Обнаружение скрытых дефектов литых деталей тележек грузовых вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Забайкальский институт железнодорожного транспорта

ОБНАРУЖЕНИЕ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Степанов В.В., Овсейчик С.З., Куркин К.О.

Чита, Россия

Одним из факторов, непосредственно влияющим на безопасность движения на железнодорожном транспорте, являются изломы боковых рам тележек грузовых вагонов в результате возникновения и развития усталостных трещин. Анализ количества изломов боковых рам тележек грузовых вагонов, по данным ОАО РЖД показывает, что за период с 2006 по 2013 год произошло существенное изменение структуры данного вида отказов подвижного состава. Если, за период до 2010 года количество изломов боковых рам составляло единицы в год, и носило случайный характер, то, начиная с 2010 года, количество изломов превысило два десятка и достигло в 2013 году максимума - 35 изломов за год. Данный факт позволяет сделать вывод о системности дефектов литых деталей (рис. 1).

Рис. 1. Количество изломов боковых рам тележек грузовых вагонов за 2006-2013 годы Источник: ОАО "РЖД"

Причиной излома боковой рамы является наличие скрытых дефектов. Например, в заключении по аварии, случившейся на Забайкальской железной дороге 30 января 2012 года, сообщается: "Разрушение боковой рамы … произошло по причине образования и развития усталостной трещины", что, в свою очередь, напрямую связано с наличием "внутренних литейных дефектов в нижнем сечении буксового проема боковой рамы (R55) в невидимой для осмотрщиков вагонов зоне, которые привели к концентрации напряжений и дальнейшему ее излому". "Внутренние литейные дефекты" каждый раз одни и те же: внутренние усадочные раковины и плохо заваренные "горячие трещины", а по сути - те же усадочные дефекты, выходящие на поверхность. Таким образом, причины аварий следует искать на заводах - изготовителях этих ответственных деталей.

Однако, определение причин возникновения скрытых дефектов и развивающихся на их основе усталостных трещин, приводящих к излому, позволяет внести корректировки в технологию производства вновь выпускаемых литых деталей, но не снимает остроты проблемы обеспечения безопасности движения, поскольку за период, как минимум, пять лет выпущены и находятся в эксплуатации десятки тысяч боковых рам, являющихся потенциальными носителями скрытых дефектов. Существующие технологии и методы обнаружения скрытых дефектов литых деталей, как и развивающихся на их основе усталостных трещин тележек грузовых вагонов, основаны на стендовых испытаниях во время проведения планового деповского ремонта с обязательной выкаткой и разборкой тележек. Несвоевременное обнаружение скрытых дефектов может повлечь экстренное развитие усталостных трещин, и, в последующем, привести к возникновению аварийных ситуаций.

Таким образом, своевременное определение скрытых дефектов и развивающихся усталостных трещин в боковых рамах грузовых вагонов является актуальной задачей для обеспечения безопасности движения. Существует настоятельная необходимость в разработке мобильных устройств для экспресс-оценки действительного состояния литых деталей тележек грузовых вагонов с целью установления их работоспособности в пределах гарантийного участка. Задача заключается в разработке компактного мобильного устройства для своевременного обнаружения скрытых дефектов, обладающего способностью преобразования информации в сигнал, удобный для восприятия оператором и записи результатов испытаний. Устройство должно обеспечивать гарантированное обнаружение как деталей как с уже сформировавшимися усталостными трещинами, так и потенциально предрасположенными к их образованию.

Известно, что процессу разрушения литых деталей тележек грузовых вагонов предшествует возникновение и развитие усталостных трещин под действием периодических знакопеременных нагрузок, имеющих место в процессе эксплуатации. Так же известно, что процессу возникновения и развития усталостных трещин наиболее подвержены кристаллические структуры, обладающие меньшей пластичностью и повышенной твердостью.

Приведенным условиям возникновения усталостных трещин отвечают мелкозернистые кристаллические структуры металла, образующиеся в процессе термического воздействия при резком охлаждении во время литья в песчаноглинистые формы, при условии несоблюдения технологии разливки и кристаллизации. Для изготовления деталей тележек грузовых вагонов применяются стали марок 20Л, 20ГЛ, 20ГФЛ, относящиеся к классу малоуглеродистых, подвергаемых термической обработке. Определить приближенно зернистость указанных марок сталей возможно косвенными способами:

– по твердости стали при помощи твердомеров (высокая твердость свидетельствует о мелкозернистости);

– по частотам и виду акустического сигнала, распространяющегося в детали в результате импульсного воздействия - легкого удара (высокая частота и длительные незатухающие колебания свидетельствуют о мелкозернистости).

Провести экспресс-измерение твердости в производственных условиях без отцепки вагонов и выкатки тележек для определения скрытых дефектов, типа развивающихся усталостных трещин, не представляется возможным, поскольку требует предварительной подготовки поверхности - удаления слоя краски и зачистки поверхности от дефектов литья. Таким образом, для решения поставленной задачи разработки мобильной версии прибора, при определении перспективного физического метода экспресс-обнаружения скрытых дефектов литых деталей тележек грузовых вагонов, были выдвинуты следующие критериальные требования:

– простота способа получения и регистрации критериального сигнала;

– отсутствие необходимости предварительной подготовки поверхности испытуемой детали;

– всепогодность независимость от климатических условий;

– наличие широкой номенклатуры промышленно выпускаемой контрольно-измерительной аппаратуры.

Сотрудниками кафедры "Подвижной состав железных дорог" (ПСЖД) Забайкальского института железнодорожного транспорта (ЗабИЖТ) был произведен обзор существующих методов неразрушающего контроля дефектов литых металлических конструкций. Было установлено, что к ним относятся разновидности ультразвуковых, магнитных, вихретоковых, рентгенографических и акустических методов. Не вдаваясь в детальную оценку возможностей каждого из них, можно отметить следующее.

Для реализации ряда методов требуется предварительная подготовка объекта к проведению контроля. Например, очистка поверхности для установки датчиков. К таким методам относятся ультразвуковые и магнитные методы. Поэтому, их применение для организации оперативного контроля боковых рам тележек представляется нецелесообразным. Широко распространенные методы акустической эмиссии требуют специально организованных стендов и устройств для создания значительных механических нагрузок, что так же является проблематичным для решения поставленной задачи. В связи с этим, был сделан вывод о целесообразности использования акустических методов для проведения поиска дефектов рам тележек во время их осмотра.

Акустические методы контроля основаны на применении упругих колебаний и волн, точнее, на регистрации параметров упругих волн, возникающих в объекте контроля при воздействии на него внешнего возмущающего ударного или гармонического воздействия. Акустические методы делятся на пассивные и активные методы. Пассивные методы, при которых не требуется внешнее тестовое воздействие, обычно применяют во время рабочего функционирования объекта контроля. Активные методы предполагают использование внешнего, специально организованного воздействия. Выбор был сделан в пользу использования активных методов, поскольку в этом случае появляются более широкие возможности управления контрольными операциями.

Основными способами ударного возбуждения упругих колебаний в контролируемом изделии являются: механический (электромеханический), пьезоэлектрический, электромагнитно-акустический, газодинамический и оптический. Для оперативного применения акустических способов контроля представляется целесообразным использование механического способа, как наиболее легко организуемого. В свою очередь, в зависимости от параметров вибрации, создаваемой объектом контроля при воздействии на него, различают импедансный метод и спектральные методы. Каждый из них обладает своими недостатками. вагон тележка трещина дефект

Для выполнения предварительного исследования акустических методов контроля в применении их для контроля рамы тележки на кафедре ПСЖД ЗабИЖТ был разработан и изготовлен вариант комплекса, позволяющий организовать процедуры получения первичной диагностической информации от объекта контроля и обеспечивающий использование всех известных методов математической обработки сигналов. Структурная схема комплекса приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема комплекса

На рис. 3 приведена фотография варианта аналитического комплекса для экспресс-анализа обнаружения скрытых дефектов боковых рам.

Для приема колебаний имеется датчик колебаний магнитоэлектрического типа, сигнал с которого после усиления в усилителе поступает на вход аналогоцифрового преобразователя и после преобразования в цифровом виде поступает в компьютер. В составе комплекса отсутствует фильтр. Его функции реализуются программным способом при обработке исходного сигнала. При этом оказывается возможность реализации любого типа фильтра с необходимой частотной характеристикой. Однократный процесс измерения запускается автоматически, с приходом акустического сигнала на датчик. Длительность записи и время дискретизации сигнала задаются программным образом в программе виртуального осциллографа. В качестве критериальных признаков наличия усталостных трещин приняты частотные характеристики и логарифмический декремент затухания колебаний. На приведенной на рис. 3 осциллограмме затухающих колебаний боковой рамы тележки грузового вагона отчетливо видно, что полученный сигнал позволяет произвести его обработку в режиме реального времени. Характер полученного сигнала позволяет сделать вывод о том, что в исследуемой системе имеет место скрытый колебательный процесс, представляющий интерес для мониторинга. Обработка исходной диагностической информации выполняется в программном пакете MatLab, который обладает практически всеми известными методами обработки данных. Для переноса полученных данных от объекта контроля в среду MatLab, программа виртуального осциллографа была доработана с целью возможности сохранения результатов измерения в формате Excel, из которого они легко экспортируются в MatLab.

Рис. 3. Программно-технический комплекс

В настоящее время на кафедре ПСЖД ЗабИЖТ ведется накопление базы данных по боковым рамам тележек грузовых вагонов, находящихся в обращении по Забайкальской железной дороге, и транзитных вагонов.

Размещено на Allbest.ru