. 7.-С. 111-114.

Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку поля розсіювання ділянки, що намагнічена.

2. Басим Т., Жученко Н.А., Яковенко В.В. Измерительные преобразователи повышенной информативности диагностики зубчатых передач // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.- Луганськ: СНУ ім. В.Даля. - 2002. - №11 (57).- С. 274-278.

Здобувачем запропоновано схему побудови вимірювального перетворювача та використання ферозонду у якості магніточутливого елементу.

3. Криеренко А.Г., Калашникова О.Н., Жученко Н.А. Магнитомодуляционный датчик для обнаружения ферромагнитных тел в немагнитной среде // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. -2003. - №3. - С. 103-105.

Здобувачем запропоновано конструкцію магнітної системи феромодуляційного датчика.

4. Жученко Н.О. Пристрій для діагностики феромагнітних деталей машин // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля - Луганськ: СНУ ім. В.Даля. - 2003. - №10(68) (частина 2).- С. 193-196.

5. Жученко Н.А. Магнитная диагностика зубчатого колеса тягового редуктора подвижного состава // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля - Луганськ: СНУ ім. В.Даля. - 2004. - №6 (76).- С. 86-89.

6. Тарасенко О.В., Жученко Н.А. Устройство локального намагничивания массивных ферромагнитных изделий // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск „Проблеми сучасної електротехніки”.-Київ: Інститут електродинаміки НАН України.-2004.-ч. 3.-С. 12-16.

Здобувачем розроблена математична модель для розрахунку магнітного поля у тривимірному просторі у нелінійному феромагнітному середовищі.

7. Аль-Калла Муханнад, Жученко Н.А., Яковенко В.В. К расчету магнитомодуляционных датчиков неоднородных магнитных полей локального типа // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля - Луганськ: СНУ ім. В.Даля. - 2005. - №9 (91).- С. 136-139.

Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку магнітного потоку у магнітопроводі магнітної системи локального магнітомодуляційного датчика.

8. Жученко Н.О. Система керування пристроєм для прогнозування надійності металевих конструкцій // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля - Луганськ: СНУ ім. В.Даля. - 2006. - №1 (95).- С. 62-67.

9. Жученко Н.А. Оценка величины коэрцитивной силы при локальном намагничивании приставными электромагнитами // Праці Луганського відділення міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: ЛуганськКанцОпт - 2006. - № 1 (12). - С. 106-109.

10. Яковенко В.В., Жученко Н.А., Прядченко Д.В., Корбан Н.П. Математическая модель остаточной намагниченности локального участка ферромагнитной детали // Праці Луганського відділення міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: ЛуганськКанцОпт - 2006. - № 2 (13). - С. 100-104.

Здобувачем запропоновано методику визначення магнітних параметрів ферромагнітного матеріалу.

11. Яковенко В.В., Жученко Н.А., Полтавцев А.Ю. Накладная вихретоковая система с феррозондом в качестве измерительного преобразователя // Праці Луганського відділення міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: ЛуганськКанцОпт - 2007. - № 2 (15), частина 1. - С. 154-158.

Здобувачем запропоновано методику розрахунку пошукової системи ферозондового дефектоскопу, що працює у змінному магнітному полі.

12. Пат. №53061 А Україна МПК7 Н01F13/01 Пристрій для діагностики феромагнітних деталей машин / Яковенко В.В., Жученко Н.О. (Україна), Східноукраїнський національний університет. - № 2002021510; Заявл. 25.02.2002; Опубл. 15.01.2003. -4 с.

Здобувачем запропоновано використовувати електромагніт у формі тороїда з N - корончастими виступами.

13. Пат. №4993 Україна МПК7 Н01F7/18 Система керування пристроєм для прогнозування надійності металевих конструкцій / Жученко Н.О., Полтавцев А.Ю., Яковенко В.В., Мушкаев Я.В. (Україна), Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - № 20040604512; Заявл. 10.06.2004; Опубл. 15.02.2005. -5 с.

Здобувачем запропоновано ввести перевірку якості намагнічування поверхні, що досліджується.

14. Жученко Н.А., Калмыков М.А. Система для контроля содержания ферромагнитных частиц в жидкости // Неруйнівний контроль та діагностика неоднорідних об'єктів. - серія “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів”. - випуск 8- Львів: ЛЕОТЕСТ - МЕДІУМ. - 2003. - С. 115-117.

Автором запропоновано конструкцію первинного вимірювального пристрою.

15. Жученко Н.А., Черепахин Г.А., Тхафер Басим Расчет функции преобразования феррозонда второй гармоники с учетом внутреннего сопротивления генератора возбуждения // Наукові праці конференції “Метрологія та вимірювальна техніка” (Метрологія - 2002). - Том.1. - Харків: ХДНДІМ. - 2002 р. - С. 218-220.

Автором запропоновано скористатися методом гармонічного балансу для розрахунку еквівалентного індуктивного опору ферозонду.

АНОТАЦІЯ

Жученко Н.О. Удосконалення систем дефектоскопії деталей ходової частини рухомого складу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. Луганськ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню можливості застосування магнітоферозондового методу контролю у якості попереднього експрес-методу для з'ясування наявности дефектів з подальшим використанням магнітопорошкового методу лише у тому випадку, коли чутливість магнітоферозондового методу не дозволяє зробити остаточного висновку щодо самого дефекту.

Виконано аналіз магнітних і електромагнітних полів в області контролю за допомогою адаптованих математичних моделей поля, які основані на поверхневих та просторових інтегральних рівняннях Фредгольму першого і другого роду. Запропоновано алгоритм чисельного розв'язання рівнянь.

Досліджено вплив розмірів осердя ферозондів та його розташування у просторі на значення магнітного потоку у осерді. Запропоновано метод відбудови від перешкод за допомогою введення у вимірювальний пристрій додаткового компенсаційного ферозонду, розміри осердя якого збільшені, у порівнянні з розмірами осердя основного ферозонду.

Ключові слова: ферозонд, магнітне поле розсіювання, дефект, перешкода, компенсація, осердя, магнітне та електромагнітне поля, східчаста поверхня, крайовий ефект.

АННОТАЦИЯ

Жученко Н.А. Совершенствование систем дефектоскопии деталей ходовой части подвижного состава. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2007.

Диссертация посвящена вопросу усовершенствования систем дефектоскопии крупногабаритных ферромагнитных деталей ходовой части подвижного состава на основе исследования возможности применения магнитоферрозондового метода в качестве предварительного экспресс-метода для выявления наличия дефекта с последующим использованием магнитопорошкового метода только в том случае, когда чувствительность магнитоферрозондового метода не позволяет сделать окончательных выводов относительно этого дефекта.

Анализ существующих методов контроля показал, что используемый в настоящее время ультразвуковой и магнитопорошковый методы обладают рядом недостатков: первый - не позволяет контролировать детали сложной геометрической формы, а именно, области вблизи ступенек и краев детали, второй - требует значительных затрат времени на контроль, является экологически “грязным” методом и отличается субъективностью оценки. Поэтому возникла необходимость разработки метода контроля, позволяющего решить вышеперечисленные трудности.

Для этого созданы математические модели, позволяющие имитировать процесс намагничивания различными видами источников зондирующих полей и получать магнитные поля рассеяния дефектов различных размеров и помех, создаваемых краевым эффектом и ступенчатостью поверхности. Адекватность разработанных математических моделей подтверждена сравнением данных, полученных путем численных расчетов, и известных экспериментальных данных, приведенных в литературных источниках.

Численные эксперименты показали преимущества использования переменного электромагнитного поля в качестве зондирующего и позволили определить наиболее благоприятную частоту зондирующего поля для выявления дефектов с различным раскрытием и протяженностью, а также зависимость магнитного поля дефекта от расстояния между краем уступа и кромкой дефекта.

Предложено использовать для компенсации сигнала помехи измерительный преобразователь, в который внесен дополнительный компенсационный феррозонд, размеры сердечника которого увеличены по сравнению с размерами сердечника основного феррозонда. Установлено, что в сердечнике феррозонда магнитный поток, созданный полем дефекта, обратно пропорционален длине сердечника феррозонда. Поэтому увеличение размеров сердечника делают феррозонд практически нечувствительным к полям дефектов и позволяют иметь высокую чувствительность в полям помех, что в конечном итоге позволяет отстроиться от помехи. Выходные сигналы обоих феррозондов (основного и компенсационного) проходят традиционную обработку с выделением второй гармоники. Каналы обработки сигналов идентичны.

Ключевые слова: феррозонд, магнитное поле рассеяния, дефект, помеха, компенсация, сердечник, магнитное и электромагнитное поля, ступенчатая поверхность, краевой эффект.

ABSTRACT

Zhuchenko N.A. Improvement of systems of defectoscoping details of a running part of a rolling stock. - Manuscript.

The thesis for technical sciences candidate's degree by specialty 05.11.13 - Devices and methods of control and determination of substances composition. - East Ukrainian national university of a name of Vladimir Dahl', Lugansk, 2007.

The dissertation is devoted to research of an opportunity of application ferroprobe a method for the control of details of a running part of a rolling stock.

The analysis magnetic and electromagnetic fields in the area of control by means of the adapted mathematical models of the field based on superficial and spatial integral equation by Fredgolm of the first and second type has been carried out. The algorithm of numerical decision of equations has been offered.

Influence of the sizes of the core ferroprobe and his arrangements in space on value of a magnetic stream in the core is investigated. It is offered to use for indemnification of a signal of a handicap additional ferroprobe of indemnification, which sizes of the core are increased, in comparison with the sizes of the core of the basic ferroprobe.

Keywords: ferroprobe, magnetic field of dispersion, defect, handicap, indemnification, the core, magnetic and electromagnetic fields, step surface, regional effect.

Размещено на Allbest.ru

...