WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


Pages:   || 2 |

«АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФЕКТОВ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕСНЫХ ПАР ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.»

На правах рукописи

Щеголев Сергей Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЛОКАЛИЗАЦИИ

ДЕФЕКТОВ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕСНЫХ

ПАР ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ

УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Захарченко М.Ю.

Саратов - 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………….. 5 Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ

КАЧЕСТВА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ КОЛЕСНОЙ

ПАРЫ ВАГОНА…………………………………………………... 8

1.1. Основные требования к подшипникам качения колесной пары...... 10

1.2. Классификация дефектов подшипников качения..………………… 15

1.3. Методы контроля дефектов колец подшипников…………………. 26

1.4. Методы ультразвуковой дефектоскопии………………………….. 33

1.5. Автоматизация ультразвукового контроля. Постановка задач исследования…………………………………………………………. 39 Глава 2. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫЯВЛЕНИЯ И

ЛОКАЛИЗАЦИИ ТРЕЩИН В КОЛЬЦАХ

ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ ……………………………. 41

2.1. Алгоритмизация метода контроля, построенного на обучающем эксперименте………………………………………………………….. 41

2.2. Физическое обоснование ультразвукового метода контроля колец подшипников..………………………………………………………... 43

2.3. Обоснование применимости ультразвукового дефектоскопа УД2-12 для процесса автоматизации контроля колец……………... 56 2.3.1. Расчет акустического тракта дефектоскопа……………….….. 59 2.3.2. Обоснование выбора ультразвукового преобразователя........... 64

2.4. Классификация и оценка значимости погрешностей, возникших при контроле колец……………………………………… 66

2.5. Выводы ………….……………………..……………………………... 72 Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

ПРИМЕНИМОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА

ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ…. 73

3.1. Аппаратурное обеспечение измерений……………………………... 73

3.2. Поиск дефектов колец подшипников известного размера………… 75 3.2.1. Поиск дефектов известного размера дефектоскопом УД3-103……………………………………….. 77 3.2.2. Анализ экспериментальных данных, полученных с помощью дефектоскопа УД3-103………………………………………….. 83 3.2.3. Согласование показаний дефектоскопов УД2-12 и УД3-103… 90 3.2.4. Исследование колец с дефектами известных размеров дефектоскопом УД2-12……………………………………………….. 94

3.3. Определение величины минимального фиксируемого дефекта…... 99

3.4. Контроль трещин в кольцах подшипников ультразвуковым методом……………………………………………………….……….. 107 3.4.1. Исследование колец подшипников с помощью дефектоскопа УД3-103…………………………………………. 108 3.4.2. Исследование колец подшипников с помощью дефектоскопа УД2-12…………………………………………… 112

3.5. Выводы …………..………………..………………………………….. 113 Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ

ДЕФЕКТОВ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА……………………….…………. 115

4.1. Автоматизация процесса выявления дефектов в кольцах подшипников с применением персонального компьютера….…….. 115

4.2. Результаты локализации дефектов………………………………...... 130 4.2.1. Результаты поиска дефектов известного размера…………….. 133 4.2.2. Результаты автоматизированной локализации реальных дефектов в кольцах подшипников……………………………... 134

4.3. Проверка повторяемости результатов при многократном сканировании ……………………………………………………..….. 142 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………..…...……………………………….. 143 ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………..………………... 144 ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………………….. 159

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожная транспортная система играет важную роль, как в экономическом, так и в социальном развитии на территории Российской Федерации. Именно благодаря железнодорожному сообщению осуществляется около 85% грузоперевозок и более 37% пассажиропотока.

Для обеспечения надежности железнодорожного транспорта необходимым является проведение мероприятий по выявлению на ранних стадиях различного рода дефектов в подвижном составе. В частности, обнаружение дефектов в кольцах буксовых подшипников вагонов при их восстановлении на малых ремонтных предприятиях.

В работах Н.П. Алешина, В.В. Клюева, Ю.В. Ланге, А.И. Потапова и других отечественных и зарубежных ученых установлены основные особенности выявления дефектов методами неразрушающего контроля в различных технических устройствах. Особенностью поиска дефектов в кольцах подшипников является фиксация внутренних трещин малых размеров, причем применяемые в настоящее время магнитопорошковый и вихретоковый методы дефектоскопии позволяют производить поиск дефектов на поверхности и в подповерхностном слое. Процесс обнаружения дефектов на современном уровне требует применения автоматизированной системы для проведения оперативной оценки состояния колец подшипников.

Организация поиска дефектов в кольцах подшипников колесной пары вагона рассматривалась в работах Р.А. Ахмеджанова, В.Ф. Криворудченкои других ученых. В то же время автоматизация метода, направленная на определение дефектов и формирование заключений о наличии, размере, местоположении и глубине залегания дефектов в исследуемом кольце, недостаточно рассмотрена.

Заявленным требованиям соответствует методультразвукового (УЗ) контроля, варианты которого анализировались в работах Н.П. Алешина, Р.

Балдева, А.К. Гурвича, В. Раджендрана, Д.С. Шрайбер, J.C. Drury и других исследователей. Однако недостаточно проработан вопрос автоматизации ультразвукового контроля колец подшипников на базе современных средств вычислительной техники с локализацией дефектов в условиях ремонтного железнодорожного предприятия, занимающегося восстановления подшипников.

Актуальной задачей является обоснование автоматизированного УЗ метода контроля колец подшипника качения с точки зрения точности, оперативности, надежности, экономической целесообразности, что обосновывает актуальность темы.

Цель работы – разработка и автоматизация ультразвукового метода контроля дефектов колец подшипников колесной пары железнодорожного вагона в условиях ремонтного предприятия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработано методическое обоснование для локализации дефектов колец подшипников ультразвуковым методом, заключающееся в проведении обучающего эксперимента на эталонных кольцах, оценки минимального различимого дефекта, его местоположения, что позволяет обосновать применимость метода для обнаружения трещин и расслоений и его автоматизацию.

2. Получена экспериментально-аналитическая зависимость, учитывающая разность амплитуд отраженного импульса при изменении чувствительности и коэффициенты, полученные для материала кольца подшипника, что позволило выявить закономерную связь между показаниями дефектоскопа и размерами дефектов.

3. Выполнена алгоритмизация процесса локализации дефектов, включающая в себя настройку дефектоскопа в соответствии с материалом кольца подшипника, формирование информации о наличии дефекта, его размере, местоположении, глубине залегания и ее обработку, что позволило автоматизировать процесс контроля колец подшипников.

Практическая ценность и реализация результатов работы.Автоматизация метода ультразвукового контроля проводилось в рамках программы выявления дефектов в материале колец подшипниковтипов и 30-42726Л4М с целью разбраковки колец для их 30-232726Л4М последующего восстановления. Метод способен обнаружить зарождающиеся дефекты во внутреннем слое кольца подшипника в условиях железнодорожного ремонтного предприятия.

Использование ультразвукового метода контроля колец подшипников позволяет:

автоматизировать процесс выявления трещин и расслоений в кольцах для их оперативной оценки;

оперативно распознавать трещины и расслоения (в течение 3-5 минут) с определением размера дефекта (от 200 микрометров), его координат и глубины залегания, для обеспечения восстановления колец;

удешевить процесс дефектоскопии в условиях малого предприятия;

результаты работы переданы для внедрения на ремонтное предприятие.

Апробация работы.Основные положения работы докладывались на Международной конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (Тамбов, 2011), Международной конференции «Современные вопросы науки и образования – XXI век» (Тамбов, 2012), Международной конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (Тамбов, 2012), а также на заседаниях кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника» СГТУ в 2011-2014 г.

Публикации.По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 работы в журналах из списка ВАК.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методическое обоснование по локализации дефектов колец подшипников ультразвуковым методом.

2. Установленная экспериментально-аналитическим путем связь показаний дефектоскопа с размером, положением и глубиной залегания дефекта.

3. Алгоритмизация процесса контроля колец и формирование информации о наличии дефекта, его размере, местоположении и глубине залегания.

4. Результаты контроля дефектов на автоматизированной экспериментальной установке и предложение по ее внедрению в производство.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА

Подшипники качения часто устанавливаются в ответственные узлы различных типов для уменьшения трения между подвижными частями.

Важным требованием, предъявляемым к подшипникам, является соответствие показателей качества заданным для каждой рассматриваемой области.

Основные показатели качества [122] приведены на рисунке 1.1.

–  –  –

Для решения проблем, связанных с развитием транспортной системы, безопасностью передвижения по железной дороге и повышением качества транспортного обслуживания возникла необходимость в разработке методов обнаружения дефектов различного уровня. Контроль качества изготовления и последующая проверка, направленная на выявление дефектов, подробно описаны в работах Н.П. Алешина [3, 4, 5], А.А. Ботаки [14], И.Н. Ермолова [32], В.Т. Пронякина [82], В.В. Сухорукова [91], Г.С. Шелихова [94], J.C. Drury [139] и других авторов. Согласно В.В. Клюеву [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 56], определение дефектов возможно с использованием методов, подробно описанных в данной главе: ультразвукового, виброакустического, магнитопорошкового, вихретокового и других. С помощью приведенных методов возможен поиск дефектов в различных деталях и узлах [11, 70], в частности, в железнодорожной отрасли. В рамках данной темы рассмотрен процесс дефектоскопии колесных пар, играющих важную роль в надежности подвижного состава. Колесные пары воспринимают нагрузку, которая передается от вагона к рельсам.

Работа в таких условиях предполагает высокую степень надежности элементов Гарантия безопасного движения [6].

подвижного состава невозможна без соблюдения требований к надежности.

Таким образом, с учетом влияния всех факторов окружающей среды, приведен ряд требований, которым должна удовлетворять колесная пара [134, 138, 148]:

1) прочность, достаточная для безаварийной работы и при этом минимальная необрессоренная масса. Это требование позволит минимизировать общий вес подвижного состава, воздействие на рельсовый путь и, как следствие, на элементы вагона;

2) упругость, достаточная для смягчения толчков, возникающих при движении подвижного состава;

3) наименьшее сопротивление движению вагона;

4) наибольшее сопротивление износу деталей и узлов в процессе их эксплуатации.

При изучении надежности колесной пары вагона рассмотрение целесообразно начать с подшипников качения, которые входят в ее состав.

К характеристикам, влияющим на качество подшипника [115, 122], относятся:

коэффициент трения, коррозионная стойкость, размер зерна стали, устойчивость к тепловому воздействию и величина теплового расширения.

Подшипники подвержены наиболее быстрому износу вследствие усиленных нагрузок на них. Поэтому важным является обеспечение контроля состояния подшипников и раннее выявление зарождающихся дефектов, их устранение, если это выполнимо. Такой процесс возможен при использовании ультразвукового (УЗ) метода контроля. Метод получил широкое распространение в дефектоскопии различных деталей и изделий, в частности, в железнодорожной промышленности. При этом он остается малоизученным в рамках дефектоскопии колец подшипников. Как показывает литературный поиск, ультразвуковая дефектоскопия применима в рассматриваемой области и рассмотрена авторами В.А. Ильиным [41], В.Ф. Криворудченко, Р.А.

Ахмеджановым [64] и другими.

1.1. Основные требования к подшипникам качения колесной пары

Рассмотрение вопроса начнем с изучения конструкции колесной пары железнодорожного вагона, представленной на рисунке 1.2. Основными составными частями колесной пары являются ось и два укрепленных на ней колеса. Тип оси определяет тип колесной пары: для роликовых подшипников качения и подшипников скольжения, диаметром колес.

Согласно [123], «Устанавливается два типа колесных пар: РУ1-950 - с осями типа РУ1 и РУ1Ш-950». «Изготавливается с улучшенным торцевым креплением подшипников, шайбой и четырьмя болтами. Оборудована буксами на роликовых подшипниках качения с горячей посадкой внутренних колец на шейку оси. Для изготовления колесных пар используются облегченные оси с цилиндрической средней частью, что достигается применением метода поперечно-винтового проката» [149].

В современных грузовых вагонах магистральных железных дорог используются колесные пары РУ1Ш-950. Из названия следует, что РУ1Ш – тип колесной пары: роликовая унифицированная с подшипниками на горячей посадке с креплением подшипника торцевой шайбой, диаметр колеса составляет 950 мм.

Рис. 1.2. Колесная пара вагона где 1 – ось колесной пары; 2 – колеса; L – расстояние между внутренними гранями ободьев колес; B – ширина обода; D – диаметр по кругу катания колес На рассмотренной колесной паре используются подшипники качения типов 30-232726Л4М и 30-42726Л4М. Общий вид подшипника и его схематичное изображение представлены на рисунке 1.3.

Проведем идентификацию подшипников, устанавливаемых на буксы пассажирских, грузовых вагонов, электропоездов. Изучим их характеристики.

а б Рис. 1.3. Схематичное изображение подшипника качения колёсной пары вагона (а) и его внешний вид (б) Согласно ГОСТ 520-2002 [124]: «30-232726Л4М - Подшипник роликовый радиальный однорядный с короткими цилиндрическими роликами с двумя буртами на наружном кольце с плоским упорным кольцом». Рассмотренный подшипник ставится попарно с «30-42726Л4М - роликовым радиальным однорядным подшипником с короткими цилиндрическими роликами с тремя бортами».

–  –  –

К основным составляющим подшипника относятся наружное и внутреннее кольца. Наружные кольца заднего и переднего подшипников идентичны, в отличие от внутренних. Они характеризуются незначительной величиной зазора и плотно входят в буксу. Переднее кольцо не имеет борта.

Заднее - имеет специальные бортики.

Заднее внутреннее кольцо имеет модификации:

полузакрытые - характеризуются полным внутренним кольцом, специальным бортом;

с единственным кольцом приставного типа.

«Внутренние кольца подшипников неподвижно посажены на шейку оси и вращаются вместе с ней, а наружные свободно установлены в корпусе буксы и удерживаются крепительной крышкой. … Вращение шейки оси вместе с внутренними кольцами подшипников вызывает вращение роликов вокруг своих осей и перекатывание по дорожкам качения между наружным и внутренним кольцами. Свободное перемещение роликов обеспечивается наличием осевых и радиальных зазоров» [146].

При контроле колец подшипников необходимо проверить:

поверхность борта;

технологическую выкружку;

поверхность дорожки качения;

более тщательной проверки требует рабочая поверхность.

Для каждого конкретного кольца проверяются имеющиеся у него поверхности. При контроле всех перечисленных поверхностей необходимо обращать внимание на наличие поперечных, продольных и расположенных под углом трещин. Для всех поверхностных трещин должно обеспечиваться однозначное выявление. Такое кольцо бракуется.

Перечислим требования, предъявляемые к подшипнику в процессе его эксплуатации [10]:

1. Допустимая величина нагрузки, от которой зависит выбор размера подшипника. Роликоподшипники обладают большей устойчивостью к нагрузкам, чем шарикоподшипники при одинаковом их размере. Величина нагрузки складывается из величин радиальной и осевой нагрузок. Такая нагрузка называется комбинированной.

2. Точность. Если при работе подшипника важна точность его вращения, а также если частота вращения подшипника достигает больших значений, то существует необходимость применения подшипников повышенной точности.

3. Скорость. Фактором, ограничивающим максимально возможную скорость подшипника, является допустимая рабочая температура. В случае высоких частот вращения применимы подшипники с малым коэффициентом трения. Как следствие - низким тепловыделением.

4. Жесткость является важным фактором при выборе подшипника и зависит от величины упругих деформаций под нагрузкой. Жесткость роликоподшипников больше, чем шарикоподшипников. Жесткость подшипника возможно увеличить за счет преднатяга.

5. Допустимая величина осевого смещения. Вращающиеся детали опираются на два типа подшипников: фиксирующие и нефиксирующие. При этом фиксирующие подшипники способны обеспечить осевую фиксацию детали в обоих направлениях. Подшипники, выдерживающие комбинированные нагрузки, лучшим образом подходят для фиксации.

Срок эксплуатации подшипника качения зависит от различных факторов, например, условий эксплуатации или предельного значения усталостной нагрузки, превысив которую наступает усталость материала. Таким образом, ресурс подшипника – время, по истечении которого на подшипнике будут наблюдаться первые признаки усталости. Усталость - результат напряжения сдвига, возникающего под рабочей поверхностью колец и тел качения.

Восстановление колец подшипников на ремонтных участках – ответственное и перспективное направление. «В результате восстановления подшипники имеют почти такие же показатели ресурса и надёжности, как и новые. Значение коэффициента ресурса находится в диапазоне от 0,87 до 0,99 ресурса нового подшипника. В зависимости от степени износа работы по восстановлению подшипников можно разделить на пять классов» [152].

1. Класс 0 – Включает в себя технический контроль изношенных подшипников или неиспользуемых в течение длительного периода времени и сверку с чертежами или требованиями спецификаций. Проводятся следующие виды работ: очистка, неразрушающий контроль, визуальный микроскопический контроль, размерный контроль, подготовка отчета.

1. Класс I – Реклассификация. Включает в себя операции класса 0, а также работы: незначительный ремонт (поверхностная полировка неактивных и активных поверхностей, притирка;размагничивание;повторная сборка), динамические испытания (вращение колец подшипника для оценки уровня шума, определения характеристик крутящего момента;смазка, консервация;упаковка).

2. Класс II – Восстановление подшипников. Включает все предыдущие операции и некоторые из перечисленных:

замена тел качения, установка более крупных тел качения;

восстановление сепаратора или замена на аналогичный;

замена изношенных компонентов;

шлифование или полировка и/или плакирование монтажных поверхностей, по мере необходимости соблюдения оригинальных чертёжных размеров внешних и внутренних поверхностей подшипника;

полировка дорожек качения (слой снимаемого с поверхности металла не должен превышать 13 мкм).

3. Класс III – Заводское восстановление 1-го уровня. Включает вышеперечисленные операции, а также:

получение узла другого типа (регулировка: изменение для улучшения параметров или свойств);

установка тел качения, диаметр которых превышает номинальный;

установка восстановленного или нового сепаратора.

4. Класс IV – Заводское восстановление 2-го уровня. Включает работы предыдущих классов или установку нового кольца, если это необходимо.

1.2. Классификация дефектов подшипников качения

Дефект, согласно ГОСТ 15467-79 [115], это «каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям». Изучение дефектов подшипников колесной пары вагона можно разделить на рассмотрение полученных при производстве подшипника, при установке подшипника на ось колесной пары и дефектов, возникших в результате его эксплуатации. В ISO приведён обзор типов повреждений, появлению которых 15243 [143] способствует неправильная установка или длительное использование в неблагоприятных условиях окружающей среды.

По картине повреждения можно определить характерный для нее тип повреждения. Так первичные повреждения могут являться причиной вторичных повреждений, таких как усталостные раковины и трещины. Даже первичные повреждения в ряде случаев могут стать причиной неработоспособности подшипников.

Подшипник, вышедший из строя, может иметь как первичные, так и вторичные повреждения.Согласно ТК-372 [134], произведена классификация дефектов колец подшипников и выделено три группы:

дефекты, возникающие при изготовлении кольца подшипника;

дефекты, возникающие при монтаже буксового узла;

дефекты, возникающие в процессе эксплуатации.

Рассмотрение дефектов производится согласно классификатору дефектов и повреждений подшипников качения ЦВТ-22 ОАО «РЖД» [137], материалам фирмы IRD [141] и SKF [144]. Остановимся более подробно на каждой из них.

1. При производстве, подшипник качения проходит через следующие этапы.

Предварительная обработка. В ее состав входит обработка давлением, вальцевание и токарная обработка [68, 86, 87]. На этапе предварительной обработки возможно возникновение внутренних и поверхностных трещин, разрывов. В процессе обработки давлением металл испытывает многократный нагрев и охлаждение. При таком воздействии возможно образование термических напряжений, как следствие, внутренних разрывов и трещин.

Термическая обработка [68]. Включает нагрев подшипника до 850 оC, быстрое охлаждение до 40 оC - закалка и отпуск при температуре 170 оC, для уменьшения закалочных напряжений. При термической обработке также могут возникнуть разрывы и трещины (рисунок 1.4) внутри материала.

Рис. 1.4. Пример закалочной трещины

Финишная обработка. Состоит из процедур шлифования деталей подшипника и суперфиниширования - обработки дорожек качения до параметров шероховатости Ra менее 0,06. На данном этапе дефекты образуются вследствие возникновения остаточных напряжений или изменений в микроструктуре. В процессе шлифования происходит нагрев поверхности до температур порядка 720 оC. Конечная температура нагрева зависит от ряда факторов: типа смазочно-охлаждающей жидкости, ее концентрации, срока службы, расхода, типа шлифовального диска, его скорости, степени износа, скорости подачи и обработки материала перед шлифованием. В результате несоблюдения способа термообработки, на поверхности колец подшипника могут возникнуть прижоги различных классов. Примеры дефектов представлены на рисунке 1.4.

а б Рис. 1.5. Пример шлифовочной трещины (а) и трещины, вызванной шлифовальным прижогом (б) Отдельно изготавливаются тела качения подшипника и сепаратор. Но в работе будет рассматриваться только дефектоскопия колец подшипника.

2. После производства деталей наступает этап сборки. На данном этапе важны безошибочная сборка и грамотное нанесение смазки на детали подшипника, а также протирка деталей для удаления возможной пыли и частиц.

В противном случае подшипник качения колесной пары может полностью выйти из строя. В материале подшипника возможно появление следующих эффектов [137, 141, 144].

Выкрашивание поверхности, вызванное неправильной посадкой вала или установкой подшипника. Вследствие чего возникают большие циклические напряжения, трещины и расслаивание на поверхности колец подшипника (рисунок 1.6).

Рис. 1.6. Выкрашивание поверхности

Абразивный износ возникает из-за наличия малых частиц, повреждающих дорожки качения, тела качения, сепаратор. Абразивные частицы проникают в подшипник вследствие плохого уплотнения или образуются из-за изнашивания металла. Причем в процессе изнашивания дорожек качения происходит образование все большего количества абразивных частиц. Абразивный износ может привести изменению его геометрии и быстрому выходу подшипника из строя. Возникновение несущего смазочного слоя невозможно при недостаточном количестве смазки или при утрате смазкой необходимых свойств. Из-за этого появляется металлический контакт между телами качения и дорожками качения. Возможно изменение цвета поверхности либо на тусклый серый, либо зеркальная полировка поверхности, возникновение голубого и коричневого цвета поверхности («цвета побежалости»). Потемнение пластичной смазки. Такие изменения, представленные на рисунке 1.7, в подшипнике происходят после попадания абразивной пыли на трущиеся поверхности. Процесс износа подшипника происходит до момента его поломки. Промывка подшипника, износ которого происходит в течение непродолжительного времени, позволяет производить его дальнейшее использование.

Рис. 1.7. повреждение поверхности качения при абразивном износе

Для избегания износа необходимо производить удаление упаковки с подшипников непосредственно перед его установкой, следить за чистотой на рабочем месте и контролировать состояние инструмента. Использовать качественные смазочные материалы, при необходимости уменьшить интервалы между смазкой.

Задиры. Их появление на поверхности происходит вследствие абразивного износа. На практике - появление глубоких царапин на дорожке, на посадочной поверхности кольца (рисунок 1.8). Задиры также образуются при сборке кольца с сепаратором и телами качения в случае, когда идет их перекос относительно другого кольца.

–  –  –

Бриннелирование является результатом перенапряжения металла вследствие механических ударов. Результатом является появление выемок на поверхности колец. Пример дефекта приведен на рисунке 1.9.

–  –  –

Электроповреждения являются следствием прохождения через детали подшипника электрического тока (рисунок 1.10). Электрический ток может возникнуть за счет вызванного ремнями транспортера статического электричества, либо при использовании сварочных аппаратов. В результате на кольцах и поверхностях элементов качения возможно появление точечного питтинга.

Рис. 1.10. Питтинг (сваривание) поверхности дорожек качения Натирыобразуются на кольцах подшипника из-за его неправильной сборки. Дефект показан на рисунке 1.11.

–  –  –

Повреждения при сборке подшипника, в основном, возникают из-за недостатка опыта выполнения таких работ. Результатом могут быть повреждения, аналогичные описанным выше.

Приведем некоторые из примеров неправильной сборки.

неправильная установка внешнего кольца может привести к вмятинам на дорожках качения от роликов;

перегрев может возникнуть из-за неправильно проведенных работ по установке наружного кольца в корпус вследствие его излишнего обжима;

из-за неправильной балансировки частей ротора возникает дисбаланс.

В результате, это приводит к повреждению колец подшипника.

Повреждение сепаратора (рисунок 1.12) может вывести из строя весь подшипник. Причинами таких повреждений также является неправильная сборка или недостаточная смазка подшипника. При этом происходит изгиб сепаратора и образование трещин. Возможно полное разрушение.

–  –  –

Трещины. Образование трещин (рисунок 1.13) может быть вызвано различными причинами. Например, при неправильном монтаже или демонтаже вследствие сильного натяга или ударных нагрузок.

–  –  –

Дефекты, перечисленные выше, обычно обнаруживаются в момент их появления, то есть при производстве деталей подшипника или по окончании сборки и установки как сразу после производства, так и при повторной сборке после восстановления.

3. Третья группа дефектов [134, 137], возникших в процессе неправильной эксплуатации колец, требует наибольшего внимания, так как при несвоевременном их обнаружении возможны последствия, связанные с разрушением всего подшипника, что может повлечь за собой дальнейший выход из строя других частей колесной пары.

На состояние подшипника влияют как внешние факторы, так и правильность эго эксплуатации. К внешним факторам можно отнести влияние атмосферы, например, охлаждение окружающей среды, влажность. Результатом такого воздействия может быть атмосферная коррозия на кольцах подшипника (рисунок 1.14). Она образуется на месте контакта тел и дорожек качения из-за конденсации влаги.

Рис. 1.14. Атмосферная коррозия

В процессе эксплуатации возможно образование следующих дефектов.

Усталостное разрушение поверхности. Образование дефекта обусловлено недостаточной смазкой подшипника. Возможно отслаивание и растрескивание поверхности дорожек качения колец подшипника (рисунок 1.15). Может наблюдаться развитие и других негативных последствий, таких как его перегрев.

–  –  –

Перегрев, приводящий к обесцвечиванию и дополнительному повреждению поверхности металла (рисунок 1.16).

Рис. 1.16. Поврежденный и обесцвеченный металл в результате перегрева Абразивный износ, который возникает, как в процессе сборки, так и эксплуатации (рисунок 1.17) по той же самой причине использования грязной смазки. Следствие - попадание абразивной пыли на трущиеся поверхности.

–  –  –

Фреттинг-коррозия. Этот эффект может вызвать заклинивание или ослабление посадки внутреннего кольца на валу. Возникает под действием нагрузок.

Рис. 1.18. Фреттинг-коррозия на кольце подшипника Еще одной причиной возникновения феттинг-коррозии может быть несоосность колец. Из-за несоосности на осях возникают высокие нагрузки, которые приводят к сколам поверхности и усталостному разрушению металла.

Кроме того, появившиеся частицы в подшипнике действуют как абразив.

Результат показан на рисунке 1.18.

Бриннелирование. Дефект возникает и в процессе установки кольца, и во время его эксплуатации. Является результатом перенапряжения металла вследствие сильных ударных или статических нагрузок. Если невозможно избежать таких нагрузок, то необходимо подобрать подшипники, выдерживающие более высокие нагрузки. Дефект показан на рисунке 1.19.

Рис. 1.19. Примеры бриннелирования

Псевдобриннелированиепоявляется из-за вибраций в нерабочем состоянии, например, при транспортировке вагона. Оно может быть следствием влияния внешних вибраций. В отличие от бриннелирования, данный вид дефекта трудно обнаружить на дорожках качения колец и он заключается в продавливании и сдвиге металла.

Натиры, которые образуются в процессе эксплуатации. Натиры могут быть вызваны недостаточной смазкой или перегрузкой подшипника (рисунок 1.11).

Выбоины поверхности, возникающие при пластических деформациях и повреждении внешними частицами поверхности подшипника при работе, например, металлической стружкой, проникающей в подшипник. Стружка порождает вмятины, когда тело качения закатывает ее в дорожку качения. Это приводит к усталостному выкрашиванию материала. Отличительной особенностью является возникновение маленьких вмятин, распределенных на дорожках качения колец (рисунок 1.20). Также вмятины могут возникнуть при чрезмерной нагрузке, передающейся на кольца через тела качения.

Рис. 1.20. Выбоины и вмятины

Для исключения появления дефекта необходимо соблюдать чистоту в процессе сборки. Использовать чистые смазочные материалы. Производить проверку уплотнений в процессе эксплуатации.

Задиры на дорожках качения. Возникают в случае перехода тела качения из ненагруженного положения в нагруженное. Из-за полученного ускорения происходит проскальзывание относительно дорожки качения и образуются задиры. Также могут образоваться в результате скольжения двух поверхностей под нагрузкой при условии отсутствия достаточного количества смазки. Дефект показан на рисунке 1.21.

–  –  –

Раскалывание, раздробление деталей. Данный тип повреждений распространяется как на кольца, так и на сепаратор. Причина – перегрузка подшипника. Результат раскалывания приведен на рисунке 1.23.

–  –  –

Повреждение сепаратора приводит к дальнейшему повреждению колец подшипника.

Все перечисленные дефекты образуются во время эксплуатации подшипника. Их минимизация достигается своевременным обнаружением образования и устранением причин, их вызывающих. При этом внимания заслуживают именно внутренние дефекты колец, в частности, трещины.

В данном подразделе перечислены все возможные виды дефектов подшипника, которые могут привести к повреждению внешнего и внутреннего колец, как непосредственно образовавшись на них, так и за счет косвенных повреждений, полученных в результате выхода из строя других частей подшипника.

Методы контроля дефектов колец подшипников 1.3.

Обнаружение дефектов колец подшипников производится с использованием магнитопорошкового метода. Допустимо применять вихретоковый, феррозондовый, виброакустический, УЗ и другие методы.

Изучение особенностей методов подробно описано в литературе [12, 17, 26, 44].

Приведем классификацию методов неразрушающего контроля [18, 73, 86, 88, 110]. Она изображена на рисунке 1.24. Опишем достоинства и недостатки рассматриваемых методов.

–  –  –

Рис. 1.24. Классификация методов неразрушающего контроля Магнитопорошковый метод является самым распространенным, так как с его помощью возможно определение дефектов многих деталей подвижного состава [94]. Это объясняется применением конструкционных сталей (ферромагнитного материала) при производстве деталей. В частности, метод применим для исследования колец подшипников.

Перечислим факторы, влияющие на чувствительность метода [51]:

магнитные характеристики материала, из которого изготовлена деталь;

значение напряженности намагничивающего поля;

значение размера, шероховатости и форма поверхности детали;

значение размера, координаты и ориентация дефекта, его форма;

взаимное направление намагничивающего поля и дефекта;

свойства материала, используемого в процессе дефектоскопии и способ его нанесения на деталь;

способ регистрации выявляемого дефекта.

Применение магнитопорошкового метода позволяет обнаружить поверхностные дефекты с шириной раскрытия от 0,002 мм, глубиной от 0,01 мм, а также подповерхностные дефекты [116]. Подповерхностным считается дефект на глубине в доли миллиметра от поверхности изделия. В зависимости от геометрических размеров выявляемых дефектов рассматривают три уровня чувствительности: А (минимальная ширина раскрытия условного дефекта 2 мкм, минимальная протяженность условного дефекта 0,5 мм), Б (10 мкм, 0,5 мм), В (25 мкм, 0,5 мм) [116]. Уровни чувствительности получены для эталонных дефектов на поверхности детали - трещин с параллельными стенками, перпендикулярными поверхности.

Существует два способа обнаружения дефектов [94, 95]: по приложенному полю и по остаточной намагниченности. Именно второй способ подходит для поиска дефектов в кольцах подшипников диаметром от 100 до 400 мм.

Для этого применяется установка ТПС-9706. Разработчиками описан принцип ее действия, который основан на «намагничивании колец подшипников импульсами тока путем разряда предварительно заряженной конденсаторной батареи через намагничивающие устройства установки. … В качестве индикатора трещин используется магнитный порошок, взвешенный в жидкости в виде суспензии. Обнаружение дефектов производится визуально при осмотре места контроля по скоплению частиц порошка на дефектах» [156].

Положительными качествами магнитопорошкового метода являются высокая чувствительность и способность определения мельчайших дефектов.

Отрицательными - возможность обнаружения только поверхностных дефектов (расслоения, трещины и выкрашивания во внутренней структуре, при этом, остаются незамеченными) и отсутствие автоматизации метода.

Феррозондовый метод контроля применим для определения поверхностных и подповерхностных дефектов. Специфика работы такого дефектоскопа заключается в намагничивании объекта контроля и анализе его взаимодействия с магнитным полем [53]. Если в объекте имеется дефект, то возникают магнитные поля рассеяния, фиксируемые феррозондовым преобразователем. Результат - дефект обнаружен. На практике феррозондовый метод применим для поиска дефектов в деталях тележек грузовых вагонов.

Сведений об эффективности использования для контроля колец подшипников не найдено. Исходя из теоретических сведений, можно сделать вывод о возможности его применения и для рассматриваемой области. При этом микротрещины не будут оказывать влияния на распространение магнитного поля. Следовательно, главным минусом метода является его слабая чувствительность.

Вихретоковый метод контроля применим для колец подшипников, что подтверждают исследования, проводимые в СГТУ [40, 83, 84] и разработанный ООО «Микроакустика» технологический модуль ВД-233.100, который используется: «для вихретокового контроля внешних колец роликовых подшипников № 2726 буксовых узлов грузовых вагонов» [49, 150]. С помощью данного комплекса можно выявить дефекты размерами от доли миллиметра.

Вихретоковый дефектоскоп «Висткон» также применим для контроля внешних и внутренних колец подшипника и способен обнаружить дефекты от 2 мкм [155].

Положительными качествами приведенных приборов для обнаружения дефектов являются автоматическая настройка и калибровка, способность обнаружения мельчайших дефектов. Минусом – невозможность обнаружения внутренних дефектов, а также высокая стоимость комплексов для вихретокового контроля.

Акустико-эмиссионный метод позволяет выявить дефекты различного происхождения на поверхности: продольные, поперечные, наклонные трещины. Вновь рассматриваются только поверхностные дефекты [53].

Все перечисленные методы имеют один недостаток: невозможность определения внутренних дефектов колец. Считается, что большая часть дефектов в процессе эксплуатации подшипника образуется именно на поверхности за счет взаимодействия деталей, недостаточной смазки, попадании инородных частиц или неправильной сборке. При этом не берется во внимание, что в процессе производства кольца подшипника за счет ошибок в технологии изготовления возможно образование внутренних дефектов. В частности, при эксплуатации, из-за нагрузок и ударных воздействий возможно расслоение внутренней структуры кольца. Таким образом, пропуская малый процент дефектов, возникающих во внутренней структуре кольца, на деле можно столкнуться с разрушением подшипника из-за его несвоевременного выявления. С этой точки зрения пристального внимания заслуживают рентгеновский, ультразвуковой и виброакустический методы.

Рентгеновский метод. Применим для поиска дефектов в изделиях из сталей, металлических и неметаллических композиционных материалов, различных сплавов. Максимальная глубина просвечивания составляет 35-40 мм. Метод применим для сканирования колец подшипников. При этом метод является достаточно дорогим и требует сложной организации рабочего места специалиста для исключения возможности причинения вреда здоровью в процессе дефектоскопии [55]. Таким образом, применимость метода ограничивается крупными предприятиями.

Виброакустический метод ранее не применялся для поиска дефектов в кольцах подшипника качения, но его возможностей должно быть достаточно и для обнаружения описанных дефектов в строении колец [54, 98, 105].

Основной задачей станет определение чувствительности метода и возможности его автоматизации.

Ультразвуковой метод. На методе остановимся подробнее [60, 62, 90, 92]. Этот метод достаточно широко распространен для обнаружения дефектов в деталях колесной пары [41]. Именно УЗ метод используют при поиске дефектов поверхности катания колес и бандажей, при исследовании оси. Метод основан на применении УЗ волн и физических основах их распространения.

Звук представляет собой физическое явление, которое заключается в распространении упругих волн механических колебаний в различных средах.

Звуковые волны, которые способно различить человеческое ухо, находятся в пределах от 16 до 20000 Гц. Звук ниже 16Гц называется инфразвук, выше 20000Гц – ультразвук. Свыше 1 ГГц – гиперзвук. Следовательно, под рассматриваемым понятием ультразвук следует понимать упругие колебания в среде со значением частоты свыше 20 000 Герц [71, 96].

Суть УЗ метода заключается в возбуждении механических колебаний упругой среды в контролируемом изделии [4, 7]. Верхняя граница частоты для ультразвуковых колебаний, используемых в данном методе контроля, составляет 25 МГц. Строго направленный звуковой луч, попадая в исследуемый объект через прослойку, распространяется в его структуре за счет упругого взаимодействия частиц [5]. В качестве прослойки используются различные минералы на масляной основе. Например, машинное масло.

В методе основополагающим является понятие отражения. Рассмотрим смысл данного понятия. Именно за счет отражения волны от дефекта и происходит его регистрация. «При падении на плоскую границу раздела двух разных сред плоская волна частично отражается, частично проходит в другую среду, оставаясь плоской, но меняет при этом своё направление распространения (преломляется)» [9, 12, 20]. Отраженная волна возвращается к источнику излучения и улавливается при этом приемником.

УЗ приборы позволяют определять дефекты в подшипниках и проблемы со смазкой. Наличие дефекта на пути следования УЗ волны проявляется в ослаблении входного сигнала. «Чувствительность дефектоскопа регулируется в широких пределах и обеспечивает выявление дефектов в стали на глубине до 100 мм» [30, 31].

К достоинствам УЗ метода относятся [43, 46, 47]:

возможность обнаружения глубоко залегающих дефектов внутри материала;

высокая проникающая способность;

высокая чувствительность метода;

возможность определения точного местоположения внутреннего дефекта, его геометрических размеров;

возможность обследования при одностороннем доступе к изделию;

экспресс оценка наличия дефекта;

отсутствие вредного воздействия на здоровье человека.

К недостаткам можно отнести:

для обнаружения дефектов необходим опыт работы и знания в данной сфере, в случае, если метод не автоматизирован;

сложность в работе с неоднородными, неправильной формы, тонкими или малых размеров образцами. На анализ колец подшипников данный недостаток не распространяется.

УЗ метод подходит для обнаружения дефектов при потоковом сканировании. Возможность подключения современных ультразвуковых дефектоскопов (УЗД) к компьютеру позволяет выводить результаты контроля.

Все вышеперечисленные методы поиска дефектов в подшипниках различаются как теоретическими предпосылками, которые положены в их основу, так и применяемым оборудованием: его стоимостью, необходимой подготовкой персонала, эффективностью поиска. Большинство методов имеет свои специфические особенности в процедуре обнаружения дефектов. УЗ метод способен обнаружить зарождающиеся дефекты, как вихретоковый и магнитопорошковый методы. Выполнять подобные работы может только специально обученный персонал. Использование УЗ метода позволяет создать автоматизированную установку для контроля состояния колец подшипников, что позволит свести работу дефектоскописта к выполнению рекомендаций системы и смене партий. На основании проведенной классификации составлена таблица 1.2.

Для дальнейшего исследования выбран УЗ метод, как наиболее универсальный [8], доступный и имеющий возможность автоматизации [97].

Важной особенностью поиска существующих дефектов является определение минимальной необходимой чувствительности дефектоскопа, достаточной для их фиксации.

–  –  –

На производстве принято исследовать партию подшипников, забраковывая определенный процент самых некачественных из них. Таким образом, нельзя назвать конкретных размеров дефекта, с которых начинается разбраковка. «Приемочный уровень дефектности (по числу дефектных подшипников, отнесенному к числу проконтролированных) для подшипников с малозначительными дефектами AQL = для подшипников со 7,5 %, значительными дефектами AQL = 2,5 %» [124]. Также неправильно утверждать, что дефект имеет место, только исходя из данных характеризующего его одного признака. «По техническим параметрам подшипники подвергают статистическому приемочному контролю по альтернативному признаку в соответствии с требованиями ГОСТ 18242 и технической документации на статистический приемочный контроль подшипников, утвержденной в установленном порядке» [124]. В этом случае возможна проверка с применением другого метода дефектоскопии. Если каждый из выбранных методов показывает наличие дефекта, то дефект подтверждается и деталь бракуется.

«Объемы выборок, приемочные числа А, сi и браковочные числа в зависимости от объемов партии подшипников, вида контроля и приемочного уровня дефектности - по ГОСТ 18242 и технической документации по статистическому контролю подшипников, утвержденной в установленном порядке» [124]. При контроле УД2-12 важными документами являются [130, 131] и критерии качества - ОАО "РЖД".

Методы ультразвуковой дефектоскопии 1.4.

Распространение ультразвука представляет собой процесс возмущений, присущих звуковой волне [42]. Требованием при распространении ультразвука является упругая среда. Примером такой среды, в частности, является любое твердое тело. В твердом теле распространение УЗ колебаний характеризуется основными параметрами, перечисленными ниже. Для каждого параметра дано его определение согласно [154].

Интенсивность ультразвука — это средняя по времени энергия, переносимая волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению ее распространения. Соответственно, затухание ультразвука – это уменьшение интенсивности звуковой волны по мере ее распространения [16].

Мощность звука представляет собой энергию, передаваемую звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени.

При распространении УЗ волн следует кратко описать понятия дифракции и интерференции. Дифракция наблюдается, когда длина УЗ волны сравнима или больше размера находящегося на пути препятствия. В случае, если препятствие превосходит по размеру длину акустической волны, явление дифракции отсутствует. При одновременном распространении в среде нескольких УЗ волн в каждой определённой точке среды происходит их суперпозиция. При этом если волны имеют одинаковую частоту, то их наложение друг на друга называется интерференцией. В точках пересечения волн может наблюдаться или ослабление, или усиление колебаний. Результат зависит от соотношения фаз УЗ колебаний в рассматриваемой точке.

По типу волны делятся на продольные, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды, и поперечные волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела.

[20]. Причем, если продольные волны могут быть возбуждены в любых средах, то поперечные – только в твердых.

Ультразвуковая дефектоскопия — поиск дефектов в материале изделия УЗ методом, то есть путём излучения и принятия УЗ колебаний, отраженных от внутренних дефектов, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — УЗД.

Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля [61].

Для проведения УЗ контроля используются устройства, обладающие большими значениями чувствительности, применяемые в дефектоскопии. Но, несмотря на это, такие устройства не распространены в дефектоскопии подшипников. Производились попытки обнаружения дефектов в кольцах подшипников. Например, исследования на данную тему «НИИ Мостов»

показали «применимость метода для внутренних, наружных и упорных колец подшипников буксового узла грузовых вагонов на предприятиях вагонного хозяйства». На сайте НИИ есть упоминание об особенностях предложенной ими методики: «Технология базируется на прозвучивании контролируемых зон поверхностными ультразвуковыми волнами специализированными пьезоэлектрическими преобразователями. Технология ультразвукового контроля колец обеспечивает выявление дефектов во внутренних, наружных и упорных кольцах подшипников» [131]. Исследования проводились на базе СГТУ и описаны в работах М.Ю. Захарченко [36, 37].

Вопросом УЗ дефектоскопии колец подшипников также занимается фирма «Ультракон-сервис». Разработанное фирмой специализированное программное обеспечение для дефектоскопов УД2-70 позволяет проводить контроль разнообразных деталей локомотивов, в частности, колец подшипников. К основным результатам выявления дефектов, описанным на их официальном сайте [155], можно отнести рассмотрение возможности контроля малых глубин (до 10 мм), величину минимального выявляемого дефекта царапины глубиной 0,2 мм. При этом отсутствует какое-либо обоснование процесса выявления дефектов, доступное для анализа. Известен способ активного УЗ контроля вращающихся деталей [89]. Нигде не упоминается возможность автоматизации описываемых методик.

Метод УЗ дефектоскопии имеет различные подвиды [4, 27]. Опишем их [75] и выберем наиболее подходящий для поиска дефектов в кольцах подшипников. На рисунке 1.25 проведена подробная классификация методов УЗ дефектоскопии.

1. Импульсный эхо-метод является самым распространенным методом.

Принцип работы заключается в отражении УЗ-колебаний от дефекта. Причем амплитуда сигнала пропорциональна площади данного дефекта. При использовании данного метода пьезоэлемент вначале играет роль излучателя, а затем приемника зондирующего импульса.

Плюсы метода:

высокая чувствительность;

возможность определения точных размеров изделия;

возможность определения толщины материала;

возможность определения физико-механических свойств материала;

необходим односторонний доступ.

Минусы метода:

обнаружение дефектов, перпендикулярных поверхности, в некоторых случаях бывает невозможно;

низкая помехоустойчивость.

2. Теневой метод. Принцип работы заключается в регистрации уменьшения УЗ-колебаний при прохождении луча через дефект. Размер дефекта пропорционален ослаблению сигнала. Используются два пьезодатчика (передатчик и приемник), расположенных по разные стороны от объекта контроля.

Плюсы метода:

подходит для обнаружения дефектов, перпендикулярных поверхности;

высокая помехоустойчивость;

слабая зависимость амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта.

Минусы метода:

чувствительность на 1-2 порядка меньше, чем у эхо-метода;

малая точность обнаружения координат дефекта;

необходим двусторонний доступ к исследуемому объекту.

3. Зеркально-теневой метод аналогичен теневому методу. Главное отличие - зеркально-теневой метод работает без двустороннего доступа к исследуемому образцу. Принцип действия основан на регистрации УЗ-сигнала, отраженного от нижней поверхности. Обычно два описанных метода используются для дополнения эхо-метода.

4. Эхо-зеркальный метод. Выдает результат, основываясь на сравнении амплитуд двух сигналов от возможного дефекта: обратно-отраженного и зеркально-отраженного.

–  –  –

Плюсы метода:

чувствительность больше, чем у зеркально-теневого метода;

высокая выявляемость плоских дефектов;

возможность определения формы дефектов.

Минусы метода:

обнаружение только больших дефектов (3 мм и более для дефекта округлой формы);

поверхность дефекта должна быть ровной;

толщина материала, в котором выявляется дефект, должна составлять 40 и более мм;

во многих случаях, обнаружение дефектов с помощью данного метода невозможно.

5. Эхо-теневой метод. Принцип действия основан на анализе эхоимпульса и ослабления однажды отраженного донного импульса. По совокупности приведенных характеристик можно судить о наличии дефекта.

Основная область применения - дефектоскопия сварных швов. Положительной особенностью метода является возможность работы в условиях большого количества помех.

Минусы метода:

чувствительность на 1-2 порядка меньше, чем у эхо-импульсного метода;

работа возможна только в случае двустороннего доступа к изучаемому изделию.

6. Временной теневой. Плюсом является обнаружение дефектов в материалах, где использование других методов невозможно. Например, бетон, огнеупорный кирпич.

К минусу можно отнести обнаружение только крупных дефектов.

Проведя оценку предложенных методов, остановимся на эхо-импульсном методе, так как требуется обнаружение дефектов в неспецифических материалах с большой степенью точности и минимальной сложностью в установке датчика.

Автоматизация ультразвукового контроля.

1.5.

Постановка задач исследования Подшипники качения являются наиболее ответственной составляющей колесной пары. От их состояния зависит работоспособность всего подвижного состава. Такие подшипники отличает их высокая стоимость, следовательно, процесс восстановления ремонтопригодного кольца подшипника становится важной задачей и позволяет сэкономить существенные средства.

В главе выполнен литературный поиск информации о составе, методах и материалах, используемых при сборке колесной пары. Получены сведения о применяемых в настоящее время подшипниках, основных требованиях к ним предъявляемых. Произведена классификация дефектов подшипников с разделением на группы, каждой из которых соответствует определенный этап производства или эксплуатации. Также выполнена классификация методов неразрушающего контроля с целью определения наиболее применимого для рассматриваемой предметной области. Приведены основные положительные и отрицательные аспекты их использования. Одним из основных вопросов является автоматизация метода [101, 106].

Анализ научно-технической информации по неразрушающему контролю колец подшипников показал недостаточную эффективность имеющихся методов [9, 12, 14, 17]. На основании проведенного анализа выбран ультразвуковой эхо-метод контроля, который позволяет обнаружить внутренние дефекты колец подшипников, что обосновывает целесообразность совершенствования УЗ метода и средств его осуществления на основе автоматизации процессов сбора и обработки информации о наличии дефектов в строении. УЗД повсеместно применяются при поиске дефектов в других деталях колесной пары железнодорожного вагона.

В ходе изучения данной области были найдены аналоги разрабатываемой системы. Автоматизация процесса ультразвукового контроля производится в различных областях промышленности, например, контроле труб и так далее. В условиях железнодорожного ремонтного депо реализуются автоматизированные системы контроля шариков подшипников. Такие системы позволяют обнаружить трещины глубиной от 30 микрометров. Возможно выявление только поверхностных дефектов [145]. Существуют автоматизированные установки ультразвукового контроля черновых бандажей ЖД колес УКБ-1Д. Реализуется ручной контроль колесных пар вагонов, рельсового пути, колец подшипников [153]. Автоматизация описанных методов не рассматривается.

За рубежом разработана автоматизированная установка ультразвукового контроля колец [157], в которой часть работы выполняется оператором.

Например, оператор подтверждает правильность выбора типа кольца для сканирования, производит замену колец и на основании сведений, выданных системой, принимает решение о разбраковке кольца. Принцип действия установки не описан. Также на сайте производителя не указаны минимальные размеры определяемых дефектов и максимальная глубина прозвучивания.

Необходима разработка экономически обоснованного метода восстановления, который включает в себя разбраковку и перешлифовку колец подшипников [114], затем селективную сборку подшипника, в условиях малого ремонтного предприятия. Восстановление позволяет уменьшить расходы, уровень загрязнения. Как показывает практика, при восстановлении подшипника экономия может достичь 80 % от стоимости нового. Кроме того восстановление изношенных подшипников позволяет в разы сократить количество углекислого газа, поступающего в атмосферу, по сравнению с их производством [152]. Ресурс предназначенного для восстановления подшипника описывается с учётом изменения геометрической формы и напряжения сдвига, вследствие удаления деформированных компонентов и замены роликов.

В соответствии с изложенным, сформулирована цель исследования и решаемые задачи, приведенные во введении. Решению указанных задач посвящены следующие главы диссертации.

2. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ВЫЯВЛЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ТРЕЩИН В КОЛЬЦАХ

ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ

Недостатком имеющихся сведений о методе ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) является отсутствие его методического обоснования в рамках процесса поиска дефектов в кольцах подшипников. Таким образом, для определения возможности применения конкретного метода, проводится анализ особенностей выявления дефектов в рассматриваемой предметной области.

В случае УЗ метода исследования материала важно обратить внимание на особенности распространения УЗ волн в его структуре [57]. В частности, такие характеристики, как скорость распространения волн, коэффициенты преломления и прохождения, на основании которых можно говорить о применимости метода. Необходимо рассчитать значения различных параметров, характеризующих дефект, например, глубину его залегания.

Важной особенностью УЗ контроля колец подшипников, геометрические размеры которых известны, является изучение принципа распространения волн.

Таким образом, ставится задача разработки методического обоснования применимости УЗ метода для локализации ряда дефектов колец подшипников, в частности, трещин, с определением геометрических размеров, координат, глубины залегания.

Решение задачи необходимо, как указано в главе 1, для оперативного обнаружения дефектов в условиях ремонтных участков РЖД и автоматизации метода. Важно оценить применимость современной приборной базы для решения поставленной задачи. При этом максимальная погрешность, которую возможно получить в результате проведения эксперимента, не должна влиять на достоверность результата.

–  –  –

Главной задачей исследования является реализация возможности автоматизации процесса поиска дефектов в кольцах подшипников. Установка, позволяющая производить поиск и идентификацию размера, координат и глубины залегания дефектов в материале кольца, подробно описана в 4 главе диссертации. Алгоритмизация метода [39] схематично представлена на рисунке 2.1.

Контроль дефектов в кольцах подшипников колесной пары вагона

–  –  –

Рис. 2.1. Алгоритмизация процесса контроля дефектов Лицо, принимающее решение, проводит обучающий эксперимент и вводит информацию о размере дефекта в базу данных. Следующим шагом является контроль состояния колец подшипников путем сравнения реальных дефектов с эталонными.

Результатом является заключение о наличии дефекта, его размере, координатах и глубине залегания. Действия оператора сводятся к смене партий контролируемых колец и выполнению действий: разбраковки кольца или продолжения эксплуатации, если кольцо является бездефектным. Заключение о применимости данной методики для автоматизации процесса обнаружения дефектов в кольцах подшипников возможно после проведения статистической обработки результатов, полученных в ходе автоматического поиска дефектов в 4 главе. Порядок статистической обработки вынесен в приложение 1.

2.2. Физическое обоснование ультразвукового метода контроля колец подшипников Базируясь на известных результатах [12, 19], проведение физического обоснования обеспечивает:

возможность выявления трещин в структуре металла колец;

определение минимального размера трещин – чувствительность метода;

определение градуировочной зависимости;

возможность автоматизации;

оперативность контроля;

минимизацию погрешностей.

Рассмотрим особенности распространения волн ультразвуковой частоты в твердом теле Распространение происходит в результате [113].

последовательности разряжений и сжатий определенных объемов среды и называется звуковым давлением (амплитуды сжатия и растяжения равны, чередование соответствует частоте колебаний). При возрастании степени разряжения и сжатия среды увеличивается ее удельное акустическое сопротивление. Оно сонаправлено со смещением частиц этой среды, то есть волна вызывает ее деформацию [111]. Длиной УЗ волны называется расстояние между двумя соседними областями.

УЗ волны характеризуются теми же закономерностями, которые присущи звуковым колебаниям.

Они описываются общим для всего спектра частот волновым уравнением, которое имеет вид [85]:

(2.1),

–  –  –

где – оператор Лапласа, W изменение колеблющейся величины во времени (2.3) где – время, с;

А – амплитуда волны, м;

Т – период колебаний, с;

х, у, z – координаты источника синусоидальных колебаний, м;

х – направление распространения волн;

с – скорость звука в среде распространения УЗК, м/с.

Упругие волны описываются такими параметрами, как интенсивность, коэффициент затухания, мощность, удельное акустическое сопротивление, коэффициенты отражения и преломления [67, 118, 140]. Изучим влияние этих параметров на процесс распространения волн в структуре кольца подшипника.

На основании известных соотношений [29, 33], произведем их расчет для марки стали ШХ4. Как следствие, подтвердим возможность использования УЗ метода контроля.

Рассмотрение начнем с понятия интенсивности ультразвука.

Формула для расчета интенсивности ультразвука I:

–  –  –

Интенсивность ультразвука снижается вследствие затухания и зависит от расстояния, пройденного УЗ волной. При расчете коэффициента затухания, в случае распространения волн в твердом теле, необходимо найти сумму коэффициентов поглощения и рассеяния. В процессе поглощения ультразвука важным являются значения вязкости и теплопроводности среды, а также другие факторы, способные повлиять на конечный результат. Из-за резкого изменения свойств среды возможно рассеяние ультразвука.

При распространении волн в структуре стали марки ШХ4 наблюдаются их два основных типа: продольные и поперечные. Важнейшей характеристикой любой волны является скорость ее распространения внутри материала [79]. В идеальных условиях при неизменной температуре скорость звука остается постоянной в течение времени [29].

Данная марка стали имеет следующие характеристики: плотность кг, модуль упругости МПа, Модуль сдвига м МПа. ШХ4 используется при производстве колец железнодорожных подшипников [125].

Произведен расчет скорости звука для поперечной волны в исследуемой марке стали:

–  –  –

произведем расчет коэффициента Пуассона:

-1 = -1=0.25. (2.7) Отношение скорости распространения продольной волны к поперечной для данного материала:

, (2.8)

–  –  –

зависит коэффициент отражения R. Его расчет производится нахождением отношения интенсивностей отраженной и падающей волн или удельных акустических сопротивлений Z1 1C1, Z 2 2 C 2 первой и второй сред:

–  –  –

(2.13).

Выбранный эхо-импульсный метод основан на свойстве отражения УЗ волн от дефектов, а именно, при падении волны на границу раздела сред, часть отражается в первую среду, другая - проходит во вторую [50]. Коэффициент

–  –  –

Результат показывает, что происходит практически полное отражение волны от границы между двумя средами сталь-воздух. Углы отражения и преломления зависят от скорости распространения волны в первой и второй средах. Формула для расчета коэффициента прохождения D = 1- R. В данном случае примем D = 0.

Важным является рассмотрение основных типов дефектов, которые могут быть искусственно смоделированы и повторяют реальные своей формой или геометрическими размерами. В литературе приводится общая классификация формул, выведенных для эхосигналов, отраженных от поверхностей тела и отражателей [33].

Смоделированные дефекты представляют собой отверстия правильной формы и могут быть описаны математически. Для расчета возьмем за основу характеристики дефектов, которые возможно найти при рассмотрении кольца подшипника. Введем следующие обозначения: Р0 и Р - амплитуды излученного и принятого сигналов, S - площадь пьезопластины, r - расстояние преобразователь-дефект. Для учета затухания формулы следует умножить на е-2r.

Все дефекты, от которых наблюдается отражение эхосигнала, разделены на 3 группы, приведенные на рисунке 2.2. Для каждой группы дефектов зависимость амплитуды эхосигнала от приведенного расстояния различна.

Где N – длина ближней зоны преобразователя.

–  –  –

Произведем расчет ослабления эхо-сигнала для дефектов различной формы [33]. Исходя из рассмотренных типов дефектов в 1 главе, на практике он может иметь произвольную форму. Поэтому необходимо определить максимальное ослабление волны с целью оценки его влияния на возможность пропуска дефекта. Произвести расчет средних показателей ослабления, которые будут взяты за основу для получения значений погрешностей, вносимых данной характеристикой УЗ волны.

Рассмотрение искусственно получаемых дефектов начнем с тонкого диска площадью S и диаметром d, изображенного на рисунке 2.3.

–  –  –

Такой дефект на практике возможно получить сверлением плоскодонного отверстия. Произведем расчет ослабления амплитуды принятого импульса для данного вида дефекта. От значения амплитуды зависит точность фиксации дефекта. Для расчета необходимо определить площадь пьезоэлемента. Его размеры – 5x5 мм. Откуда площадь поверхности S = 25 мм2.

Размер поверхности дефекта находится в зависимости от его диаметра и составляет:

–  –  –

Интервалы численных коэффициентов определяют диапазон разброса амплитуд эхосигналов. Этот разброс зависит от различных показателей, таких, как расстояние отражатель-преобразователь, форма импульса, длительность импульса, форма пьезопластины.

. (2.15) Для расчета расстояния, пройденного УЗ волной за t = 1 секунду, вычислим отношение расстояния, пройденного волной в среде за время t к этому времени. Откуда,, (2.16) где l – длина волны, м;

f – частота колебаний, Мгц;

– скорость волны.

При выборе ПЭП одним из основных параметров является его рабочая частота. Если частота слишком мала, то уменьшается чувствительность метода.

При больших значениях рабочей частоты появляются дополнительные помехи и уменьшается максимальная глубина обнаружения дефекта. Более подробно вопрос выбора ПЭП изучен в конце данной главы.

Рассмотрим 2 вида ПЭП, из них выберем более подходящий для поставленной задачи обнаружения дефектов в исследуемом кольце подшипника. Это наклонные преобразователи частотой 5 или 10 МГц. Оба ПЭП могут быть использованы в процессе дефектоскопии. Расчет произведен в мм. Результаты сведены в таблицу 2.1.

Для ПЭП 10 МГц.

–  –  –

Выберем ПЭП частотой 10МГц (пункт 2.2.3). Длина ближней зоны составит 14,5 мм. Так как толщина кольца подшипника составляет 14мм, рассматриваться будет только ближняя зона.

Произведем выбор значения коэффициента для формулы ослабления.

Согласно графу, представленному на рисунке 2.4, значение I1 берется из диапазона от 1 до 3 в зависимости от глубины залегания дефекта. Такой диапазон получен при расчете отношения r/N, которое может принимать значения из промежутка [0; 0,48].

Рис. 2.4.

Определение значения коэффициента для формулы ослабления Коэффициент А является отношением геометрических размеров преобразователя (для каждого вида различные: диаметр, ширина, длина) к длине волны и рассчитывается для случаев:

–  –  –

Коэффициент затухания имеет обратнопропорциональную зависимость со временем, в течение которого происходит уменьшение амплитуды в е раз.

Формула для расчета коэффициента затухания, (2.25) где - время релаксации.

Так как коэффициент затухания для данной марки стали точно неизвестен, воспользуемся данными, что при частоте следования импульсов 500Гц волны не перекрываются. Откуда следует, что 0,001 – максимальное значение времени релаксации..

Расчет будем производить в мм для случая, когда дефект находится на максимально возможной глубине. В этом случае затухание будет наибольшим I1 = 3. Для учета затухания расчетную формулу необходимо умножить на.

На наибольшей глубине ослабление составит:

для d = 0,3 мм – ;

для d = 1 мм – 0,047;

для d = 2 мм – 0,19;

для d = 3 мм – 0,43.

Данный расчет показывает, что при зондирующем импульсе, равном 160 единиц (подробно описано в 4 главе), дефект диаметром 0,3 мм в поперечном сечении будет фиксироваться принятым импульсом со значением амплитуды около единицы. Данный случай является частным - глубина залегания дефекта максимальна. Если же дефект находится ближе к поверхности, то амплитуда отраженного импульса будет возрастать. При рассмотрении дефекта, диаметр которого составляет 0,2 мм, на максимальной глубине амплитуда отраженного импульса составит 0,5, что находится на границе распознавания. Полученный результат полностью согласуется с экспериментальным значением минимального различимого дефекта. При значении d = 1 мм, размер отраженного импульса составит 7,52 единицы, дефект обнаружен. Все значения, большие нескольких единиц свободно фиксируются дефектоскопом.

Для дефекта 0,3 мм на максимальной глубине залегания может быть затруднено определение. Важно, что принятый импульс от такого дефекта имеет ненулевую амплитуду, что соответствует его наличию в материале кольца.

Экспериментально такой дефект можно дополнительно подтвердить установкой преобразователя с внутренней стороны кольца. При этом дефект окажется практически на поверхности и будет точно обнаружен.

Интерес представляет случай бесконечного цилиндра, диаметром d.

Дефект представлен схематично на рисунке 2.5. Геометрические размеры дефекта могут сильно различаться, и рассматривать дефект конкретной длины будет нецелесообразно с точки зрения его последующего обнаружения.

Рассмотрение именно дефекта известного диаметра и произвольной длины даст возможность производить оценку по площади поперечного сечения, которая приводится в диссертации.

Рис. 2.5. Вид дефекта в форме цилиндра в материале кольца подшипника Для точного расчета показателя А при данном виде дефекта необходимо рассчитать коэффициент затухания. Результат будет схож с предыдущим.

Формула для расчета коэффициента вида дефекта для модели с d :

–  –  –

При амплитуде зондирующего импульса, равной 160 единиц, принятый импульс составит:

для 5МГц – 25,6 единицы;

для 10МГц – 36,8 единицы.

То есть, достигнута уверенная фиксация для случая дефекта в форме цилиндра. Показано, что при увеличении частоты ПЭП возрастает амплитуда отраженного импульса. Это объясняет выбор ПЭП большей частоты.

Рассмотрим случай, когда дефектом является полоса, шириной l.

Рис. 2.6. Вид дефекта в форме полосы в материале кольца подшипника Произведем расчет коэффициента вида дефекта для модели с l (примем l аналогичным d для предыдущего случая). Расчет коэффициента вида

–  –  –

При подстановке в формулу значений, получим для d = 0,3 мм –. При амплитуде зондирующего импульса, равной 160 единиц, принятый импульс в данном случае составит 3,4 единицы.

Если рассматривать плоскость без дефектов, то для ближней зоны ослабление будет составлять значение из диапазона 1 0,8.

Рассмотрен случай нахождения дефекта в материале кольца подшипника.

Для того чтобы правильно рассчитать ослабление, когда размер дефекта соизмерим с глубиной залегания (подповерхностные дефекты), формула изменится следующим образом:

, (2.32) где r – расстояние до ближайшего к преобразователю края отражателя.

Рассмотрим дефект, который невозможно обнаружить с помощью применяемых магнитопорошкового и вихретовокого методов. Глубина залегания такого дефекта составляет 1 мм. Для дефекта диаметром 0,3 мм, расчет ослабления ведется по формуле 2.32.

(2.33) Откуда P’ = 0,9P0. То есть ослабление импульса составит 10%.

Следовательно, дефект 300 микрометров будет уверенно зафиксирован в подповерхностном слое кольца подшипника.

Исходя из произведенных расчетов, получим, что ослабление амплитуды отраженного импульса влияет на возможность обнаружения дефектов в материале кольца подшипника, если его диаметр не меньше 200 мкм. (Расчет полностью согласуется с проведенным в 3 главе экспериментом по вычислению минимального различимого дефекта и результатами независимых исследований). Все виды приведенных дефектов можно реализовать на практике для экспериментального подтверждения полученных результатов.

Для рассмотрения дефекта произвольной формы предлагается расчет значения площади поперечного сечения.

Как было рассчитано ранее:

мм2;

для d = 0,3 мм – s = для d = 1,3 мм – s = 1,33 мм2;

для d = 2 мм – s = 3,14 мм2;

для d = 3 мм – s = 7,07 мм2;

для d = 4 мм – s = 12,57 мм2.

Приведенная характеристика может являться унифицированным показателем и описывать любой дефект математической формулой вне зависимости от его формы.

Таким образом, было произведено методическое обоснование применимости УЗ метода контроля для колец подшипников, выполненных из стали марки ШХ4. Расчет доказал, что УЗ метод возможно использовать для поиска трещин и расслоений в материале за счет практически полного отражения волны от дефекта.

2.3. Обоснование применимости ультразвукового дефектоскопа УД2-12 для процесса автоматизации контроля колец Для проведения автоматизации процесса ультразвукового контроля с использованием конкретной модели дефектоскопа необходимо, во-первых, определить, являются ли характеристики дефектоскопа достаточными для обнаружения возможных дефектов, минимального различимого размера дефекта [34]. Во-вторых, определить основные операции, подлежащие автоматизации. Эхо-метод УЗД применим для процесса поиска дефектов в строении колец подшипников. Метод используется в УД2-12, в котором имеется источник и регистратор УЗ волн. Кратко опишем его принцип действия. Волны, возбужденные в источнике, встретив на пути распространения внутренний дефект, испытывают отражение от него и попадают на регистратор. Процесс схематично изображен на рисунке 2.7. В случае отсутствия дефектов или при поглощении дефектом волн в связи с пространственным расположением и структурой, регистратор не фиксирует дефекта в строении. В остальных случаях поступивший отражённый сигнал свидетельствует о наличии дефекта. Причем, по параметрам сигнала можно судить о геометрических размерах дефекта, глубине его залегания [126].

Рис. 2.7. Обнаружение внутреннего дефекта с помощью эхо-метода

В однородном материале траектория движения УЗ волн неизменна. В пункте 2.2 было показано, что отражение волн происходит из-за разницы в удельных акустических сопротивлениях на границе сред «материал-дефект».

Волна испытывает практически полное отражения за счет того, что включения в металле часто содержат воздух в своем составе.

В процессе своей работы УЗД генерирует, преобразует, принимает и измеряет амплитуду УЗ колебаний. Описанная последовательность действий выполняется в трех трактах дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

«Электроакустическим трактом называют участок схемы дефектоскопа, где происходит преобразование электрических колебаний в ультразвуковые и обратно. Электроакустический тракт дефектоскопа состоит из пьезопреобразователя, демпфера, тонких переходных слоев и электрических колебательных контуров генератора и приемника. В электроакустический тракт нормальных искателей, работающих в контактном варианте, также входят протектор и слой контактной жидкости. Электроакустический тракт определяет резонансную частоту ультразвуковых колебаний, длительность зондирующего импульса и коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую.

В электрический тракт дефектоскопа входят генератор зондирующих импульсов и усилитель. Он определяет амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от отражателя до приемника. Анализ акустического тракта сводится к расчету волновых полей излучателя, отражателя и приемника» [151]. В результате расчета тракта дается оценка зависимости ослабления амплитуды эхо-сигнала от геометрических и акустических параметров.

Наибольшее влияние на амплитуду сигнала оказывают следующие факторы.

Акустические свойства контролируемого материала, такие как скорость УЗ волн, затухание. Влияние факторов остается неизменным при проведении контроля.

Геометрические параметры изделия. К ним относятся: геометрические размеры изделия в зоне прозвучивания, кривизна, параметры шероховатости поверхности. В ходе проведения проверки геометрические параметры изделий могут меняться. В случае рассмотрения колец подшипников они сохраняются неизменными, вследствие чего, притирка преобразователя под требуемые геометрические размеры позволяет минимизировать влияние.

Свойства акустической задержки и ее геометрические параметры, влияющие на степень акустического согласования пары преобразовательизделие. Влияние факторов также остается неизменным при проведении контроля.

Электроакустические параметры преобразователя: длительность импульсов, частота колебаний, материалы переходных слоев и активных элементов. Перечисленные параметры могут изменяться в зависимости от настройки дефектоскопа и выбора ПЭП. Оптимальные значения параметров выбраны ранее во второй главе для поставленной задачи поиска дефектов и определения их основных характеристик в материале колец железнодорожных подшипников.

Геометрические размеры активного элемента и его ориентация.

Геометрические размеры дефекта, его ориентация, шероховатость, конфигурация.

Взаимное расположение излучателя, дефекта и приемника.

Траектория сканирования.

Влияние последних четырех групп факторов можно минимизировать за счет многократного повторения эксперимента.

2.3.1. Расчет акустического тракта дефектоскопа

Производится определение рабочей частоты дефектоскопа для выявления минимального фиксируемого значения дефекта [78, 126]. Известны формулы, применяемые при расчете акустического тракта и описанные в литературе [33, 38].

Требуемая лучевая разрешающая способность достигается, если два последовательно следующие импульса не налагаются друг на друга [76, 77].

Импульсы фиксируются раздельно при условии, что расстояние между одинаковыми дефектами вдоль луча r 2.

В случае применения импульсного эхо-метода, отношение интервала

–  –  –

следования двух последовательных импульсов, согласно техническим характеристикам излучателя УЗ, составляет 0.001 с, что на 2 порядка меньше рассчитанного времени пробега импульса. Откуда следует, что наложение двух импульсов друг на друга исключено. Соблюдена требуемая лучевая разрешающая способность.

Расчет значения верхней границы частоты в случае поиска дефектов на значительной глубине.

Расчет затухания акустических колебаний производится по формуле:

= a1f + a2f4, (2.35) где f – частота; a1, a2 – коэффициенты, рассчитываемые по формулам:

–  –  –

– среднее отклонение модуля сдвига. Для расчета затухания значение берется из диапазона Е/E / (0,10,5).

Микроструктура подшипниковой стали после заключительной стадии обработки имеет размер зерна 2 мкм.

Произведем расчет длины волны, где - скорость распространения продольной волны в материале, равная 5532 ;

–  –  –

Для уверенной фиксации дефекта необходимо, чтобы длина волны была больше размера зерна исследуемого материала. Данное условие выполняется, величина длины волны на 2 порядка больше размера зерна.

–  –  –

= 8.8310-33 (2.38) = 3.1910-31 (2.39)

–  –  –

2.3.2. Обоснование выбора ультразвукового преобразователя В подпункте 2.2 и 2.3.1 был произведен расчет параметров, которым должен удовлетворять пьезоэлектрический преобразователь. Произведем выбор из существующих преобразователей, которые используются при работе с дефектоскопом УД2-12 [58].

Волны ультразвуковой частоты в объекте могут быть возбуждены различными способами. Метод, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта, получил наибольшее распространение. Различают прямой и обратный пьезоэффект. В первом случае электризация кристаллов происходит под действием механических напряжений. Такие кристаллы называются пьезоэлектрическими. Во втором случае кристаллы деформируются в электрическом поле [72].

Метод реализуется по следующему алгоритму: преобразователь электрических колебаний в акустические излучает ультразвук за счет обратного пьезоэффекта. Отраженные сигналы попадают на пьезопластину и преобразуются в электрические, после чего регистрируются измерительными цепями. Под воздействием внешней силы происходит перераспределение электрических зарядов за счет изменения состояния кристаллической решетки [111]. Классификация ПЭП [45] приведена на рисунке 2.8.

–  –  –

границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току» [154].

Конструкция наклонных ПЭП определяет их основные акустические параметры: ширину диаграммы направленности, разрешающую способность, чувствительность. Преобразователи частотой 5 МГц и выше за счет большего затухания УЗК обладают меньшим уровнем собственных шумов, чем 1,8 или 2,5 МГц.

2.4. Классификация и оценка значимости погрешностей, возникших при контроле колец

Погрешности ПЭП складываются из:

погрешности, связанной с изменением параметров измерительной цепи;

температурной погрешности;

погрешности, возникающей из-за неправильной установки пластин;

погрешности, вызванной силами, действие которых направлено перпендикулярно измерительной оси преобразователя;

частотной погрешности.

Все погрешности можно разделить на 2 вида: статические и динамические. В свою очередь, каждый вид делится также на основные и дополнительные погрешности [66].

К основным погрешностям относятся:

Погрешность, появляющаяся вследствие изменения параметров (толщины) вязкой прослойки. Помехи в результатах измерений возникают в случае, когда нанесен достаточно толстый слой машинного масла.

Результатами такого нанесения могут быть показания дефектоскопа, аналогичные представленным на рисунке 2.9.

Таким образом, для проведения испытаний, направленных на выявление дефектов в строении кольца подшипника, необходимо следить за толщиной нанесенного слоя смазки. Данный вид погрешности минимизируется при ее правильном нанесении.

–  –  –

Погрешность, связанная с неплотным прилеганием преобразователя на исследуемом объекте [109]. Погрешность можно минимизировать нанесением смазки на образец. В эксперименте применяется машинное масло, обладающее достаточной вязкостью.

Погрешность, связанная с притиркой преобразователя под конкретный радиус кривизны [69] (если принято решение о притирке преобразователя).

Притирка необходима для обеспечения полного прилегания плоской контактной поверхности ПЭП к поверхности кольца, имеющей определенный внешний радиус. Радиус кривизны рабочей поверхности ПЭП должен быть на 5% больше номинального поверхности контролируемого объекта [128].

Погрешность может возникнуть в случае применения преобразователей типа П121 для дефектоскопа УД2-12. В процессе притирки главной проблемой является изменение угла ввода луча в исследуемый образец. Угол ввода возможно сохранить неизменным.

На рисунке 2.10 показаны два результата поиска дефекта: с использованием непритерного ПЭП, установленного вручную таким образом, чтобы угол ввода луча остался неизменным по сравнению с установкой на плоскую поверхность и ПЭП, имеющего выточку под радиус 80 мм. Во втором случае достигнуто полное прилегание к поверхности кольца подшипника.

Показания на экране дефектоскопа не изменились.

Рис. 2.10. Показания осциллографа на участке с дефектом, полученные с помощью непритертого ПЭП (а) и ПЭП с выточкой (б) В случае, когда притирку произвести невозможно, производится выточка корпуса для преобразователя (рисунок 2.11). Корпус подгоняется под конкретный радиус кривизны исследуемого кольца, угол при такой установке преобразователя на поверхность остается неизменным.

Рис. 2.11. Схематичное изображение преобразователя в корпусе где 1 – пьезоэлектрический преобразователь; 2 – дополнительный корпус; 3 – пьезопластина.

–  –  –

линию необходимого радиуса, перпендикулярную опорной поверхности пьезоэлемента [129]. Но в случае работы с образцами различных радиусов, этот вариант требует довольно больших вложений. Создание такого рода кожухов либо притирка преобразователя вручную снижает затраты и время для подготовки проверки. Погрешности, которые могут возникнуть в результате данных действий, при правильном выполнении работ сводятся к минимуму.

Рис. 2.12. Преобразователь, притертый под заданный радиус

Произведем оценку погрешностей измерений при автоматизированном методе поиска дефектов. Вопросы погрешности определения координат дефекта рассматриваются А.К. Гурвичем [25], размера дефектов – Д.Я.

Дымкиным [28]. Аналитическая методика, используемая для оценки погрешностей [1, 35], представляет собой строгую последовательность действий, которые направлены на определение значений исследуемого параметра. Надежность аналитической методики определяется исходя из значения относительной максимальной погрешности. В случае, если погрешность не превышает установленного значения, то предложенная методика считается надежной. Оценка погрешности методики производится по результатам параллельных измерений в рамках одного опыта.

Составляется таблица с приведенными в ней исходными данными – размером дефекта, значением координаты относительно начала отсчета и глубиной залегания. Примем следующие обозначения: Х – входной параметр; Y

– выходной параметр.

1) Расчет среднего значения выходного параметра:

(2.60), где m – число параллельных измерений;

– значение выходного параметра в измерении i.

Найдем значения для каждого из контролируемых параметров.

2) Выборочная дисперсия:

(2.61),

–  –  –

(2.66) Анормальные результаты отсутствуют, если выполняется условие (2.67) Средняя квадратичная погрешность среднего арифметического результата для всех серий экспериментов:

–  –  –

(2.73) Если при расчете коэффициент вариации не превышает 5%, параметр Y является стабильным. По описанной методике проводится расчет для всех колец подшипников серии. В результате обработки серии значений параметров:

размера дефекта, его координаты относительно выбранной точки начала отсчета, глубины залегания дефекта, полученных во время проведения эксперимента, произведен расчет среднего значения выходного параметра, выборочной дисперсии, средних квадратичных погрешностей единичного результата и серии, значения критерия Стьюдента, абсолютной и относительной максимальной погрешности опыта, установление доверительного интервала. Расчет этих показателей дает оценку применимости метода для автоматизации.

Исходя из проведенной статистической обработки серии подшипников, примеры результатов расчета которой приведены в приложении 1, при автоматическом определении дефектов в кольцах степень достоверности составляет до 96 процентов, без учета приборной погрешности. Таким образом, доказывается применимость предложенного метода для автоматического обнаружения дефектов. Реализация такой системы предложена в 4 главе.

К дополнительной относится погрешность, связанная с неправильной установкой преобразователя на исследуемый объект. Возникает в редких случаях.

2.5. Выводы

1. Разработано методическое обоснование для локализации дефектов колец подшипников ультразвуковым методом.

2. В результате физического обоснования применимости УЗ метода было показана возможность его применения для контроля колец подшипников колесной пары вагона. В частности, одним из результатов расчета является значение коэффициента отражения от границы раздела двух сред металлдефект, близкий к единице. При отражении не происходит ослабления амплитуды импульса за счет частичного прохождения.

3. Доказана возможность автоматизации метода. Произведен подбор оптимальных настроек дефектоскопа, обоснование выбора ПЭП.

4. Произведена классификация погрешностей, возникающих при контроле колец. Каждому типу погрешности дана оценка значимости.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ

ДЕФЕКТОВ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

Эксплуатационные характеристики подшипников зависят от деталей, входящих в их состав. В частности, при наличии дефекта во внешнем или внутреннем кольце, возможен выход из строя всего подшипника [10, 21]. Как было показано в главе 1, только ультразвуковой и виброакустический методы способны выявлять как поверхностные, так и внутренние дефекты в кольцах подшипников. Для исследования колец был выбран ультразвуковой метод [142], методическое обоснование которого приведено во второй главе. В данной главе приводится экспериментальное подтверждение возможности использования ультразвукового метода для обнаружения дефектов колец буксовых подшипников с применением различных дефектоскопов [127, 132].

На данный момент имеется широкий ассортимент ультразвуковых дефектоскопов. Рассматриваются две модели: УД2-12 [99, 130, 131] и УД3-103.

Проведенное сравнение позволяет уточнить применимость различных моделей дефектоскопов для рассматриваемых исследований. Показано, что каждый из них обладает характеристиками достаточными для работы по [117], обнаружению дефектов в кольцах подшипников.

3.1. Аппаратурное обеспечение измерений

Проверку возможности использования ультразвукового метода применительно к кольцам подшипников следует начать с настройки УД3-103 под конкретный материал. Подробное описание процедуры настройки для проведения ручной дефектоскопии представлено в приложении 2. УД3-103 – современный вариант ультразвукового дефектоскопа. Он обладает большим количеством настроек, по сравнению с УД2-12. Обе модели являются дефектоскопами общего назначения и предназначены, в том числе, для контроля состояния труб, сварных швов и других элементов и узлов.

Применение рассматриваемых дефектоскопов для поиска дефектов в кольцах подшипников ранее никем не описано.

Внешний вид дефектоскопа УД3-103 представлен на рисунке 3.1, пример снимка экрана – на рисунке 3.2.

Рис. 3.1. Внешний вид дефектоскопа УД3-103

Преимуществом УД3-103 является возможность вывода полученных экспериментальных данных на экран ПК в виде отчетов, содержащих снимок экрана в формате jpg и список выставленных настроек дефектоскопа. Это облегчает сбор данных с целью их последующего сохранения на ПК.

Сохранение происходит в ручном режиме. Пример такого отчета представлен в приложении 3. В графическом отображении результата дефектоскопии присутствуют области, изображенные на рисунке.

Рис. 3.2. Пример снимка экрана дефектоскопа УД3-103 с отмеченной на нем областью, в пределах которой происходит фиксация дефекта где 1 – область экрана дефектоскопа; 2 – рабочая зона. В ней фиксируются все дефекты, обнаруженные в результате проведения проверки. Рабочая зона формируется исходя из настроек, введенных на дефектоскопе; 3 – область вне рабочей зоны, в ней фиксируются все наводки и помехи По полученному снимку экрана нельзя однозначно судить о размере дефекта и глубине залегания без дополнительных расчетов. Формирование отчетов происходит в ручном режиме. Специалисту необходимо определить, является ли полученный результат на дисплее дефектом, только после этого произвести сохранение результата.

Внешний вид УД2-12 представлен на рисунке 3.3. При контроле кольца датчик дефектоскопа перемещается по дорожке качения кольца. При наличии дефекта, на экране дефектоскопа фиксируются отраженные от него импульсы [100].

Рис. 3.3. Общий вид дефектоскопа и панель настроек

Дефектоскоп УД2-12 является одной из самых доступных моделей на данный момент. При этом УД2-12 обладает недостаточной точностью настройки чувствительности. Подготовка данной модели к работе описана в приложении 2.

Рассмотрение следует начать с УД3-103, так как данная модель обладает более точной настройкой чувствительности, чем УД2-12. На основании полученных данных можно произвести сопоставление показаний дефектоскопов и получить зависимость изменения чувствительности УД2-12 и УД3-103.

3.2. Поиск дефектов колец подшипников известного размера

В соответствии с разработанным во второй главе методическим обоснованием, необходимо проведение обучающего эксперимента на кольцах подшипников с дефектами известного размера. Эксперимент – это совокупность действий, устанавливающих взаимосвязь между входными (воздействия, оказываемые на систему) и выходными (воздействия, оказываемые системой на окружающую среду) параметрами системы.

Основными этапами эксперимента являются:

выбор объекта исследования: кольцо подшипника качения колесной пары железнодорожного вагона;

установление параметров, значения которых определяются в ходе эксперимента: минимальный различимый дефект, рекомендуемое значение чувствительности;

выбор и оценка надежности аналитических методик для определения значений параметров. Проведение дисперсионного анализа с целью установления степени влияния выбранных факторов. Расчет представлен в приложении 1 и проведен для размера дефекта, координат и глубины залегания;

проведение основного эксперимента (описание представлено в пункте 3.2);

получение уравнения связи, которое наилучшим образом будет их описывать (уравнение получено в пункте 3.3 и является экспериментальноаналитической зависимостью);

установление значений входных параметров, при которых получается искомые значения выходных параметров. При автоматизации метода выбраны значения частоты цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), скорости вращения кольца, чувствительности дефектоскопа и ряд других параметров;

графическая интерпретация полученных результатов с целью более наглядного их представления: в ходе проведения экспериментов получены графики, отражающие зависимость амплитуды отраженного импульса от выставленного значения чувствительности, зависимость амплитуды импульса от увеличения чувствительности на 1 относительную единицу, произведено сопоставление графиков, построенных по экспериментальным и усредненным значениям. Результатом автоматизированного поиска дефектов в кольцах подшипников является построение графиков, на которых отображаются размеры и координаты дефектов.

В ходе экспериментов проведены измерения, основанные на определении наличия и характеристик дефектов при сохранении идентичных условий.

3.2.1. Фиксация дефектов известного размера дефектоскопом УД3-103

Для экспериментального подтверждения возможности обнаружения дефектов ультразвуковыми дефектоскопами УД2-12 и УД3-103 были рассмотрены кольца подшипников с дефектами в виде отверстий заданного диаметра, равного 4; 3; 2; 1,3 и 0,3 мм.

Для большей достоверности опыта проводится серия экспериментов. В данном случае проведена серия из 20 измерений. Такой подход сводит к минимуму вероятность ошибки. Примеры снимков экрана с результатами измерений при различных значениях чувствительности представлены на рисунках 3.4, 3.6, 3.8. Полученные снимки экрана позволяют произвести косвенную оценку размера дефекта в зависимости от полученной амплитуды отраженного импульса. По результатам поиска дефектов построены графики, на которых отображены все значения амплитуд, зафиксированных в ходе эксперимента. Такие графики представлены на рисунках 3.5, 3.7 и 3.9.

–  –  –

Снимки экрана, полученные в результате исследования дефекта, размер которого составляет 2 мм, представлены выше на рисунке 3.4.

Амплитуда отраженного импульса, мм

–  –  –

Рис. 3.5. График зависимости амплитуды отраженного импульса от выставленного значения чувствительности для серии экспериментов (дефект 2 мм) Дефект, размер которого составляет 1,3 мм.

–  –  –

48 33 38 60 40 77 - - 36 72 Таким образом, полученные графики позволяют дать оценку изменению амплитуды импульсов, фиксируемых на дисплее дефектоскопа, при увеличении или уменьшении чувствительности во время сканирования дефекта известного размера. Данных результатов достаточно для построения градуировочной таблицы [103], по которой производится настройка чувствительности ультразвукового дефектоскопа [127].

3.2.2. Анализ экспериментальных данных, полученных с помощью дефектоскопа УД3-103 Основными характеристиками любого фиксируемого дефекта являются его размер, положение и глубина залегания. При ручном сканировании колец подшипников определение размера произвольного дефекта возможно путем сравнения амплитуд отраженного импульса, полученного в случае обнаружения выявленного дефекта и импульса, полученного в случае фиксации дефекта известного размера. Оценка размера дефектов, в некоторых случаях, возможна и по таблице 3.4.

Координаты дефекта соответствуют положению пьезоэлектрического преобразователя, а глубина залегания рассчитывается исходя из известных значений угла ввода луча в исследуемую поверхность, времени, прошедшего между отправкой зондирующего импульса и получением отраженного, а также скорости распространения ультразвуковой волны в исследуемом материале (характеристик материала).

Для анализа полученных результатов была составлена таблица 3.4.

Построим по ее значениям графики, характеризующие зависимость амплитуды импульса от выставленного масштаба чувствительности.

На рисунке 3.10 представлены графики для дефектов, размер которых составляет 0,3 мм, 1,3 мм и 2 мм.

–  –  –

На графике, полученном при исследовании дефекта размером 0,3 мм, видна практически прямопропорциональная зависимость. При значении чувствительности менее 38 единиц дефектоскоп не фиксирует имеющийся дефект. Таким образом, для выявления дефекта, размер которого составляет 0,3 мм, выбранного значения чувствительности недостаточно. Чувствительность дефектоскопа УД3-103 находится в пределах от 0 до 80 Дб, выставляется в настройках от 1 до 60 единиц. Откуда следует, что 1 относительная единица равна 1,33 Дб. Для удобства изменение чувствительности будем записывать в относительных единицах. Изменение чувствительности с 38 до 40 единиц позволяет увеличить амплитуду принятого импульса. Рост амплитуды составляет 1-2 мм при увеличении чувствительности на единицу. В эксперименте чувствительность дефектоскопа изменялась от 38 до 48 единиц. В промежутке 10 единиц произошло увеличение амплитуды с 20 до 33 мм. Таким образом, на каждую единицу чувствительности приходится рост амплитуды мм/ед.

График, построенный по результатам исследования дефекта размером 1,3 мм, имеет практически прямопропорциональную зависимость. При выставленном значении чувствительности меньше 28 единиц, на экране дефектоскопа перестает фиксироваться импульс, указывающий на наличие дефекта. Следовательно, для выявления дефекта размером 1,3 мм такой чувствительности недостаточно. Изменение чувствительности с 28 до30 единиц практически не внесло никаких изменений в графическом отображении дефекта на экране дефектоскопа. Заметен лишь незначительный рост амплитуды импульса. Это объясняется малыми значениями чувствительности, выставленной на дефектоскопе и размерами дефекта. Что является недостаточным для уверенной фиксации, которая начинается со значения чувствительности в 30 единиц. После этого значения амплитуда импульса растет, в среднем, на 5 мм при увеличении чувствительности на единицу.

График, построенный по результатам исследования дефекта размером 2 мм, также практически сохраняет свою прямолинейность. Для лучшего определения значений амплитуды при различной чувствительности предложено проведение усреднения результатов. В эксперименте чувствительность дефектоскопа изменялась от 30 до 40 единиц. В промежутке 10 единиц произошло увеличение амплитуды с 22 до 77 мм. Таким образом, на каждую

–  –  –

Рисунок 3.11.

Зависимость амплитуды импульса от выставленного значения чувствительности при исследовании дефекта размером 3 мм и 4 мм На графике, построенном по данным, полученным при исследовании дефекта размером 3 мм (рисунок 3.11), фиксируется непрямолинейность, но, в общем, характер роста сохраняется. Причем, при одинаковых значениях чувствительности, для данного дефекта амплитуда импульса больше, чем амплитуда при таком же значении чувствительности для дефекта меньшего размера. Это означает, что на показания ультразвукового дефектоскопа оказывает влияние изменение дефекта на 1 мм, а также, на десятые доли миллиметра (возрастание амплитуды наблюдалось и в случае исследования дефектов размером 1,3 и 2 мм). Для дефекта размером 3 мм получен разброс по чувствительности от 30 до 38 единиц, по амплитуде – от 25 до 71 мм.

Следовательно, на каждую единицу чувствительности приходится увеличение амплитуды, равное мм/ед.

При анализе дефекта, размер которого составляет 4 мм (рисунок 3.12) и выставленном значении чувствительности 30 единиц (как и в предыдущих случаях) на дисплее зафиксирован импульс 37 мм. Для получения большего диапазона рассматриваемых результатов, следует начать исследование с меньшего значения чувствительности, например, с 26 единиц.После снятия показаний дефектоскопа при дальнейшем увеличении чувствительности, получен график, поведение которого описывается аналогично предыдущим

–  –  –

усреднение показаний не повлияет на дальнейшую оценку дефектов именно по усредненной шкале.

График, построенный по экспериментальным значениям, относящийся к дефекту размером 2 мм и график, построенный по усредненным значениям, имеют расхождение 4 мм при чувствительности в 36 единиц. Данное расхождение является максимальным и уменьшается, как при движении в сторону уменьшения чувствительности, так и в сторону ее увеличения. Начиная с чувствительности 38 единиц, расхождение минимально.

Аналогичное поведение графиков зафиксировано и для дефекта размером 3 мм. График, построенный по экспериментальным значениям, имеет максимальное расхождение 6 мм с графиком, построенный по усредненным значениям, при значении чувствительности, равном 34. При этом на других значениях чувствительности наблюдается уменьшение этого разрыва. Участки графиков при значениях чувствительности, начиная с 36, практически совпадают. Для предыдущих двух случаев будем считать, что погрешности, вводимые усреднением показаний, незначительно повлияют на оценку размера дефекта.

График, построенный по экспериментальным значениям, относящийся к дефекту размером 4 мм, как и в первых двух случаях, практически совпадает с графиком, построенным по усредненным значениям. Таким образом, усреднение показаний не повлияет на дальнейшую оценку дефектов по усредненной шкале.

Визуальная оценка графиков показала, что работу по определению дефектов можно вести и по усредненным результатам. Для анализа возможных дефектов, составлена таблица усредненных значений амплитуд импульсов при выбранной чувствительности. Таблица расширена исходя из полученных зависимостей, характеризующих рост амплитуды импульса. Максимальное значение чувствительности принято равным 60 единиц и соответствует наибольшему значению, которое можно выставить на дефектоскопе.

Таблица 3.6, содержащая все возможные усредненные значения при выбранном значении чувствительности для рассматриваемого дефекта, представлена ниже.

Она представляет градуировочную таблицу для УД3-103.

–  –  –

Градуировочная таблица позволяет по данным, полученным при обработке результатов, снятых с дефектоскопа УД3-103, делать выводы о размерах дефекта для выставленного масштаба чувствительности и полученной при этом амплитуде импульса, а также производить настройку необходимого значения чувствительности [102].

3.2.3. Настройка чувствительности дефектоскопа УД2-12

Проведем согласование результатов, полученных дефектоскопами УД2и УД3-103. Воспользуемся ПЭП, аналогичным по характеристикам преобразователю в эксперименте с УД3-103. Разница в ПЭП заключается только в их геометрических размерах. Выставим чувствительность дефектоскопа УД2-12 так, чтобы на осциллографе был зафиксирован импульс амплитудой 65 мм. Результат показан на рисунке 3.14.

а б Рис. 3.14. Импульсы на осциллографе УД2-12 со значением амплитуды 65 мм (а) и 30 мм (б) Этот импульс соответствует аналогичному по амплитуде при выставленном значении чувствительности дефектоскопа УД3-103, равном 38 единиц. Поворачивая рукоятку регулировки чувствительности в сторону ее уменьшения и отсчитывая угол поворота, получим на дисплее импульс амплитудой 30 мм. Данное значение амплитуды импульса соответствует значению чувствительности дефектоскопа УД3-103, равному 32 единицы. При этом рукоятка дефектоскопа УД2-12 была повернута на угол 30о. Рукоятка дефектоскопа имеет 12 делений. Это означает, что 1 деление составляет 360 о / 12 = 30о. Так что данный замер угла поворота можно произвести с достаточной степенью точности. Изменение чувствительности дефектоскопа УД3-103 при этом составило 38-32 = 6 единиц.

Таким образом, уменьшение или увеличение чувствительности дефектоскопа УД3-103 на единицу соответствует повороту рукоятки на 30о / 6 = 5о.

Для подтверждения зависимости между настройкой выбранных дефектоскопов проведем дополнительный эксперимент. Воспользуемся полученной в пункте 3.2.2 градуировочной таблицей для определения выставленного значения чувствительности.

При сканировании отверстия, размером 2 мм, на осциллографе получим импульс 51 мм (рисунок 3.15). Этот импульс соответствует значению чувствительности, равному 36 единиц.

Рис. 3.15. Импульс на осциллографе УД2-12 со значением амплитуды 51 мм Проверим, какие результаты получатся при исследовании остальных отверстий. Для дефекта размером 1,3 мм наблюдается импульс амплитудой 50 мм, для дефекта размером 3 мм – импульс, амплитуда которого составляет 59 мм и для дефекта размером 4 мм – импульс, амплитуда которого составляет 72 мм. Результаты представлены на рисунке 3.16.

а б в Рис. 3.16. Импульсы на осциллографе УД2-12, со значением амплитуды 50 мм (а) и 59 мм (б) и 72 мм (в), соответственно дефекту, размером 1,3 мм, 3 мм и 4 мм Полученные результаты означают, что выставленную чувствительность на УД2-12 можно считать аналогичной чувствительности УД3-103, равной 36 единиц. Уменьшим чувствительность, повернув рукоятку на угол 30 о. Из расчетов, произведенных выше, новое значение чувствительности дефектоскопа УД2-12 должно соответствовать значению чувствительности УД3-103, равному 36 ед – 30о / 5о 1 ед = 30 ед.

Повторно проведем поиск всех дефектов. Результаты проверки изображены на рисунке 3.17, откуда следует, что значения амплитуд импульсов изменились и действительно соответствуют данным, полученным с дефектоскопа УД3-103.

–  –  –

Следовательно, проведено согласование результатов работы дефектоскопов УД2-12 и УД3-103. Для первоначальной настройки дефектоскопа УД2-12 на необходимое значение чувствительности может быть использован заранее подготовленный образец с известными величинами дефектов. Существуют стандартные образцы СО-1, СО-2, СО-3, СОЗ-Р.

Рекомендуется использовать стандартный образец из исследуемого материала.

Далее по градуировочной таблице, согласно полученной амплитуде импульса на осциллографе, идет определение выставленного значения чувствительности.

Его последующая корректировка возможна, исходя из полученных зависимостей (одному делению на рукоятке дефектоскопа УД2-12 соответствует изменение чувствительности УД3-103, равное 6 относительных единиц). Таким образом, полученные данные по сопоставлению показаний дефектоскопов позволят применять повсеместно используемую модель дефектоскопа – УД2-12.

3.2.4. Исследование колец с дефектами известных размеров дефектоскопом УД2-12

–  –  –

Для упрощения оценки полученных данных выберем шаг чувствительности, соответствующий повороту рукоятки регулировки на угол 10о. Это соответствует изменению чувствительности УД3-103, равному 2 единицы. Дальнейшее описание значений выставленной чувствительности будем производить именно в относительных единицах, как в случае с УД3-103.

Исследование начнем с кольца, имеющего дефект размером 4 мм. Продолжим эксперимент, уменьшая размер выявляемого дефекта. В приложении 4 представлены примеры полученных результатов для дефектов, размер которых равен 4 и 3 мм. Как и в случае с дефектоскопом УД3-103 для большей точности эксперимент повторяется 20 раз. Результаты сведены в таблицу 3.7.

Примеры результатов исследования дефекта, размер которого составляет 2 мм, представлены на рисунках 3.18 и 3.19.

–  –  –

Данные, полученные в ходе проведенного эксперимента, практически полностью согласуются с полученными результатами для УД3-103.

Положительным аспектом использования УД2-12 является его доступность. К минусам можно отнести незначительно меньшую чувствительность дефектоскопа, но эта разница не влияет на обнаружение дефектов малых размеров, рассматриваемых в эксперименте (до 300 микрометров).

–  –  –

По полученным графикам производится визуальная оценка соответствия экспериментальных значений данным градуировочной таблицы. Таблица перенесена в базу данных программы и используется для определения размера дефекта по уже имеющимся значениям.

Каждое значение из таблицы описывается математической зависимостью:

, (3.1) где – амплитуда импульса при значении чувствительности n единиц;

b – коэффициент, учитывающий увеличение импульса при увеличении чувствительности на единицу. Этот коэффициент для каждого размера дефекта различен и составляет для 0,3 мм значение 0,13, для 1,3 мм - 0,5, для 2 мм – 0,55, для 3 мм – 0,575, для 4 мм – 0,58;

n – значение чувствительности.

В результате проведения анализа полученных данных о росте амплитуды импульса от размера дефекта можно заметить, что чем больше размер дефекта, тем больший рост амплитуды наблюдается при увеличении чувствительности на единицу. Так средний рост амплитуды для полученных ранее искусственных дефектов изображен графически в соответствии с рисунком 3.23.

0,7 0,6 Увеличение амплитуды,

–  –  –

Рис. 3.23. Зависимость амплитуды импульса от увеличения чувствительности на 1 относительную единицу На графике видно, что при увеличении размера дефекта рост амплитуды постепенно уменьшается. Дефект, размером 5 мм будет отображаться на экране дефектоскопа импульсом практически такой же амплитуды, что и 4 мм. Но дефект размером 4 мм уже является существенным. Рассмотрение дефектов больших геометрических размеров не проводилось.

График зависимости изменения амплитуды импульса от размера дефекта построен по пяти парам усредненных значений серий экспериментов. По оси

–  –  –

, (3.4), (3.5), (3.6)

–  –  –

Пересечение с осью абсцисс происходит в точке с координатой 0,2. Это означает, что, начиная с дефекта, размер которого составляет 0,2 мм, перестанет происходить увеличение амплитуды импульса на дисплее дефектоскопа. Следовательно, чувствительности дефектоскопа и параметров пьезоэлектрического преобразователя достаточно, чтобы зафиксировать все дефекты, геометрические размеры которых превышают эту величину.

Значение минимальной чувствительности дефектоскопа подтверждается независимыми испытаниями НПФ «Ультракон-Сервис». Минимальный выявляемый дефект, который был зафиксирован дефектоскопом УД2-70 – царапина глубиной 0,2 мм [155].

Для расчета размера произвольного дефекта преобразуем формулу [15, 59].

При изменении амплитуды принятого импульса, вызванном увеличением или уменьшением чувствительности дефектоскопа на относительную единицу, производится расчет площади поперечного сечения дефекта.

Площадь поперечного сечения дефекта S в форме цилиндра:

. (3.8)

–  –  –

(3.14).

Рассмотрим решение уравнения (3.13) в общем виде. Произведем замену.

Тогда:

(3.15)

–  –  –

. (3.16) Введем обозначения, (3.17)

–  –  –

(3.22).

Следовательно, уравнение (3.19) запишется в виде:

. (3.23) Умножим уравнение на В итоге получим квадратное уравнение относительно (3.24)

Решение уравнения (3.24) имеет вид:

(3.25) Следовательно (3.26),

Откуда уравнение (3.19) имеет 2 решения:

(3.27)

После подстановки, решения запишутся в виде:

(3.28), (3.29).

Покажем, что решения (3.28) и (3.29) совпадают. Действительно, (3.30) С другой стороны, (3.31)

–  –  –

Для решения уравнения (3.19) получим формулу (3.33) Выведенная формула носит название формулы Кардано [59].

Рассмотрим приведенное решение уравнения применительно к полученному уравнению третьей степени для определения площади поперечного сечения дефекта.

(3.34)

–  –  –

(3.39) (3.40). (3.41)

–  –  –

3.4. Контроль трещин в кольцах подшипников ультразвуковым методом

Процесс ручного поиска дефектов можно разбить на составляющие:

1) непосредственно поиск дефектов. Поиск дефектов заключается в выборе шага, пути следования преобразователя и скорости сканирования, проходе всей поверхности кольца и зрительном анализе результатов на дисплее дефектоскопа.

2) оценка результатов контроля: определение местоположения дефектов и их размеров по данным результатов. Используя подготовленную шкалу для оценки размера дефекта, производится заключение о пригодности либо разбраковке кольца.

Необходимым условием начала контроля является проведение подготовки изделия - обработки поверхности. Сама поверхность дорожки качения кольца подшипника имеет шероховатость Ra = 0,2 мкм, но, для лучшего прилегания преобразователя, на поверхность подшипника наносится машинное масло. Оно заполнит все зазоры между контактной поверхностью и поверхностью подшипника.

На каждом кольце проставлен его порядковый номер. При анализе кольца подшипника результаты записываются с обязательным указанием чувствительности дефектоскопа, которая выставлена в ходе эксперимента, начальной точкой для отсчета координат, вставкой снимка экрана дефектоскопа с наблюдающимся импульсом, составлением карты полученного дефекта (указанием координаты). Анализ таких карт позволит вести статистику обнаруженных дефектов с целью выявления наиболее часто встречающихся положений в структуре кольца.

3.4.1. Исследование колец подшипников с помощью дефектоскопа УД3-103

Настроим дефектоскоп УД3-103 аналогичным образом, как в случае с эталонными дефектами. Для анализа кольца подшипника выберем тот же преобразователь П121-10-40-002, который применялся ранее. Для того чтобы получить определенную статистику по фиксации реальных дефектов в кольцах подшипников, произведем эксперимент на серии колец в условиях ремонтного участка.

–  –  –

Произведем дополнительную независимую проверку для выбранных колец с помощью специалистов лаборатории неразрушающего контроля. Поиск дефектов в остальных кольцах подшипников серии аналогичен представленным в качестве примера. Для визуализации расположения дефектов изобразим карту поверхности кольца (рисунок 3.26) с отметками в местах их фиксации. Начало отсчета выбирается произвольно и впоследствии сохраняется неизменным при всех проводимых экспериментах на этом кольце.

–  –  –

Шестое кольцо не содержит дефектов в своем строении. На дисплее не было зафиксировано импульсов.

Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что кольца подшипников имеют дефекты преимущественно в середине поверхности. В частности, при проходе по центральной части кольца выявлено 6 неоднородностей, в левой части – 2, в правой части – 1. Это может быть связано с основными нагрузками в центре кольца подшипника. Глубину залегания дефекта в процессе ручного поиска дефектов определить затруднительно.

Расчет глубины будет произведен при автоматизации метода.

3.4.2. Исследование колец подшипников с помощью дефектоскопа УД2-12 Поиск дефектов дефектоскопом УД2-12 аналогичен описанному в пункте 3.2.4. ПЭП, в данном случае, возможно притереть под радиус кривизны кольца.

–  –  –

В случае притирки ПЭП не будет возникать помех и, как следствие, значимых погрешностей. Вариант установки преобразователя в корпус также приемлем. Обработка поверхности кольца, в случае использования УД2-12, ничем не отличается от прошлого эксперимента. В результате, в кольцах обнаружены дефекты, о чем свидетельствуют показания дефектоскопа, представленные на рисунках 3.27 и 3.28.

–  –  –

При исследовании шестого кольца импульсов на экране осциллографа зафиксировано не было. Как видно из рисунков 3.27 и 3.28, дефекты колец идентичны полученным с использованием УД3-103.

–  –  –

1. Проведенные эксперименты по обнаружению дефектов в материале с использованием ультразвукового метода показали полное согласование полученных результатов с теорией. Ультразвуковой метод применим для обнаружения дефектов.

2. При проведении обучающего эксперимента исследованы эталонные дефекты известного размера. В дальнейшем, полученные результаты в виде градуировочной таблицы применимы для настройки чувствительности дефектоскопа.

3. Получена экспериментально-аналитическая зависимость, позволяющая вычислить размер дефекта произвольной формы по изменению амплитуды принятого импульса при изменении чувствительности на единицу.

Минимальный фиксируемый размер дефекта, который способен уловить ультразвуковой дефектоскоп УД2-12, составляет 200 микрометров.

4. Полученных результатов исследования серии колец подшипников достаточно для проведения автоматизации метода.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

КОНТРОЛЯ ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФЕКТОВ КОЛЕЦ

ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА

Обнаружение дефектов, как на поверхности, так и во внутреннем слое,производится с применением средств магнитопорошковой и вихретоковой дефектоскопии. Как было показано в предыдущих главах, ультразвуковой метод применим для поиска трещин в кольцах подшипников. В частности, разработана методика, позволяющая выявить дефект, определить его положение, размер, глубину залегания. Данные, приведенные в пункте

3.4третьей главы, согласовываются с независимыми исследованиями [155] и заключением (приложение 5), полученным в лаборатории неразрушающего контроля ООО «БМУС».

На данный момент, поиск дефектов в кольцах подшипников, в условиях железнодорожного ремонтного депо, производится вручную. Этот факт значительно замедляет работу на ремонтном участке. Существует необходимость разработки автоматизированного метода оперативной оценки, результатом которого станет заключение о состоянии кольца, возможности его перешлифовки для дальнейшей селективной сборки и установки на ось колесной пары. Автоматизация ультразвукового метода позволит упростить задачу поиска дефектов, а также снизить процент ошибок, связанных с человеческим фактором.

4.1. Автоматизация процесса выявления дефектов в кольцах подшипников с применением персонального компьютера Компьютерная система для получения характеристик основных блоков может быть представлена в виде функциональной схемы, изображенной на рисунке 4.1. Определим ее основные функциональные звенья и характеристики.

В качестве источника энергии для возбуждения ультразвуковых колебаний используют электронные генераторы. Получаемые в них электрические

–  –  –

ПК Рис.4.1.Функциональная схема формирования и обработки информации где Г – генератор импульсов, ПЭ(В) – пьезоэлектрический преобразователь (возбудитель сигнала), ОИ – объект исследования, ПЭ(Пр) – пьезоэлектрический преобразователь (приемник сигнала), АЦП – аналогоцифровой преобразователь, Синхр – синхронизатор, ПК – персональный компьютер Подключим гнездо для снятия видеосигнала с выхода приемного устройства к входу операционного усилителя, а его выход соединим с микрофонным входом персонального компьютера. Для записи сигнала будем использовать специализированное программное обеспечение Audacity.

Включим УД2-12 в сеть, в процессе записи получим сигнал, звуковая волна которого изображена на рисунке 4.2.

Рис.4.2. Звуковая волна сигнала, полученного с выхода генератора дефектоскопа УД2-12 Таким образом, зондирующий импульс имеет период повторения 0,002 с, соответственно, частоту 500 Гц. Амплитуда импульса составляет 0,35 В.

Импульс имеет колоколообразную форму. Скважность равна 2%.Зная характеристики импульса, его можно получить программно и выполнить замену генератора импульсов ПК. Такой эксперимент описан в приложении 6.

Вторым вариантом автоматизации процесса поиска дефектов в кольцах подшипников является применение в составе проектируемой системы дефектоскопа УД2-12 в качестве генератора и приемника импульсов.

Показания, снятые с дефектоскопа, обрабатываются с использованием разработанного программного обеспечения, алгоритм [106] работы которого представлен на рисунке 4.3. На рисунке показаны основные операции по обработке данных, некоторые из которых выделены в отдельные подпрограммы (на алгоритме отмечены жирным шрифтом). В результате такой обработки на экран ПК выводится отчет о проверке, по которому можно однозначно определить, бракуется кольцо или нет. Данный вариант предпочтительнее, так как в первом случае при усилении сигнала происходит, в том числе, и увеличение амплитуды помех, что негативным образом сказывается на процессе выявления дефектов в исследуемом материале.

Программа поиска дефектов работает по следующему алгоритму. На первом этапе происходит загрузка полученных данных с АЦП в массив.

Данные представляют собой последовательность координат y графика, построенного на экране осциллографа, записанную через равные промежутки времени. Время записи двух последующих импульсов выставляется программно и ограничено только рабочей частотой АЦП. В данном случае, частота равна 500кГц, откуда следует, что в секунду может быть записано не более 500000 координат y. Период времени T, прошедший между записью двух значений y составит 2мкс.

В полученном массиве присутствует много лишней информации, замедляющей его обработку. За время, прошедшее между двумя зондирующими импульсами, фиксируется отраженный импульс. Все остальное координатное пространство заполняется значениями координаты y, равными 0.

–  –  –

Нулевые значения составляют до 95% от всех результатов. Если требуется проведение оперативного контроля кольца на наличие дефекта, то возможно удаление лишних данных. Для чего производится выборка из массива положительных значений координаты y.

Ордината зондирующего импульса составляет 160 единиц. При этом на графике и в массиве она находится в промежутке от 155 до 160 единиц. Это объясняется недостаточной частотой опроса для постоянной фиксации ординаты именно в точке 160 единиц. При этом координата y отраженного импульса даже на дефектах больших размеров (до 4 мм в диаметре) не превышает 100 единиц. Для определения номеров позиций массива, на которых фиксируются зондирующие импульсы, проведем дополнительную выборку значений, больших 150 единиц. Это значение выбрано с запасом для гарантированного исключения ошибки при выборке. Следующим шагом станет определение номера позиции элемента массива, в котором хранится запись числа, большего 150. Причем, если имеется несколько, подряд идущих значений номеров позиций, то имеет смысл произвести поиск позиции, в которой хранится максимальное значение ординаты путем сравнения их между собой. Эта позиция будет содержать максимальное значение зондирующего импульса. Определение позиции максимума зондирующего импульса необходимо для последующего поиска отраженного импульса.

Отраженный импульс может находиться в пределах следующих N позиций относительно определенной позиции зондирующего импульса. Число N зависит от толщины исследуемого образца и скорости распространения продольной волны в образце. В программу уже занесено значение скорости распространения волны в стали марки ШХ4. Для исключения ошибки фиксации отраженного импульса в этом случае необходимо рассмотреть вариант, когда этот импульс испытывает многократное отражение. То есть, зондирующий импульс отражается вначале от внутренней поверхности кольца, затем от дефекта. Далее идет повторное отражение от внутренней поверхности и только потом прием отраженного импульса. Таким образом, выбор числа N будем производить исходя из этого варианта. В единичных случаях возможно и большее количество отражений, но при движении преобразователя по поверхности кольца этот дефект однозначно будет зафиксирован другим зондирующим импульсом, так как в одну секунду в поверхность изделия направляется 500 импульсов. Эмпирически было получено, что для точного определения дефектов в исследуемом кольце подшипника достаточно, чтобы полный оборот оно совершало за период времени 25 секунд. Более быстрое вращение кольца, в редких случаях, не позволило зафиксировать дефект.

Уменьшать скорость вращения также не имеет смысла, так как это прямым образом влияет на время, которое необходимо затратить на исследование кольца на наличие дефектов. За период времени 25 секунд в кольцо направляется импульсов. Так как длина поверхности кольца составляет 500 мм, откуда следует, что импульс входит в кольцо через каждые 40 микрометров. Таким образом, произведен выбор шага сканирования [93].

Для автоматизации процесса выявления дефектов возможно применение шагового двигателя или электродвигателя малой мощности с редуктором для понижения количества оборотов в минуту. Одной из основных характеристик, стоящих при выборе двигателя, является равномерность его вращения. Это позволит в любой момент времени определить точное положение кольца подшипника относительно выбранной начальной точки. При задании определенного времени полного оборота кольца и выбрав точку отсчета, по графику можно определить, в какой момент времени был обнаружен дефект (на графике фиксируется увеличение амплитуды). Исходя из этих данных, производится вычисление расстояния, пройденного датчиком от точки отсчета до фиксации дефекта. Как следствие, указывается координата обнаруженного дефекта непосредственно на кольце.

Поиск локальных максимумов проводится в промежутке позиций со значениями, начиная от номера позиции n+2 зондирующего импульса. Это производится для избегания фиксации самого импульса. Заканчивая номером позиции, равным номеруnзондирующего импульса с прибавленным к нему числом N. Все значения локальных максимумов заносятся в новый массив.

Следующим шагом происходит изменение чувствительности дефектоскопа на единицу и описанный процесс повторяется. По разности значений ординат, занесенных в массив, подставленных в полученную формулу для определения площади поперечного сечения дефекта,однозначно фиксируется наличие дефекта.

На рисунке 4.4 изображены алгоритмы подпрограмм, разработанных для получения координат [24] дефекта, выявленного в процессе сканирования и времени, прошедшего с начала поиска.

–  –  –

Дефект может иметь произвольную длину и расположение в материале кольца. В зависимости от расположения дефекта в пространстве возможно уточнение его размеров. Уточнение может быть выполнено в случае протяженного дефекта. Для дефекта протяженностью порядка 40 мкм уточнение не производится.

При перемещении ПЭП по поверхности кольца подшипника (рисунок 4.5) производится отправка зондирующего импульса в материал 500 раз в секунду.

То есть, зная скорость вращения кольца, можно определить перемещение ПЭП за промежуток времени между двумя соседними импульсами. Для протяженного дефекта производится его фиксация несколькими импульсами, о чем свидетельствуют значения амплитуд принятых импульсов, записанные в соседние ячейки числового массива.

Рис. 4.5. Перемещение ПЭП по поверхности контролируемого изделия где h1 и h2 – значения глубины залегания обнаруженного дефекта первым и вторым зондирующим импульсом соответственно Если дефект имеет протяженность, достаточную для его фиксации двумя подряд идущими зондирующими импульсами, то по изменению значения глубины залегания, рассчитываемой для каждого случая фиксации дефекта, определяется его распространение в материале. Только зная глубину, можно однозначно указать, является ли это кольцо ремонтопригодным или бракуется.

Алгоритм подпрограммы, определяющей глубину залегания дефекта, приведен на рисунке 4.6.

–  –  –

Рис.4.6. Алгоритм подпрограммы для определения глубины залегания дефекта Для определения глубины дефекта используются значения параметров, полученные во второй главе. В частности, зная скорость распространения ультразвуковой волны внутри кольца подшипника, угол ввода луча в исследуемый материал и время, прошедшее с момента отправки зондирующего импульса до момента принятия отраженного импульса можно вычислить глубину залегания дефекта.

За период времени T зондирующий импульс, пущенный в исследуемый материал, дойдет до дефекта и отразится от него. Впоследствии будет принят ПЭП, о чем свидетельствует импульс, появившийся на осциллографе. Таким образом, это время, за которое УЗ волна пройдет двойное расстояние 2S.

–  –  –

Чтобы определить глубину залегания [22] дефекта h, найдем синус угла, дающего с углом входа луча в материал 90 градусов (рисунок 4.7).

, (4.1)

–  –  –

Исходя из рассчитанного значения глубины залегания дефекта, можно определить погрешность определения координаты [25]. Погрешность в определении координаты, связанная с, отличным от прямого, углом ввода луча в исследуемую деталь, схематично изображенным на рисунке 4.8.

Рис. 4.8.

Определение погрешности расчета координаты При этом, сдвиг координаты зависит от глубины залегания дефекта и рассчитывается, исходя из формулы:

–  –  –

Рис. 4.9. Расположение дефекта параллельно поверхности исследуемого тела где a, b – размеры малой и большой полуосей Малая полуось равна диаметру поперечного сечения идеального дефекта в форме цилиндра.

Большая полуось выразится через диаметр следующим образом:

(4.8).

Рис. 4.10. Расположение дефекта параллельно поверхности исследуемого тела с обозначенным поперечным сечением где a – размер большой полуоси, d – диаметр поперечного сечения

–  –  –

Рассмотрим второй случай взаимного расположения поверхности, по которой происходит перемещение ПЭП и протяженного дефекта.

Зондирующий импульс входит в исследуемый материал под углом, вычисляемым исходя из значений h1 и h2.

Существует 2 варианта расположения дефекта:

при h1 h2 (рисунок 4.11).

–  –  –

Рис. 4.14. Установка автоматизированного поиска дефектов Установка состоит из ультразвукового дефектоскопа (используется модель УД2-12) 1, АЦП (используется модель ЛА2-USB) 2, персонального компьютера или ноутбука 3, пьезоэлектрического преобразователя (используется П121-10-40-002) 4, шагового двигателя 5 и установленной серии колец подшипников 6. Функциональная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4.15 ТГ

–  –  –

МС АЦП ПК Рис. 4.15. Функциональная схема экспериментальной установки где ТГ – тахогенератор; ШД – шаговый двигатель; ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь; УД – ультразвуковой дефектоскоп; МС – модуль синхронизации; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ПК – персональный компьютер На первом этапе производится установка серии подшипников на вал, соединенный с шаговым двигателем. После фиксации подшипников происходит запуск установки автоматизированного поиска дефектов. ПЭП установлен на первом кольце. Шаговый двигатель производит 2 оборота кольца с одновременной записью показаний дефектоскопом от ПЭП. Аналоговый сигнал с УД2-12 снимается с помощью АЦП, преобразуется в числовой массив и поступает для обработки на ПК. Разработанное программное обеспечение, интерфейс которого представлен на рисунке 4.16, по полученным данным производит поиск возможных дефектов. Если дефект обнаружен, то рассчитывается его размер, координаты и глубина залегания. Результаты выводятся на экран ПК. Одновременно с этим производится сдвиг ПЭП на расстояние, равное его ширине и алгоритм повторяется. После проверки серии колец специалистом, на основании полученных данных, выполняется разбраковка и смена серий.

–  –  –

Наибольший интерес представляет график на экране вывода результата поиска дефектов. В пункте 4.2.2 приводятся примеры результатов контроля в виде графиков. Если на графике в отчете не зафиксировано никакого импульса, то кольцо считается бездефектным. На рисунке 4.17 показаны графики с зафиксированными дефектами. На приведенных графиках размер дефекта получен в микрометрах.

а б Рис. 4.17. Пример выполнения подпрограммы с выбранной размерностью оси абсцисс в миллиметрах (а), секундах (б) В программе имеется возможность построения графиков, на которых дефект показывается в точном соответствии с моментом его обнаружения. По оси абсцисс таких графиков возможен отсчет значения либо по выбранной нулевой координате (рисунок 4.17,а), либо по времени, прошедшему до момента фиксации дефекта, в зависимости от начального положения кольца (рисунок 4.17,б). В первом случае измерение будет производиться в миллиметрах, во втором – в секундах. По оси ординат откладываются значения в микрометрах или миллиметрах.

После определения координаты дефекта важно произвести расчет глубины его залегания в материале кольца. Для протяженных дефектов определить его расположение, длину, выполнить корректировку площади поперечного сечения. Такие характеристики дефекта выводятся в числовом виде рядом с графиком на рисунке 4.16 б.

4.2. Результаты локализации дефектов

Проведем апробацию метода на дефектах известных размеров, исследованных ранее, сравним полученные данные. Установим ПЭП на дефект, размер которого составляет 0,3 мм и произведем его запись. Результат сохранится на ПК в виде массива чисел в формате txt. В файле записаны значения координаты y графика, полученного на экране осциллографа.

Значения фиксируются через равные промежутки времени. Такой точности достаточно для получения полного соответствия между графиками на экране осциллографа и на мониторе ПК. Запись массива на компьютере происходит с помощью специализированного программного обеспечения LABView.

LABView является средой разработки и платформой для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G».

Интерфейс программы для записи данных с АЦП представлен на рисунке

4.19.Построим график (рисунок 4.18) по значениям, сохраненным в массиве.

Рис.4.18. График, построенный по значениям массива данных, записанных на ПК

–  –  –

В случае выборки значений, больших нуля, получим график, представленный на рисунке 4.20. Для удобства отображения графика были удалены значения, равные нулю. Расстояние между сериями импульсов сократилось.

–  –  –

Опишем, что означает каждый импульс в серии (3 подряд идущих импульса). Первый импульс отвечает за отображение рабочей области на экране осциллографа. Второй импульс – зондирующий. Он имеет амплитуду 160 единиц и посылается в исследуемый материал с частотой 500 раз в секунду.

Третий импульс показывает наличие или отсутствие дефекта в исследуемом объекте. Чем больше его амплитуда, тем большие геометрические размеры имеет данный дефект. Этот импульс, по сути, формируется за счет отражения второго импульса от дефекта. Исходя из графика, зная координаты x переднего фронта второго импульса и заднего фронта третьего импульса в серии, можно определить время, за которое импульс дошел до дефекта от передатчика и вернулся к приемнику сигнала. По значению времени можно рассчитать глубину залегания дефекта, воспользовавшись формулами, описанными ранее в 4 главе. Рассмотрим случай эталонного дефекта, находящегося на известной глубине. Сравним значения, полученные в результате ручного расчета и результат автоматизированного определения глубины залегания дефекта. Глубина залегания эталонного дефекта в материале составляет 6 мм. Время, прошедшее с момента отправки зондирующего импульса до принятия отраженного импульса равно 23 мкс.

Откуда, согласно формулам 4,3 или 4,4, следует:

(4.18).

н где T = 23 мкс (4.19).

н Погрешность при расчете глубины залегания по формуле составит 3,3 %.

Глубина залегания дефекта в случае автоматизированного поиска совпадает с рассчитанной, так как в программе для оценки глубины используются те же математические зависимости.

Далее обработка полученного массива происходит в программном продукте Алгоритм работы программы MATLab [2, 65, 74, 81].

обработкирассмотрен в пункте 4.1. Таким образом, по изменению амплитуды колебаний на графике можно судить о размере дефекта и выдать заключение о возможности восстановления кольца подшипника.

4.2.1.Результаты поиска дефектов известного размера

Для проверки работоспособности написанной программы необходимо произвести ее тестирование на образцах с искусственно созданными эталонными дефектами, использованными в 3 главе. Запись показаний производится только в момент прохождения пьезоэлектрического преобразователя по дефектному участку. Для каждого конкретного значения дефекта эксперимент многократно повторен. В итоге получены серии результатов для последующей обработки.

Для дефекта размером 0,3 мм произведено 25 записей данных. В результате получены графики, пример которых изображен на рисунке 4.21. По оси абсцисс отложены значения в относительных единицах. Так как дефект выражен в долях миллиметра, по оси ординат значение дефекта отложено в микрометрах. Программа автоматически определяет величину дефекта и если он превышает 1 мм, то значения также откладываются в миллиметрах.

Рис. 4.21. Пример графика, полученного в результате исследования дефекта размером 0,3 мм Усредним максимумы, фиксируемые на графиках. В результате серии экспериментов, было получено значение 0,2992 мм. Таким образом, будем считать, что дефект, размер которого равен 0,3 мм, зафиксирован с большой степенью точности. Худший результат в ходе эксперимента составил 0,25 мм.

Такое значение было зафиксировано однократно. В основном, разброс значений составил порядка 10 мкм.Проведем аналогичные эксперименты по исследованию дефектов, размер которых составляет 1,3 и 2 мм. Количество повторов экспериментов аналогично первому случаю. Примеры полученных графиков изображены на рисунке.

–  –  –

Все параметры графиков также совпадают с ранее описанными. В результате усреднения результатов, фиксируемый максимум составитдля дефекта размером 1,3 мм значение 1,298 мм, для дефекта размером 2 мм значение 1,991 мм. Разброс значений составил порядка 10 микрометров (рисунок 4.22). Большого разброса, как в предыдущем случае, не наблюдалось.

Эксперименты по обнаружению дефектов, размер которых составляет 3 и 4 мм аналогичны предыдущим.В результате серии экспериментов, было получено значение 2,991 мм. Таким образом, будем считать, что дефект 3 мм также точно различим. Для дефекта размером 4 мм в результате серии экспериментов было получено значение 3,993 мм. При этом на бездефектном участке фиксируются импульсы амплитудой до единицы. Для сравнения, дефект размером 1,3 мм до перевода обозначается импульсом амплитудой более 40 единиц.

4.2.2. Результаты автоматизированной локализации реальных дефектов в кольцах подшипников Проведем анализсерии из 51 кольца (рисунок 4.23) подшипников с целью выявления дефектов в их строении. Для этого произведем автоматический поиск дефектов в каждом кольце[104, 107].

Рис. 4.23. Ремонтный участок с кольцами подшипников Эксперимент по обнаружению следует повторить многократно. Это позволит, во-первых, подтвердить, что дефект действительно присутствует в кольце, во-вторых, точно оценить его размеры. После проведения статистической обработки, подробно описанной в приложении 1, можно говорить о степени достоверности полученных результатов в случае проведения однократного поиска дефектов. Сравним данные между собой для оценки возможных погрешностей. Как было показано ранее, алгоритм исследования кольца подшипника [108] заключается в последовательном прохождении по его поверхности ПЭПсо сдвигом на ширину рабочей зоны (16 мм). Прохождение одной полосы и запись результатов занимает 50 секунд (2 прохода по 25 секунд). Обработка массива данных, полученного после прохождения преобразователя по первой полосе, возможна с записью массива результатов, полученных со второй полосы и так далее. В среднем, промежутка времени 50 секунд достаточно для обработки массива данных. Обработка одновременно двух массивов невозможна. Таким образом, время, которое необходимо затратить на поиск дефектов в одном кольце, составит 300 секунд.

Результатом такой обработки являются графики и значения, по которым можно судить о наличии дефекта в строении кольца, его местоположении, геометрических размерах и глубине залегания. Возможно оценить, подлежит ли кольцо восстановлению.

Для исследуемой серии подшипников получены графики, примеры которых приведены на рисунках 4.24 – 4.32, по оси y которых откладывается размер дефекта, измеряемый в микрометрах. По оси x – расстояние от начальной точки в миллиметрах (а) или время, прошедшее с начала поиска в секундах (б). Решение о том, какая размерность будет откладываться по оси x, принимается пользователем. Она может быть изменена в окне программы.

–  –  –

В данном случае был обнаружен дефект, размер которого составляет 324,6 мкм. Он находится на расстоянии 290,6 мм от выбранной начальной точки.

Эта координата x соответствует временному интервалу 14,53 секунды.

–  –  –

Был обнаружен дефект, размер которого составляет 301,3 мкм. Он находится на расстоянии 452,9 мм от выбранной начальной точки. Эта координата x соответствует временному интервалу 22,65 секунды. В остальных случаях дефектов обнаружено не было. При этом выводится график, изображенный на рисунке 4.26.

–  –  –

Был обнаружен дефект, размер которого составляет 295,2 мкм. Он находится на расстоянии 222,4 мм от выбранной начальной точки. Эта координата x соответствует временному интервалу 11,12 секунды. Во время остальных проходов ПЭП по поверхности кольца, дефектов в его строении не обнаружено.

–  –  –



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«Естественно-математические и технические науки Ригель из бетона марки 300 испытывался как балка на двух опорах пролетом 5,64 м. Нагрузка прикладывалась в двух сечениях, расположенных в четвертях пролета. Разрушение наступило при...»

«Прибор приемно-контрольный охранно-пожарный "А16-512" Руководство по эксплуатации. Часть I РЮИВ 170300.000 РЭ Техническое описание и инструкция по эксплуатации Редакция 1.6 Минск 2006 СОДЕРЖАНИЕ 1 НАЗНАЧЕ...»

«Математические структуры и моделирование УДК 532.517:519.632 2016. № 1(37). С. 50–58 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА КРАСКИ В ЗОНЕ ПЕЧАТНОГО КОНТАКТА С УЧЁТОМ ДЕФОРМАЦИИ Л.Г. Варепо1 д.т.н., профессор, e-mail: larisavarepo@yandex.ru А.В. Паничкин2 к.ф.-м.н., с.н.с., e-ma...»

«ЕРЕМЕЕВА ЮЛИЯ НИКОЛАЕВНА Исследования по повышению эффективности очистки производственных сточных вод ТОО "Казцинк" 05.23.04 – Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«Ан Александр Федорович ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЕТЕНТНОСТНО ОРИЕНТИРОВАННОГО КУРСА ФИЗИКИ В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ Специальность 13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (физика) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора педагогическ...»

«1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ,...»

«Руководство по эксплуатации Avidius Black Box Многоканальный аудиовидеорегистратор модели STC-H655.4 и STC-H655.8 Руководство по эксплуатации СОДЕРЖАНИЕ Модели STC-H655.4 и STC-H655.8 Руководство по эксплуатации ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ИЗДЕЛИЯ. 31 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ Об...»

«КОНТРОЛЬНО-КАССОВАЯ МАШИНА "ПОРТ MP-55B ФКZ" ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ ОБСЛУЖИВАНИЮ И РЕМОНТУ СОДЕРЖАНИЕ Указание мер безопасности 1. Правила ухода за ККМ 2. Подготовка к ремонтным работам 3. Устройство и работа ККМ 4. Состав ККМ 4.1. Принцип работы отдельных...»

«Годовой отчет СРО НП "Центр развития строительства" СРО НП "ЦРС" СЕГОДНЯ Возникновение саморегулируемых организаций (СРО) было обусловлено тем, что лицензирование строительной деятельности привело к многочисленным нарушениям регламентов и нор...»

«Регулятор температуры РТМ-02 ”СТРУМЕНЬ” Исполнение регулятора для управления системами отопления Паспорт СТРЭ.407372.102 ПС Действительно с версией 1.7 Минск 2005 Содержание 1. НАЗНАЧЕНИЕ 3 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 4 3. КОМПЛЕКТНОСТЬ ПОСТАВКИ 4 4...»

«ООО "Каскад-ФТО" АППАРАТ ДЛЯ ТЕРАПИИ ДИАДИНАМИЧЕСКИМИ ТОКАМИ И ГАЛЬВАНИЗАЦИИ "ТОНУС-1М" Паспорт Руководство по эксплуатации Москва Паспорт. Руководство по эксплуатации Содержание стр. Назн...»

«Вышнепольский Владимир Игоревич Методические основы подготовки и проведения олимпиад по графическим дисциплинам в высшей школе Специальность 13.00.02 теория и методика обучения общетехническим дисциплинам и трудовому обучению АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени...»

«РУКОВОДСТВO ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Системы информационно правового обеспечения ЛIГА:ЗАКОН БУХГАЛТЕР ЛIГАБізнесІнформ ВЕРСИЯ 7.7 ИНФОРМАЦИИ ДЕЛОВОЙ СЕТЬ УКРАИНСКАЯ ® КИЕВ 2004 РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ: Системы информационно правового обеспечения ЛIГА:ЗАКОН. К.: И...»

«УДК 332.1 ВЕСТНИК ТИСБИ TISBI BULLETIN НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНВЕСТИЦИЙ В ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ЗДАНИЙ SOME ASPECTS OF ASSESSING THE EFFECTIVENESS OF INVESTMENTS INTO ENERGY CONSERVATION OF PREMISES КВОН Г.М., канд. экон. наук, д...»

«Инженерный вестник Дона, №4 (2015) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2015/3473     К вопросу гигиенической оценки содержания хлорорганических соединений в питьевой воде В.Ю. Вишневецкий, В.С. Ледяева Южный федеральный университет, Институт нанотехнологий...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ СССР АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ХАРЬКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ АН УССР ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ЧАСТЬ 3 МОСКВА— 19S3 ОРГКОМИТЕТ Зеленский В. Ф. — председатель оргко...»

«Коржов Антон Вениаминович КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ С БУМАЖНОЙ ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Специальность 05....»

«УДК 796.071.2:796.8 АНАЛИЗ ПРОЯВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ДЕЙСТВИЙ В СОРЕВНОВАТЕЛЬНЫХ ПОЕДИНКАХ ВЫСОКОКВАЛИФИЦИРОВАННЫХ СПОРТСМЕНОВ В РУКОПАШНОМ БОЮ Гареева Айгуль Сабитовна, кандидат педагогических наук, доцент Хасанов Азат Хамитьянович, аспирант, Бащкирский институт физической культуры (филиал) Уральского государственного...»

«SM-CG335-01 SM-CG335-01 РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРИММЕР/КУСТОРЕЗ T334FS RU РУССКИЙ Содержание СОДЕРЖАНИЕ Технические данные Введение Предупреждающие символы Правила безопасности Техника безопасности Описание Сборка Подготовка к работе Топливо и моторные масла Работа Обслуживание и уход Устранение неисправностей Т...»

«Описание протокола обмена тепловычислителя ТВ7 с системой верхнего уровня ЗАО "ТЕРМОТРОНИК" 193318, Россия, Санкт-Петербург, ул. Ворошилова, д.2 Телефон, факс: +7 (812) 326-10-50 Сайт ЗАО "ТЕРМОТРОНИК": www.termo...»

«Универсальная платформа доступа FlexGain FlexGain 4XE FlexGain Plex ГИБКИЙ КРОСС-КОММУТАТОР И КОМПАКТНЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СЕРИИ Версия 0.1 Код документа: FG-4XE_Plex-All FlexGain 4XE Краткое описание серии FlexGain Plex © Научно-технически...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.