автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Обоснование метода контроля натяга бандажей локомотивных колес с использованием явления акустоупругости

005059916

На правах рукописи

Волкова Людмила Владимировна

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА КОНТРОЛЯ НАТЯГА БАНДАЖЕЙ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛЕС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯВЛЕНИЯ АКУСТОУПРУГОСТИ

Специальность:

05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ йИЗ

Ижевск-2013

005059916

Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» (ИжГТУ имени М.Т. Калашникова)

Научный руководитель:

Муравьев Виталий Васильевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Щенятский Алексей Валерьевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Мехатронные системы» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Смирнов Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)

Защита состоится 24 мая 2013 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики УрО РАН.

Автореферат разослан 18.04.2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Тарасов Валерий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Бандаж является наиболее изнашиваемой частью локомотивного колеса. Разрушения бандажа не допустимы, так как создают угрозу безопасности движения. Основными причинами выхода из строя бандажей локомотивов являются: ослабление посадки, равномерный и неравномерный прокат, выщербины на поверхности катания и трещины, износ гребня. Одной из причин ослабления посадки и образования трещин бандажа являются недостаточный или чрезмерный натяг.

В процессе производства локомотивный бандаж подвергается операциям обработки давлением, резания и термической обработки (закалки с отпуском). Термическая обработка бандажа приводит к формированию сложного напряженно-деформированного состояния бандажа. Последующая механическая обработка фрезерованием и напрессовка на колесный центр тепловым способом приводит к возникновению дополнительных растягивающих напряжений, усложняющих общее напряженно-деформированное состояние бандажа.

Неясен вопрос о перераспределении напряжений после воздействия упрочняющих технологий на поверхность катания бандажа. Кроме того, в процессе эксплуатации действие статических и циклических внешних нагрузок вносит изменение в распределение напряженного состояния и плотности посадки бандажа. Высокий уровень остаточных напряжений облегчает при наличии концентраторов появление и развитие усталостных трещин.

На сегодняшний момент отсутствуют методики неразрушающего контроля остаточных напряжений и натяга бандажа. Поэтому для гарантии безопасной работы колес локомотива требуется не только его дефектоскопия, но и контроль внутренних напряжений, позволяющий предупредить появление дефектов на ранней стадии. Использование акустического метода на основе явления акустоупругости позволяет оценивать напряженное состояние в объеме материала.

Степень разработанности темы: Основные положения теории акустоупругости и описание ультразвукового метода определения напряжений, варианты реализации эффекта акустоупругости, основанного на использовании объемных волн излагаются в работах исследователей из HAH Украины под руководством Гузя А.Н. Важные для теории акустоупругости исследования свойств материалов на базе нелинейной теории упругости, зависимости скоростей распространения поперечных и продольных волн от напряжений в металлах и пластмассах, экспериментальное определение упругой и текстурной анизотропии проводились сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством Буденкова Г.А., Бобренко В.М. В научной школе ИжГТУ Буденковым Г.А. разработана методика контроля гидропрессовых соединений на основе акустического эхо-импульсного метода. Использование различных волн для измерения остаточных напряжений в кольцах подшипников, трубопроводах, вблизи стыковых сварных соединений, описание методик и принципов действия приборов для контроля остаточных напряжений рассматриваются в работах научных школ СГУПСа, ИжГТУ под руководством Муравьева В.В., ИФПМ СО РАН под руководством Зуева Л.Б., НФ ИМАШ РАН под руководством Никитиной Н.Е., теоретической проработке методов акустической тензометрии для контроля технических

объектов посвящены работы ученых R.W. Benson, V.J. Realson, P. Mason, E. Shnider и др.

Рассмотренные результаты теоретических и экспериментальных исследований по акустоупругости, а также исследование напряженно-деформированного состояния в деталях производственных объектов и опыт промышленного использования ультразвука для этих целей позволили разработать основы методологии акустической тензометрии. Однако для применения метода акустоупругости отсутствуют методики контроля на реальных инженерных объектах, при определении напряжений возникают проблемы, связанные с влиянием внешних факторов.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту №2.1.2/12069; Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 г.г. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ мероприятия 2 «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности»; ГТ-2-12 в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».

Целью работы является обоснование метода неразрушающего контроля натяга и остаточных напряжений термоупрочненных бандажей локомотивных колес с использованием явления акустоупругости и электромагнитно-акустического преобразователя.

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:

1. Моделирование и расчет напряжений в бандажах локомотивных колес после термического упрочнения и после натяга.

2. Экспериментальные исследования остаточных напряжений по толщине и по окружности бандажей до посадки на колесные центры.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению напряженного состояния при посадке бандажей на колесные центры, при электроконтактном упрочнении поверхности катания.

4. Исследование мешающих факторов, влияющих на результаты контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей.

5. Разработка ультразвуковой методики контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей локомотивных колес.

Объект исследований. Информативные параметры акустических волн при исследовании напряженно-деформированного состояния бандажей локомотивных колес.

Предмет исследований. Распределение остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после натяга, после упрочнения поверхности катания.

Методология и методы исследования. В работе представлены материалы, полученные на основе ультразвукового поляризационно-временного метода. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием специачизированного оборудования,. Исследования проводились в соответствии с требованиями нормативной документации по изготовлению, ремонту и эксплуатации бандажей локомотивных колес. Результаты экспериментов,

представленных в диссертации, были проведены в лабораторных и цеховых условиях.

Достоверность и обоснованность обеспечивается использованием подходов теории акустоупругости, механики сплошных сред, теории акустики, большим объемом экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей и результатами моделирования. Научная новизна

1. Впервые теоретически и экспериментально обосновано применение метода акустоупругости для контроля натяга бандажей локомотивных колес, реализованного с использованием электромагнитно-акустического преобразователя, по величине распределения остаточных напряжений по толщине бандажа, рассчитываемых по разности скоростей поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией.

2. Разработаны модели формирования остаточных напряжений бандажей локомотивных колес после термического упрочения и натяга на основе метода конечных элементов.

3. Впервые обоснован и подтвержден экспериментально ультразвуковой метод оценки остаточных напряжений по толщине бандажа и по его окружности, после термического упрочнения бандажа и электроконтактного упрочения поверхности катания колес, и при формировании колес в цеховых условиях и на стадии эксплуатации.

4. Показано, что влияние внешних факторов (температуры, магнитных полей, текстуры проката и анизотропной структуры материала) на погрешность контроля остаточных напряжений учитывается предварительными измерениями разности времен прихода импульсов в бандаже, свободном от напряжений до посадки на колесный центр.

Теоретическая и практическая значимость

1. Выработан подход к контролю натяга и остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес с использованием явления акустоупругости, основанный на разности времен пробега поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией, распространяющихся по одному лучу в направлении толщины бандажа.

2. Рассчитана теоретически и подтверждена экспериментально неравномерность остаточных напряжений по толщине бандажа и по окружности колеса.

3. Методика контроля остаточных напряжений и натяга бандажей на центрах локомотивных колес испытана в локомотивных депо Киевская, Агрыз, Зуевка, на заводе «Уральские локомотивы» г. Верхняя Пышма, используется в учебном процессе подготовки студентов ИжГТУ по направлению 200100, при выполнении курсового и дипломного проектирования, а также в научно-исследовательской работе.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты численного моделирования формирования остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес после натяга и термического упрочнения.

2. Результаты теоретической и экспериментальной оценки неравномерности распределения остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес по толщине и по окружности с применением явления акустоупругости.

3. Результаты оценки натяга бандажей локомотивных колес по уровню остаточных напряжений, заключающиеся в измерении разности скоростей

поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией с учетом коэффициента акустоупругости. '..'■.

4. Результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после их упрочнения методом электроконтактной наварки.

5. Методика оценки натяга бандажей локомотивных колес по найденным критериям с учетом остаточных напряжений и факторов, влияющих на чувствительность и погрешность измерений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: IX выставке-сессии инновационных проектов (г. Ижевск, 15-16 апреля 2010 г.); VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение (г. Екатеринбург, 2010 г.); Научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики (г. Улан-Удэ, 19-22 июля 2010 г.); Выставке-сессии инновационных проектов второго Республиканского инновационного форума (г. Ижевск, 23 - 24 ноября

2010 г.); VI Всероссийской научно-технической конференции научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые -ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15-18 марта

2011 г.); Республиканской выставке-сессии инновационных проектов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14 — 19 апреля 2011 г.); XXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля» (г. Екатеринбург, 16 - 18 мая 2011 г.); XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 6-8 сентября 2011 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15 - 17 ноября 2011 г.); II Всеросс. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14 - 16 мая 2012 г.); Международная конференция «Электрон-фононные и спиновые воздействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах» (г. Туапсе, 10-17 сентября 2012 г.); VIII Всероссийской научно-технической, конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (г. Ижевск, 14-16 ноября

2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получен один патент на полезную модель.

Личный вклад автора. Результаты численных и экспериментальных исследований, модели и методики, представленные в диссертации, получены автором лично, с использованием экспериментальной установки разработанной на кафедре «Приборы и методы контроля качества». Выбор приоритетов, направлений и методов исследований и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнено при активном участии научного руководителя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 138 наименований, 2 приложений. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены технология изготовления бандажей локомотивных колес и его конструктивные особенности. Проведен анализ дефектов, встречающихся в бандаже локомотивного колеса и причины их появления. Рассмотрены способы оценки прочности посадки соединений с натягом. Описана схема формирования распределения остаточных напряжений в сечении бандажа после изготовления, методы оценки остаточных напряжений. Из анализа технологии формирования локомотивного колеса, методов оценки плотности посадки и напряженно-деформированного состояния был сделано предположение о возможности контроля натяга бандажей локомотивных колес с использованием метода акустоупругости.

На основе анализа литературных источников был сделан вывод о перспективности использования этого метода, в связи с возможностью возбуждения многообразия типов ультразвуковых волн (продольных, сдвиговых, поверхностных и т.д.). Применение ЭМА метода возбуждения-приема ультразвуковых волн позволяет: в существенной мере отстроиться от качества акустического контакта, реализовать метод многократных отражений, позволяющий существенно повысить точность измерений; использовать в качестве дополнительного информативного параметра для оценки остаточных напряжений амплитуды электромагнитно-акустического преобразования.

На основании анализа объекта и предмета исследований сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе описывается методическое и аппаратное обеспечение для оценки напряженно-деформированного состояния. Для реализации метода акустоупругости использовался разработанный на кафедре «Приборы и методы контроля качества» опытный образец структуроскопа для определения времени пробега импульсов ультразвуковых волн на основе ЭМА метода контроля.

В основу работы информационно-измерительной системы положен способ регистрации серии отраженных акустических импульсов с последующей обработкой с помощью специализированного программного обеспечения, которое позволяет с необходимой точностью определять разность времен прихода двух поперечных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, наблюдаемых на экране монитора одновременно в виде эхограмм многократных переотражений.

Применение в разработанной установке в качестве регистратора платы АЦП с частотой дискретизации 500 МГц позволяет обеспечить инструментальную погрешность измерения времени распространения волны 5 не.

Для решения поставленных задач разработан электромагнитно-акустический преобразователь, техническим результатом которого явилось повышение его чувствительности, увеличение числа отражений и повышение точности

определения времени распространения ультразвуковых волн в контролируемом объекте для оценки скорости волн, а также получение информации о задержках отраженных импульсов упругих волн с различной поляризацией.

Рисунок 1 - Электромагнитно-акустический преобразователь а) общий вид электромагнитно-акустического преобразователя; б) топография магнитного поля в системе «преобразователь-контролируемое изделие»

Электромагнитно-акустический преобразователь (рисунок 1), содержит:

- концентраторы (1), выполненные из ферромагнитного материала; а параллельные стороны индуктивной катушки расположены у соответствующих торцов;

- постоянный магнит (2) с параллельной рабочей поверхности намагниченностью расположен между концентраторами со стороны рабочей поверхности,

- постоянные магниты (3) с перпендикулярной рабочей поверхности намагниченностью, расположенные в торцах концентраторов со стороны, противоположной рабочей поверхности, и полюсами со стороны одноименных полюсов постоянного магнита с параллельной намагниченностью;

- Перемычки (4), соединяющей вторые торцы постоянных магнитов с перпендикулярной намагниченностью;

- индуктивную катушку (5), выполненную плоской с не менее чем двумя параллельными сторонами, расположенную у концентраторов.

Данная конструкция позволяет увеличить нормальную составляющую магнитной индукции до 2,7 Тл в объекте контроля, что позволяет повысить чувствительность электромагнитно-акустического преобразователя.

О наличии напряженного состояния в изделии судят по количественному отклонению разности времен прихода двух волн под действием напряжения. Сдвиговые волны, поляризованные в плоскости максимальных растягивающих напряжений, имеют меньшее время, задержки нежели волны, поляризованные в радиальной плоскости. Для расчета остаточных напряжений используется соотношение:

а = О(а-а0) = Оа-Оа^ (1)

* _ *

(2)

к ¿01 ~

(3)

где Оа - фактор акустической анизотропии материала, обусловленный вкладом напряженного состояния, текстуры проката и структуры после термической

обработки; £>а0 - фактор, учитывающий вклад текстуры и структуры; г, и /г -значения измеряемых временных задержек сдвиговых волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях соответственно; <01 и ¡02 - значения временных задержек сдвиговых волн в отсутствии напряженного состояния; Э — акустоупругий коэффициент рассчитан через постоянную Ламе и постоянную третьего порядка Мурнагана для исследуемой углеродистой стали Э = -120 ГПа.

В основу методики оценки временных интервалов положен алгоритм измерения временных точек на эхограмме многократно отраженных импульсов объемных (сдвиговых) волн. Экспериментально показано, что измерение временной точки по нулевому уровню после первого максимума обеспечивает наименьшую случайную погрешность порядка 7 не.

На результаты измерений существенное влияние могут оказывать различного рода помехи. Факторы, влияющие на погрешность контроля, можно разделить на три категории:

- внешние воздействия (тепловые, магнитные, электрические);

- физико-механические свойства материала объекта контроля;

- условия проведения контроля (геометрия детали, переходный слой, шероховатость поверхности и др.).

Так как термоакустический коэффициент имеет отрицательный знак, то с увеличением температуры скорости распространения объемных волн уменьшаются. Однако сдвиговые волны, используемые для расчета напряженного состояния, распространяющиеся на одном участке, имеют одинаковую температурную зависимость.

а б в

Рисунок 2 - Места установки ЭМА преобразователя: а) с распространением волн по ширине, б) по толщине бандажа; в) по окружности бандажа

Поверхность

Для оценки напряжений в бандажах колес ЭМА преобразователь перемещают по внутренней боковой поверхности от 10 до 55 мм от поверхности катания, не менее чем в четырех сечениях, как показано на рисунке 2.

В исследованиях измеряется время распространения двух сдвиговых ультразвуковых волн, распространяющихся нормально к внутренней боковой поверхности бандажа.

Для контроля оценки натяга, необходимо проводить измерения с внутренней боковой поверхности бандажа, от центральной части до места посадки бандажа на колесный центр - на расстоянии (40-60) мм от поверхности катания.

Предложенные методики оценки остаточных напряжений в бандажах и степени натяга бандажей разработаны исходя из особенностей аппаратуры и нормативной документации контроля остаточных напряжений.

В третьей главе проведен численный и аналитический расчет остаточных напряжений в бандажах после термической обработки и после напрессовки бандажа.

Для моделирования напряжений в ободе колеса в процессе охлаждения был проанализирован тепловой фронт охлаждения бандажа после закалки. В центральной зоне охлаждение бандажа происходит медленнее, чем на поверхности катания и места посадки. Неравномерное охлаждение бандажа по толщине приводит к созданию структур троостита-мартенсита вблизи поверхности катания и места посадки, а в центральной зоне структур сорбита-перлита.

Измерения твердости по сечению бандажа с использованием портативного твердомера ТДМ-З показали разницу в значениях твердости до НВ 80.

Различная структура стали имеет разный удельный объем, по этой причине в ободе возникают структурные напряжения. Учитывая различные значения удельного объема структур, проведено разделение бандажа на зоны по структурным состояниям. Каждой зоне присвоено относительное изменение объема в связи со структурно-фазовыми превращениями. Результатом моделирования в программе А^Ув является распределение напряжений в ободе колеса (рисунок 3).

Рисунок 3 - Распределение напряжений в бандаже после охлаждения

По результатам моделирования получены сжимающие напряжения на поверхности бандажа, достигающие 140 МПа. Растягивающие напряжения в центре бандажа составляют величину 150 МПа. Граница перехода сжимающих напряжений в растягивающие находится на глубине от 20 до 30 мм от поверхности катания бандажа.

После операции термической обработки бандаж подвергается механической обработке (фрезерованию), а затем напрессовывается на колесный центр тепловым способом, что приводит к возникновению дополнительных растягивающих напряжений, усложняющих общее напряженно-деформированное состояние бандажа. Натяг согласно ЦТ 329 осуществляют с помощью горячей посадки силой Fa (рисунок 4) нагретого бандажа на холодный колесный центр с разницей диаметров: 1,2 — 1,6 мм. При нагревании внутренний диаметр бандажа увеличивается и превышает диаметр обода на 1,3—1,7 мм.

Прочность соединения в таких неподвижных посадках достигается за счет упругой деформации сопряженных деталей, возникающей при технологических

процессах сборки. Контактное давление Р приводит к возникновению нормальных радиальных су и окружных а0 напряжений в деталях. После посадки наибольшие окружные напряжения растяжения ав в бандаже возникают у внутренней поверхности вблизи соединения (рисунок 5). При этом сжимающие радиальные напряжения ат — незначительны.

Перед запрессовкой После запрессовки

Рисунок 4 - Силы, действующие на поверхности сопрягаемых тел при натяге

Рисунок 5 - Расчетные посадочные напряжения в бандаже при натяге 1,4 мм

Расчетный натяг N цилиндрического соединения связан с посадочным давлением Р зависимостью, вытекающей из формулы Ляме для толстостенной трубы:

[ с1;

СТ„ =Р-

р = -

Ы2

Ы-Е

+ 1

(5)

(6)

(А, +

где й?; - диаметр соединения, с13 - наружный диаметр бандажа, с/ - текущий диаметр бандажа при удалении от места посадки, Е - модуль упругости, N -натяг, АI, А2— постоянные величины определяемые по формулам:

Л =

-я; л.

с1\ + ¿.2

(7)

где - внутренний диаметр колесного центра, ц - коэффициент Пуассона.

В таблице приведены посадочные значения натяга и соответствующие им расчетные значения окружных напряжений ад вблизи места посадки бандажа для двух типов диаметров локомотивных колес с13.

Таблица - Окружные напряжения вблизи места посадки бандажа на колесный

Значения натяга Ы, мм Значения окружных напряжений ое, МПа, аналитические/численные

для <я^=1050 мм для й?3=1220 мм

1,2 236/233 200/ 203

1,3 256/251 217/216

1,4 275/274 233/236

1,5 295/292 250/ 250

1,6 315/309 267/ 270

Рисунок 6 - Распределение фактора £>а0 по толщине фрагмента бандажа

Таким образом, моделирование напряженно-деформированного состояния при охлаждении бандажа после операции термической обработки показало, что фазовые превращения во время закалки создают существенные напряжения, которые могут привести к деформации колеса и появлению закалочных дефектов. Следовательно, при контроле остаточных напряжений в бандажах необходимо учитывать уровень напряжений в бандаже, возникших во время изготовления бандажа.

Величина натяга оказывает самое большое влияние на прочность посадки соединения бандажа с ободом. В процессе операции напрессовки бандажа на колесный центр в бандаже возникают окружные растягивающие напряжения, по уровню которых можно оценивать степень натяга бандажа на колесный центр.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальной проверки предложенной методики определения НДС в бандажах и степени посадки бандажа на колесный центр.

Расстояние от поверхности катания, мм

Для учета фактора анизотропии материала по толщине бандажа оценеивался фактор £>а0, который определяется особенностями формирования текстуры проката и структуры при термической обработке материала бандажа. Исследования влияния фактора текстуры проведены на фрагменте свободного бандажа № 8992249 в виде сегмента с длиной внешней дуги 200 мм, освобожденного от связей по окружности после его вырезки. Для оценки измерялись временные задержки ¿01 и ¿02 без влияния на них остаточных технологических напряжений, присутствующих в целом бандаже. Расчет фактора Оа0 проводился по формуле (3), результаты измерений которого представлены на рисунке 6. Величина Оа0 вблизи поверхности катания составила - 35 МПа, по центру бандажа + 45 МПа и уменьшается при приближении к месту посадки.

Испытания по оценке напряжений в свободных бандажах проведены в локомотивном депо Зуевка Горьковской железной дороги. Значения напряжений в свободном бандаже указывают на фактор акустической анизотропии йа. который определяется не только структурой и текстурой, но и формой. Согласно рисунку 7 в свободных бандажах вблизи поверхности катания наблюдается акустическая анизотропия Оа до -140 МПа. При перемещении ЭМА преобразователя от гребня к центральной части анизотропия постепенно уменьшается и меняет знак на положительный. Максимальная анизотропия до 100 МПа отмечена в центре сечения бандажа. Экспериментально полученное распределение факторов £>а0 и £>а по толщине бандажа согласуется с результатами, полученными при моделировании остаточных напряжений по сечению бандажа (рисунок 3).

120

—»—бандаж! бандаж 2 бандаж 3 —»-бандаж 4 бандаж 5

Рисунок 7 - Распределение фактора £>а по толщине в свободных бандажах локомотивных колес

Сравнение полученного распределения величины £>а0 для фрагмента бандажа с результатами исследований величины £>а для свободных бандажей показывает, что они имеют отличия порядка 50-100 МПа, соответствующие вкладу остаточных напряжений в бандаже, что следует учитывать при оценке истинных остаточных напряжений.

Для учета влияния структурно-фазового состояния стали проанализировано изменение по толщине фрагмента бандажа абсолютных значений скорости сдвиговых волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях. Увеличение скорости сдвиговых волн на 3 м/с при удалении от закаленных

структур к равновесным структурам сорбита и перлита соответствует известным результатам.

Разработанная методика контроля остаточных напряжений была опробована на 37 бандажах, напрессованных на колесный центр с натягом в пределах 1,4 - 1,5 мм. Производственные исследования остаточных напряжений проведены в локомотивных депо Агрыз и Зуевка Горьковской железной дороги. Результаты исследования для некоторых бандажей представлены на рисунке 8.

Согласно рисунку 8 минимальные значения растягивающих окружных напряжений по сечению наблюдаются у поверхности катания, увеличиваясь при удалении от поверхности катания к центральной части сечения бандажа и достигая значений 200-380 МПа, что существенно превышает остаточные напряжения в свободных бандажах. При приближении к месту посадки напряжения не изменяются относительно центральной части или несущественно возрастают. Сравнение полученных распределений напряжений бандажей после посадки с результатами исследований свободных бандажей показывает различие в диапазонах значений оцениваемых напряжений на 200-300 МПа, то есть посадка с натягом в большей степени определяет остаточные напряжения.

400

-«-2 424 679 809 »349 983 506 —2 403 081422 —2424 879 810 -¡-3 499 093 758 3 497 884 108 —3 499 083 777

20 30 40 50

Расстояние от поверхности катания, мм

Рисунок 8 - Распределение остаточных окружных напряжений по толщине для ряда бандажей (их номера указаны внизу) после посадки с натягом 1,4-1,5 мм

Следует отметить, что остаточные окружные напряжения в разных бандажах с одинаковым уровнем натяга (N=1,4 мм) существенно различаются, что обусловлено различием закалочных напряжений в разных бандажах вследствие особенностей технологий термической обработки и натяга.

Одним из методов уменьшения брака бандажей является повышение механических свойств за счет локальной термической обработки металла гребней колесных пар. Упрочнения деталей подвижного состава электроконтактным методом проводятся на установках УЭКТ-2П.ТВ. Повышение износостойкости при использовании данной технологии достигается за счет получения мелкозернистой структуры.

Анализ результатов ультразвуковых исследований 16-ти бандажированных колес, упрочненных электроконтактрым методом, показывает, что вблизи поверхности катания, на расстоянии 25 мм от поверхности катания, после упрочнения поверхности, растягивающие напряжения снижаются от 150 - 200 МПа до 50 МПа и менее. С удалением от поверхности катания на глубине 55 мм

наблюдается рост растягивающих напряжений до 300 МПа как в неупрочненных, так и в упроченных колесах (рисунок 9).

№40454

30 35 40 45 50 55

Расстояние от поверхности катания, мм в без упрочнения ♦ с упрочнением

Рисунок 9 — Распределение остаточных напряжений по толщине бандажа до и

после упрочнения

В четырех бандажах отмечены остаточные напряжения менее 200 МПа, что существенно ниже расчетных (см. таблицу с. 12) и говорит о недостаточном натяге. Снижение остаточных напряжений вблизи поверхности катания, и отсутствие изменений напряжений вблизи места посадки, свидетельствует о возможности контроля натяга бандажа ЭМА методом при наличии изменений в поверхности катания.

Изменения в распределении реальных остаточных напряжений по сечению отдельного бандажа до и после его горячей посадки на колесный центр с натягом 1,4 мм показаны на рисунке 10.

300

о ............ .............. 30 40 50

250 С 200

„ 150 ь

g 100

1 50 Я

S. о

е

3 -50 -100 -150

Расстояние от поверхности катания, мм -»-Свободный бандаж Бандаж после посадки

Рисунок 10 — Распределение остаточных окружных напряжений по толщине: для отдельного бандажа до и после горячей посадки на колесный центр

Видно, что характер распределения напряжений по сечению бандажей до и после посадки на колесный центр совпадает, но отличаются абсолютные значения напряжений в бандажах по слоям сечения. При этом значения напряжений в результате натяга вблизи места посадки и вплоть до середины сечения превышают значения напряжений до посадки на 250-270 МПа.

Следовательно, в процессе реализации натяга на поверхности бандажа вблизи места посадки на колесный центр создаются дополнительные растягивающие напряжения, что в целом повышает уровень напряжений растяжения.

Корреляция значений натягов, полученных с помощью измерительного инструмента линейных размеров (штихмаса и скобы) и расчетных значений натяга, полученных по результатам акустического метода оценки напряжений в серии бандажей при испытании в депо, представлена на рисунке 11.

1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 -0,9 0,7 0,5

•

1

I »

*

1,2

1,5

1,і

1,3 1,4

Натяг по инструменту измерения линейных размеров, мм

Рисунок 11 - Зависимость натяга, полученного по результатам акустического метода, от натяга, измеренного прямым методом

На рисунке 12 соответствует показаны значения натягов, определенные по измеренным экспериментально напряжениям. Низкий уровень напряжений вблизи места посадки на колесный центр в области «А» связан с относительно малым значением напряжений по всему сечению бандажа (максимальные значения напряжений не достигают 250 МПа).

Область «В» соответствует натягам бандажей согласно требованиям ЦТ329. В области «С» измеренный натяг и соответствующие ему остаточные напряжения в бандажах превышают регламентируемые - возможен разрыв бандажа в процессе

циклических -напряжений.

эксплуатационных нагрузок при наличии концентратора

2,0 1,8 1,6 а 1.4 5 1,2 ? 1,0 ¡0,8 х 0,6 0,4 0,2 0,0

о

Рисунок 12 •

100 200 300

Остаточные напряжения сг, МПа

Натяг, определенный по измеренным напряжениям

В пятой главе представлены результаты испытания методики контроля остаточных напряжений и натяга бандажей в процессе формирования колесных пар на ООО «Уральские локомотивы» г. Верхняя Пышма.

По результатам оценки остаточных напряжений 6 колес было получено, что механическая обработка не влияет на уровень напряжений по толщине, однако приводит к выравниванию напряжений по окружности. По сечению бандажа на всех этапах процесса формирования колесной пары наблюдаются высокий уровень остаточных напряжений и неоднородность распределения по окружности (рисунок 13). Напрессовка бандажированного колеса на ось приводит к увеличению напряженного состояния по толщине бандажа в пределах погрешности измерений.

5 25 45

5 Расстояние от поверхности катания, мм —-15мм 25мм—-35мм—45мм ......55 мм -«-сечение 1 -"-сечение 2 при контате с рельсом " сечение 3

а б

Рисунок 13 - Распределение напряжений а) по окружности бандажа б) находящемся под нагрузкой локомотива 2ЭС10

В приложении приведены Акты внедрения разработанного метода контроля натяга и остаточных напряжений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена и экспериментально подтверждена методика измерения натяга бандажей локомотивных колес на колесных центрах с помощью электромагнитно-акустического метода с учетом распределения остаточных напряжений по толщине бандажа и их релаксации в процессе эксплуатации. Установлено, что по уровню напряжений в центральной части бандажа и вблизи места посадки на колесный центр можно судить о плотности посадки бандажа. Допустимые значения напряжений должны лежать в пределах от 200 до 270 МПа для колес с внутренним диаметром 1060 мм.

2. Экспериментально оценены остаточные напряжения в локомотивных колесах по толщине бандажа и по его окружности на основе явления акустоупругости, реализованного с применением электромагнитно-акустического преобразователя на стадии производства и на стадии ремонта. В свободных бандажах после закалки наблюдаются сжимающие напряжения вблизи поверхности катания и посадки до -100 МПа и растягивающие в центральной части бандажа до 100 МПа. Показано, что у поверхности катания бандажей после посадки на колесные центры наблюдаются минимальные растягивающие напряжения от 50 до 150 МПа, а при приближении к месту посадки происходит их увеличение до 400 МПа.

Установлены факты неравномерности распределения остаточных напряжений по окружности, как центральной части бандажа, так и вблизи места посадки до бОМПа

3. Смоделированы эпюры распределения напряжений в бандажах локомотивных колес после термического упрочения и натяга. В результате термического упрочнения в центральной зоне бандажа Достигаются высокие растягивающие напряжения, а вблизи поверхности катания и места посадки сжимающие. После натяга бандажа на колесный центр наибольшего значения напряжения достигают вблизи места посадки и уменьшаются при приближению к поверхности катания.

4. Экспериментально исследованы остаточные напряжения в бандажах локомотивных колес до и после их упрочнения методом электроконтактной наварки с помощью электромагнитно-акустического способа возбуждения и приема волн. Снижение остаточных напряжений вблизи поверхности катания на 150 МПа и отсутствие изменения напряжений вблизи места посадки свидетельствует о возможности контроля натяга бандажа ЭМА методом при наличии изменений в поверхности катания.

5. Оценена случайная погрешность измерений времени задержки ультразвуковых волн и влияние внешних факторов, влияющих на результаты контроля. Погрешность измерения времени прихода двух волн (2-5 не) приводит к погрешности измерения напряжений порядка 5 МПа. Учет влияния внешних факторов таких как: температура, внешнее магнитное поле, разница в ширине бандажа, дополнительных поправок не требует. Влияние собственной анизотропии материала, вследствие термической обработки вносит вклад в распространение скоростей ультразвуковых волн порядка 3 м/с, а в распределение напряжений 40 МПа.

6. Разработанные методики оценки остаточных напряжений и плотности посадки (натяга) бандажей локомотивных колес испытаны в условиях локомотивного депо Киевская (МоскЖД), депо Агрыз, Зуевка (ГорькЖД) и завода «Уральские локомотивы» г. Верхняя Пышма. Показано, что в отдельных напрессованных бандажах наблюдаются как чрезмерные напряжения, так и недостаточные, что при пересчете говорит о завышении или снижении уровня натяга.

7. Перспективой разработки темы является экспериментальная оценка перераспределения остаточных напряжений и натяга бандажей после различного пробега колес в эксплуатации, разработка нормативно-технической документации контроля остаточных напряжений и натяга бандажей локомотивных колес, и внедрение методики контроля в производство.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Муравьев, В.В. Оценка остаточных напряжений в ободьях вагонных колес электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева,

B.А. Стрижак, A.B. Пряхин, E.H. Балобанов, JLB. Волкова // Дефектоскопия. -2011,-№8.-С. 16-28.

2. Муравьев, В.В. Влияние электроконтактного упрочнения на распределение остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес / В.В. Муравьев,

C.Ю. Петров, A.B. Платунов, E.H. Балобанов, JLB. Волкова, A.A. Рябов,

O.B. Соколов, Т.П. Печенова, B.B. Костюк // Технология машиностроения. - 2011. -№9.-С. 42-45.

3. Муравьев, В.В. «Электромагнитно-акустический преобразователь» / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, A.B. Пряхин, E.H. Балобанов, JLB. Волкова // Заявка на полезную модель №2012150262 от 23.11.2012 (Решение о выдаче патента от 14.01.2013)

В других изданиях

4. Волкова, JI.B. О возможности измерения натяга бандажей локомотивных колес / JI.B. Волкова, И.А. Чувашов // Сб. матер. II Всеросс. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика -2012». - Ижевск: Изд-во «A4», 2012. - С. 40-45.

5. Муравьев, В.В. Влияние анизотропии и конструктивных особенностей бандажа на остаточные напряжения / В.В. Муравьев, JLB. Волкова, И.А. Чувашов, Т.Н. Байкалова // Матер. VIII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», посвящ. 60-летию ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013-С. 90-93.

6. Волкова, JLB. О точности определения напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости / Л.В. Волкова, Д.Н. Андреев // Труды I Всерос. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, посвященной 25-летию кафедры Приборы и методы контроля качества «Измерение, контроль и диагностика». - Ижевск: Изд-во «Проект», 2010. - С. 12 - 16.

7. Муравьев, В.В. Измерение остаточных напряжений в бандажах и ободьях цельнокатаных железнодорожных колес после их упрочения / В.В. Муравьев, E.H. Балобанов, JI.B. Волкова, A.B. Платунов, И.А. Чувашов // Сб. матер. VII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, посвященной 50-летию приборостроительного факультета «Приборостроение в XXI веке - 2011. Интеграция науки, образования и производства». - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. -С. 172- 175.

8. Муравьев, В.В. Исследование внутренних напряжений в термически обработанных и упроченных электроконтактной наплавкой железнодорожных колесах электромагнитно-акустическим способом / В.В. Муравьев, JLB. Волкова // Матер, междунар. конф. «Электрон-фононные и спиновые воздействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах» / под ред. В.Е. Громова -Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2012. - С. 160 - 166.

9. Муравьев, В.В. Оценка напряженно-деформированного состояния вагонных, локомотивных колес и рельсов электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, E.H. Балобанов, JLB. Волкова // Тезисы докладов XXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля». - г. Екатеринбург: Изд-во ИФМ УрО РАН, 2011. - С. 27.

10. Муравьев, В.В. Определение остаточных напряжений в цельнокатаных колесах, бандажах и рельсах электромагнитно-акустическим способом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, E.H. Балобанов, JLB. Волкова // Тезисы докладов XIX Всерос. науч.-техн. конф. по неразрушающему контролю и технической диагностике. - М.: Издательский дом «Спектр», 2011. — С. 209-211.

П.Муравьев, В.В., Разработка метода контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес вагонов с помощью электромагнито-акустического преобразователя / В.В. Муравьев, О.В. Коробейникова, В.А. Стрижак, A.B. Пряхин, E.H. Балобанов, JLB. Волкова // Тезисы докладов VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». - Екатеринбург: Изд-во ИМАШ УрО РАН, 2010. - С.160.

12. Муравьев, В.В. Бесконтактный ультразвуковой контроль остаточных напряжений в рельсах электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев, JLB. Волкова // Сб. матер. VI Всёрос. науч.-техн. конф. «Интеграция науки, образования и производства — 2010. Приборостроение в XXI веке» / под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. А.И. Нистюка. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С. 160 — 166.

П.Муравьев, В.В. Исследование напряженно-деформированного состояния металлов от нано- до микроструктур акустическими методами / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, A.B. Платунов, JLB. Волкова // Тезисы докладов научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики» (Улан-Удэ). - Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2010. - С.59-62.

14. Волкова, Л.В. О способах измерения остаточных напряжений в рельсах электромагнито-акустическим методом / JI.B. Волкова, И.Л. Микрюков, Д.В. Трефилов // Сб. тр. науч.-техн. конф. аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке»: в 3 т. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - Т. 1. - С. 3 - 8.

Подписано в печать 15.04.2013 г. Печать офсетная усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Напечатано в ИМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34

ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова

На правах рукописи

Волкова Людмила Владимировна

04201358237 УДК 620.179.162

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА КОНТРОЛЯ НАТЯГА БАНДАЖЕЙ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛЕС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯВЛЕНИЯ

АКУСТОУПРУГОСТИ

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. В.В. Муравьев

Ижевск 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................4

Глава 1 Остаточные напряжения в бандажах локомотивных колес (обзор)...........11

1.1 Технология изготовления бандажей колес и условия эксплуатации.................11

1.2 Остаточные напряжения в бандажах локомотивных колес и методы оценки.. 17

1.3 Способы контроля натяга бандажей на колесные центры..................................28

1.4 Методы акустоупругости........................................................................................32

1.5 Основные требования к контролю напряженного состояния и натяга бандажей

..........................................................................................................................................42

Выводы по главе 1.........................................................................................................44

Глава 2 Методическое и аппаратное обеспечение контроля остаточных напряжений и натяга локомотивных колес.................................................................45

2.1 Установка для исследования напряженно-деформированного состояния бандажей.........................................................................................................................45

2.2 Конструкция электромагнитно-акустического преобразователя.......................47

2.3 Оценка остаточных напряжений и натяга в бандажах локомотивных колес.... 51

2.4 Метрологические характеристики оборудования для измерения остаточных напряжений.....................................................................................................................53

2.5 Влияние мешающих факторов на результаты измерений...................................56

Выводы по главе 2.........................................................................................................61

Глава 3 Численные и аналитические методы расчета остаточных напряжений в бандажах после термического упрочнения.................................................................62

3.1 Учет текстуры объекта контроля при акустической тензометрии.....................62

3.2 Моделирование напряжений в бандажах после закалки.....................................65

3.3 Расчёт напряжений прессового соединения.........................................................69

Выводы по главе 3.........................................................................................................74

Глава 4 Экспериментальное исследование напряженного состояния и оценка

натяга бандажей.............................................................................................................75

4.1 Влияние анизотропии и конструктивных особенностей бандажа на остаточные напряжения.....................................................................................................................75

4.2 Экспериментальные результаты контроля остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес......................................................................................................78

4.3 Распределение остаточных напряжений после технологии упрочнения..........86

4.4 Измерение натяга бандажей локомотивных колес на колесные центры...........90

Выводы по главе 4.........................................................................................................94

Глава 5 Испытания методик контроля остаточных напряжений и натяга бандажей в процессе формирования колесных пар в цеховых условиях.................................95

5.1 Методика оценки остаточных напряжений и натяга в бандажах локомотивных колес................................................................................................................................95

5.2 Контроль остаточных напряжений и натяга бандажей в производственных условиях..........................................................................................................................99

5.2.1 Контроль остаточных напряжений и натяга бандажей в процессе формирования колесной пары локомотива 2ЭС6......................................................99

5.2.2 Контроль остаточных напряжений и натяга бандажей в процессе формирования колесной пары локомотива 2ЭС10..................................................105

5.2.3 Контроль остаточных напряжений и натяга бандажей при отработке технологии формирования колесной пары...............................................................111

5.2.4 Контроль остаточных напряжений банда колеса под нагрузкой локомотива

........................................................................................................................................114

Выводы по главе 5.......................................................................................................116

Заключение...................................................................................................................117

Основные обозначения и сокращения, используемые в диссертации...................119

Список использованной литературы.........................................................................120

Приложение А Акт об апробации..............................................................................135

Приложение Б Акт об использовании в учебном процессе....................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы: Бандаж является наиболее изнашиваемой частью локомотивного колеса. Разрушения бандажа недопустимы, так как создают угрозу безопасности движения. Основными причинами выхода из строя бандажей локомотивов являются: ослабление посадки, равномерный и неравномерный прокат, выщербины на поверхности катания и трещины, износ гребня. Одной из причин ослабления посадки и образования трещин бандажа являются недостаточный или чрезмерный натяг.

В процессе производства локомотивный бандаж подвергается операциям обработки давлением, резания и термической обработки (закалки с отпуском). Термическая обработка бандажа приводит к формированию сложного напряженно-деформированного состояния бандажа. Последующая механическая обработка фрезерованием и напрессовка на колесный центр тепловым способом приводит к возникновению дополнительных растягивающих напряжений, усложняющих общее напряженно-деформированное состояние бандажа.

Неясен вопрос о перераспределении напряжений после воздействия упрочняющих технологий на поверхность катания бандажа. Кроме того, в процессе эксплуатации действие статических и циклических внешних нагрузок вносит изменение в распределение напряженного состояния и плотности посадки бандажа. Высокий уровень остаточных напряжений облегчает при наличии концентраторов появление и развитие усталостных трещин.

На сегодняшний момент отсутствуют методики неразрушающего контроля остаточных напряжений и натяга бандажа. Поэтому для гарантии безопасной работы колес локомотива требуется не только его дефектоскопия, но и контроль внутренних напряжений, позволяющий предупредить появление дефектов на ранней стадии. Использование акустического метода на основе явления акустоупругости позволяет оценивать напряженное состояние в объеме материала.

Степень разработанности темы: Основные положения теории акустоупругости и описание ультразвукового метода определения напряжений,

варианты реализации эффекта акустоупругости, основанного на использовании объемных волн излагаются в работах исследователей из Национальной академии наук Украины под руководством Гузя А.Н. Важные для теории акустоупругости исследования свойств материалов на базе нелинейной теории упругости, зависимости скоростей распространения поляризованных поперечных и продольных волн от напряжений в металлах и пластмассах, экспериментальное определение упругой и текстурной анизотропии проводились сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством Буденкова Г.А., Бобренко В.М. В научной школе ИжГТУ Буденковым Г.А. разрабатывалась методика контроля гидропрессовых соединений на основе акустического эхо-импульсного метода. Использование различных волн для измерения остаточных напряжений в кольцах подшипников, трубопроводах, вблизи стыковых сварных соединений, описание методик и принципов действия приборов для контроля остаточных напряжений рассматриваются в работах научных школ СГУПСа, ИжГТУ под руководством Муравьева В.В., ИФПМ СО РАН под руководством Зуева Л.Б., НФ ИМАШ РАН под руководством Никитиной Н.Е., теоретической проработке методов акустической тензометрии для контроля технических объектов посвящены работы ученых R.W. Benson, V.J. Realson, P. Mason, E. Shnider и др.

Рассмотренные результаты теоретических и экспериментальных исследований по акустоупругости, а также исследование напряженно-деформированного состояния в деталях производственных объектов и опыт промышленного использования ультразвука для этих целей позволили разработать основы методологии акустической тензометрии. Однако для применения метода акустоупругости отсутствуют методики контроля на реальных инженерных объектах, при определении напряжений возникают проблемы, связанные с влиянием внешних факторов.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту №2.1.2/12069; Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ

имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 г.г. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ мероприятия 2 «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности»; ГТ-2-12 в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».

Целью работы является обоснование метода неразрушающего контроля натяга и остаточных напряжений термоупрочненных бандажей локомотивных колес с использованием явления акустоупругости и электромагнитно-акустического преобразователя.

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:

1. Моделирование и расчет напряжений в бандажах локомотивных колес после термического упрочнения и после натяга.

2. Экспериментальные исследования остаточных напряжений по толщине и по окружности бандажей до посадки на колесные центры.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению напряженного состояния при посадке бандажей на колесные центры, при электроконтактном упрочнении поверхности катания.

4. Исследование мешающих факторов, влияющих на результаты контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей.

5. Разработка ультразвуковой методики контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей локомотивных колес.

Объект исследований. Информативные параметры акустических волн при исследовании напряженно-деформированного состояния бандажей локомотивных колес.

Предмет исследований. Распределение остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после натяга, после упрочнения поверхности катания.

Методология и методы исследования. В работе представлены материалы, полученные на основе ультразвукового поляризационно-временного метода.

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием специализированного оборудования. Исследования проводились в соответствии с требованиями нормативной документации по изготовлению, ремонту и эксплуатации бандажей локомотивных колес. Результаты экспериментов, представленных в диссертации, были проведены в лабораторных и цеховых условиях.

Достоверность и обоснованность обеспечивается использованием подходов теории акустоупругости, механики сплошных сред, теории акустики, большим объемом экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей и результатами моделирования.

Научная новизна

1. Впервые теоретически и экспериментально обосновано применение метода акустоупругости для контроля натяга бандажей локомотивных колес, реализованного с использованием электромагнитно-акустического преобразователя, по величине распределения остаточных напряжений по толщине бандажа, рассчитываемых по разности скоростей поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией.

2. Разработаны модели формирования остаточных напряжений бандажей локомотивных колес после термического упрочения и натяга на основе метода конечных элементов.

3. Впервые обоснован и подтвержден экспериментально ультразвуковой метод оценки остаточных напряжений по толщине бандажа и по его окружности, после термического упрочнения бандажа и электроконтактного упрочения поверхности катания колес, и при формировании колес в цеховых условиях и на стадии эксплуатации.

4. Показано, что влияние внешних факторов (температуры, магнитных полей, текстуры проката и анизотропной структуры материала) на погрешность контроля остаточных напряжений учитывается предварительными измерениями

разности времен прихода импульсов в бандаже, свободном от напряжений до посадки на колесный центр.

Теоретическая и практическая значимость

1. Выработан подход к контролю натяга и остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес с использованием явления акустоупругости, основанный на разности времен пробега поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией, распространяющихся по одному лучу в направлении толщины бандажа.

2. Рассчитана теоретически и подтверждена экспериментально неравномерность остаточных напряжений по толщине бандажа и по окружности колеса.

3. Методика контроля остаточных напряжений и натяга бандажей на центрах локомотивных колес испытана в локомотивных депо Киевская, Агрыз, Зуевка, на заводе «Уральские локомотивы» г. Верхняя Пышма, используется в учебном процессе подготовки студентов ИжГТУ по направлению 200100, при выполнении курсового и дипломного проектирования, а также в научно-исследовательской работе.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты численного моделирования формирования остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес после натяга и термического упрочнения.

2. Результаты теоретической и экспериментальной оценки неравномерности распределения остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес по толщине и по окружности с применением явления акустоупругости.

3. Результаты оценки натяга бандажей локомотивных колес по уровню остаточных напряжений, заключающиеся в измерении разности скоростей поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией с учетом коэффициента акустоупругости.

4. Результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после их упрочнения методом электроконтактной наварки.

5. Методика оценки натяга бандажей локомотивных колес по найденным критериям с учетом остаточных напряжений и факторов, влияющих на чувствительность и погрешность измерений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: IX выставке-сессии инновационных проектов (г. Ижевск, 15-16 апреля 2010 г.); VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2010 г.); Научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики» (г. Улан-Удэ, 19-22 июля 2010 г.); Выставке-сессии инновационных проектов второго Республиканского инновационного форума (г. Ижевск, 23 - 24 ноября

2010 г.); VI Всероссийской научно-технической конференции научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые -ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15-18 марта

2011 г.); Республиканской выставке-сессии инновационных проектов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14-19 апреля 2011 г.); XXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля» (г. Екатеринбург, 16-18 мая 2011 г.); XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 6-8 сентября 2011 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15 - 17 ноября 2011 г.); II Всеросс. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14 - 16 мая 2012 г.); Международная конференция «Электрон-фононные и спиновые воздействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах» (г. Туапсе, 10-17 сентября 2012 г.);

VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т.Калашникова (г. Ижевск, 14-16 ноября 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получен один патент на полезную модель.

Личный вклад автора. Результаты численных и экспериментальных исследований, модели и методики, представленные в диссертации, получены автором лично, с использованием экспериментальной установки, разработанной на кафедре «Приборы и методы контроля качества». Выбор приоритетов, направлений и методов исследований и ф�