автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Повышение достоверности неразрушающего контроля литых деталей подвижного состава

На правах рукописи

БОБРОВ Алексей Леонидович

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ НЕ РАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.02.11. Методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 2000

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщений

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор - Муравьев В. В.

Научный консультант Доктор технических наук, профессор - Степанова Л. Н.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор - Аксёнов В. А. Кандидат технических наук, доцент - Смирнов А. Н.

Ведущая организация - Запад но-Сибирская железная дорога

Защита состоится 25 февраля 2000 г. в часов на заседании диссертационного совета К114.02,05 в Сибирском государственном университете путей сообщений по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщений.

Автореферат разослан у^/а^г^ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор / !_ Герасимов С. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изломы литых деталей тележек грузовых вагонов являются одними из наиболее опасных дефектов, угрожающих безопасности движения поездов. Несмотря на внедрение вихретокового и феррозондового методов контроля этих деталей до 6 %"от общего числа отказов тележек приходится на изломы боковых рам и надрессорных балок.

Использование визуального, электромагнитного и магнитного методов контроля при ремонте литых деталей не позволяет в должной мере оценивать техническое состояние наплавленных изнашиваемых участков, места заварки дефектов. Существенными недостатками этих методов при поиске усталостных трещин являются невозможность контроля труднодоступных для осмотра и сканирования участков, невозможность объективного фиксирования результатов контроля. Большое значение при использовании этих методов имеет профессиональная подготовка и добросовестность оператора, выполняющего освидетельствование.

Возрастающие требования к качеству деповского ремонта и в частности к надежности неразрушающего контроля ответственных деталей вагонов приводит к необходимости разработки новых методик контроля деталей, имеющих низкую контролепригодность (к которым' относятся литые детали тележек).

В то же время, высокие возможности акустико-эмиссионного (АЭ) контроля по выявлению усталостных трещин и других дефектов, наличие быстродействующих цифровых систем АЭ контроля позволяют применить новую методику контроля литых деталей вагонов.

Таким образом, повышение достоверности контроля литых деталей подвижного состава за счет применения новых методов является актуальной проблемой.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства путей сообщения РФ, Западно-Сибирской железной дороги, Сибирского государственного университета путей сообщения.

Цель работы - повышение достоверности неразрушающего контроля литых деталей подвижного состава за счет применения АЭ метода контроля.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

- оценка особенности структурного состояния литого материала и его влияние на параметры, обеспечивающие достоверность акустического контроля, определение чувствительности АЭ контроля к дефектам различного происхождения литых деталей в условиях депо;

- анализ факторов, влияющих на точность локализации АЭ источников для различных видов и типов дефектов в литых деталях подвижного состава;

- испытание АЭ методом боковых рам в условиях депо и оценка достоверности контроля для различных зон с проверкой полученных данных другими методами;

- разработка методики контроля литых деталей АЭ методом, определение критериев оценки дефектности литых деталей.

Методы исследования и достоверность результатов. В работе использованы результаты полученные акустическими методами контроля (акустико-эмиссионный, эхо- и зеркально-теневой), металлографическими методами оценки структурного состояния, штатными методами контроля литых деталей. Решение поставленных в работе задач осуществлялось с использованием сертифицированного в системе Госстандарта РФ и поверенного оборудования. Все параметры и характеристики АЭ записывали системой СЦАД 16.02., металлографические, ультразвуковые и другие виды исследований проводили в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, утвержденной Госстандартом РФ или МПС.

Определение чувствительности АЭ метода и акустических характеристик стальных образцов проводили в лабораторных условиях, анализ точности локализации и испытания боковых рам с различного рода дефектами в условиях депо. При обработке полученной информации использовались методы компьютерного анализа и математической статистики. Научная новизна.

1. Доказано влияние акустических свойств литого металла на точность локализации источников АЭ в деталях подвижного состава. Впервые установлено, что с ростом величины зерна в конструкционных сталях скорость распространения ультразвуковых продольных волн возрастает, а сдвиговых и поверхностных уменьшается. Показано, что наибольшее затухание при распространении ультразвука в литом металле имеет продольная ультразвуковая волна, а наименьшее - поверхностная.

2. Установлено, что при распространении АЭ от усталостной трещины с длиной, ограниченной толщиной образца, излучаются продольные и поверхностные акустические волны. Рассчитаны диаграммы направленности излучения для обоих типов по волновым пакетам сигналов полученных при продвижении усталостной трещины. Произведена качественная оценка чувствительности контроля различных участков литых деталей.

3. Выявлено, что АЭ метод позволяет в наплавленных слоях и заваренных дефектах боковых рам выявлять" участки некачественного ремонта. Результаты контроля подтверждены ультразвуковым методом и металлографическим анализом наплавленных участков. Погрешность определения координат источника в литом металле составляет 10...50 мм по каждой координате и зависит от типа дефекта.

Защищаемые положения. 1. Совокупность экспериментальных результатов по исследованию влияния величины зерна в литой стали на распространение акустических

волн и на чувствительность и точность локализации источника при АЭ контроле.

2. Совокупность результатов по определению типов ультразвуковых волн и диаграмм направленности АЭ излучения при продвижении усталостной трещины с длиной, ограниченной толщиной образца.

3. Методика АЭ контроля литых деталей подвижного состава, позволяющая с высокой достоверностью проводить контроль качества, в том числе наплавленных и заваренных участков литых деталей. Использование комплексного критерия оценки дефектности литых деталей позволяет выявлять до 90 % потенциально опасных дефектных участков.

Практическая ценность работы.

Разработана АЭ методика для контроля литых крупногабаритных деталей подвижного состава сложной формы. Оценены эквивалентная чувствительность, погрешность определения координат АЭ контроля применительно к литым деталям в условиях деповского ремонта. Установлены критерии дефектности локальных участков литых деталей. Достоверность качества контроля наплавленных участков подтверждена ультразвуковым эхо-методом и металлографическим анализом. Метод АЭ контроля внедрен в вагонном депо ст. Кемерово Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации изложены в 14 публикациях и апробированы на: всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (Новокузнецк, 1997), международной научно-технической конференции «Научные основы высоких технологий» (Новосибирск, 1997), научно-технической конференции «Проблемы прочности и усталостной долговечности материалов и конструкций» (Новосибирск, 1997), научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск, 1997), научно-практической конференции «Транссиб-99» (Новосибирск, 1999), научно-практической конференции «Новосибирск на пороге XXI века: перспективы развития и инвестиционные возможности» (Новосибирск, 1999), VI международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы материаловедения» (Новокузнецк, 1999).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 126 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 125 наименований. Диссертация включает 38 рисунков, 28 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования. Приводятся данные по развитию, достоинствам и перспективам разрабатываемого метода для его использования при контроле литых деталей подвижного состава железной дороги. Дается общая структура и характеристика работы.

В первой главе проведен анализ литературных данных по проблемам неразрушающего контроля литых деталей тележки грузовых вагонов. Рассмотрены особенности освидетельствования этих объектов контроля в деповских условиях, приведены статистические данные по дефектности боковых рам и надрессорных балок, выявляемое™ дефектов различных типов разными методами неразрушающего контроля, используемыми в настоящее время.

Рассмотренные работы по оценке напряженного состояния боковых рам в ходе эксплуатации, свидетельствуют о том, что статических и циклических эксплуатационных нагрузок недостаточно для зарождения и развития дефектов усталостного происхождения, имея в виду бездефектное состояние деталей. Следовательно, большая часть этих эксплуатационных дефектов образуется на скрытых несплошностях или выявленных, но допустимых на время проведения контроля дефектах.

Существующие средства и методы неразрушающего контроля литых деталей (визуальный, вихретоковый, феррозондовый) имеют низкую эффективность, что приводит к созданию аварийных ситуаций (около 3000 случаев отцепки вагонов в год по Российским железным дорогам). Эти методы не позволяют контролировать качество ремонта, произведенное наплавкой или заваркой дефектов.

В связи с вышеуказанными обстоятельствами, целесообразен поиск новых способов контроля деталей подвижного состава, по возможности устраняющих или существенно снижающих недостатки существующих методов. Одним из перспективных методов в настоящее время является АЭ метод неразрушающего контроля, позволяющий исключить влияние субъективных оценок оператора в ходе определения дефектности объектов

Наилучшими качествами для проведения АЭ контроля литых деталей обладает система СЦАД 16.02., сертифицированная в системе Госстандарта РФ и позволяющая принимать сигналы по 16 каналам и отстраиваться от помех в производственных условиях.

На основании анализа литературных данных сделан вывод о том, что разработка методики АЭ контроля литых деталей подвижного состава возможна, если провести оценку дополнительных факторов (акустические свойства литых деталей, геометрия пьезоантенны), определяющих достоверность результатов освидетельствования. Определение эквивалентной чувствительности, погрешностей локализации источников и критериев дефектности литых деталей для АЭ метода представляют существенный интерес ввиду отсутствия экспериментальных данных по этому вопросу.

Во второй главе определено, что основными параметрами АЭ метода контроля литых деталей подвижного состава являются чувствительность метода и точность локализации источника. Выбор этих параметров в качестве значимых дополнительно обусловлен конструкцией объектов контроля и их свойствами.

Чувствительность АЭ метода определяется возможностью фиксировать с помощью приемников определенное приращение площади трещины. Экспериментально определить площадь излома можно через отношение работы, затраченной на излом, к ударной вязкости объекта. Предполагая, что энергия АЭ, выделившаяся при продвижении усталостной трещины пропорциональна работе, затраченной на полученный излом объекта определенного сечения, установим наличие связи параметров сигнала (в первую очередь амплитуды) с площадью излома. Учитывая, что продвижение трещины есть также частичный излом, вводится понятие эквивалентной площади приращения трещины, которая определяется как:

(1)

где О - коэффициент акустической прозрачности при прохождении АЭ пакета, 5 - площадь приращения, А - ударная вязкость материала, параметры с индексом ок относятся к объекту контроля, а параметры с индексом от к так называемому «эталонному» образцу, излом которого в измеренном сечении производится на поверхности детали. Таким образом, для сигналов одинаковой величины, полученных при испытаниях по излому эталонного материала заданного сечения и реального материала объекта диагностики, можно судить о величине прироста трещины.

Рассмотрены параметры, определяющие достоверность локализации дефектов. Влияние на точность локализации оказывают скорость распространения ультразвука, погрешность установки приемников АЭ. Косвенно на точность определения времени приема волнового пакета влияют коэффициент а затухания и направленность АЭ излучения источника.

Встает задача экспериментальной оценки эквивалентной чувствительности метода и точности процесса локализации источников для литых деталей подвижного состава.

Сложность контроля литых деталей заключается в неравномерной величине затухания в объеме образца, так как изменение величины и формы зерна в литой детали зависит от производственных (охлаждение, температура заливки, качество металла) и технологических (толщина участков детали, устройство летниковой системы) факторов.

Описаны методики проведения экспериментальной части работы. Разработана методика оценки чувствительности АЭ контроля. Приведены условия и параметры АЭ испытаний стальных образцов с инициированной трещиной. Описаны условия контроля боковых рам тележек грузовых вагонов в условиях депо, с использованием нагружения в двух направления (рис. 1.).

Дополнительно были проведены структурные и механические исследования металла литых деталей, ультразвуковые исследования. Приведены

химический состав и условия термической обработки используемых для исследований сталей.

ч.

р2 р2

1 4- 1 ,

Рис.1. Схема нагружения боковой рамы: Р] - продольная нагрузка 55 т;

Р2 - поперечная нагрузка 12 т

В третьей главе представлены экспериментальные данные по оценке эквивалентной чувствительности АЭ контроля боковых рам. Метод позволяет оценивать эквивалентную площадь приращения трещины при АЭ испытаниях согласно выражению (1), определять эффективную площадь пье-зоантенны из четырех приемников по заданному уровню чувствительности метода. В качестве эквивалентного излома проводили разрушение тонкого хрупкого металлического образца (стали Х12Ф1 или Х6ВФ). Определены параметры чувствительности для крупногабаритных литых деталей тележки грузовых вагонов при их диагностике АЭ методом. Так, максимальное расстояние между приемниками, установленными на боковую раму или надрессорную балку, выбирается по пороговому значению чувствительности АЭ системы (рис. 2.а, где и - максимальная амплитуда сигналов, I -расстояние от источника до приемника, Бок - эквивалентная площадь приращения трещины).

3300 1500 1000 500 0

О Q2 Q4 Q6 Q8 1

" / -> М S„

а) б)

Рис. 2. Зависимость максимальной амплитуды принимаемых АЭ сигналов от / (а) при S0K = const, и от SOK (б) при / = const.

мм

Значение фиксируемой системой эквивалентной чувствительности определяется в зависимости от порога и расстояния по экспериментальным данным приведенным на рис. 2.6.

Дальнейшие АЭ испытания образцов с инициированными трещинами показали, что волновые пакеты сигналов АЭ из вершины трещины, начиная с момента формирования магистральной трещины й заканчивая изломом имеют подобный вид и имеют одинаковое амплитудно-частотное распределение. Различие их проявляется только в амплитуде пиков импульсов. Это говорит о том, что высвобождение порций энергии протекает по одинаковому механизму, и, следовательно, моменты подрастания магистральной трещины имеют сходные параметры. Исследования образцов с толщиной 8 и 6 мм показали, что трещины излучают продольные и поверхностные волны на частоте 415 кГц и 215 кГц соответственно.

Установлено, что изменения параметров АЭ связаны со стадиями роста усталостной трещины. Наибольшая активность АЭ наблюдается во время перехода линейного роста трещины к нелинейному.

Расчет времен прихода сигналов для различных пиков волновых пакетов позволил определить типы распространяющихся волн: продольные и поверхностные. Исходя из рассчитанных по волновым пакетам данным, восстановлены значения амплитуд (ивос) в зависимости от утла относительно перпендикуляра к направлению распространения трещины и построены диаграммы направленности АЭ сигнала подрастающей трещины (рис. 3.).

Ф -> ° Ф ->

а) б)

Рис. 3. Диаграммы направленности продольных (а) и поверхностных (б) волн при АЭ вызванной ростом усталостной трещины.

Таким образом, установлено, что максимальная энергия излучений соответствует акустическому тракту с направленностью излучения по направлению трещины для продольных волн, и перпендикулярно направлению трещины для поверхностных волн. Этот фактор совместно с полученными данными по оценке эквивалентного приращения трещины следует учитывать при выборе размеров и геометрической формы антенны.

В четвертой главе изложены материалы исследований точности локализации источников АЭ при контроле литых объектов. В общем случае погрешность локализации может быть оценена по стандартным формулам, где погрешность каждой из плоских координат (х, у) зависит от погрешности каждого отдельного параметра входящего в выражение по расчету х и у - скорость распространения волн АЭ, погрешность установки приемников АЭ, погрешность связанная с определением времени начала волнового пакета каждого сигнала.

Для оценки погрешности локализации проведён анализ акустических свойств исследуемых АЭ методом сталей. Особенно это важно для литых металлов, обладающих большей неоднородностью свойств и структуры по сравнению с прокатом и кованными деталями.

Исследовано влияние величины зерна на скорость распространения и затухание ультразвука. Зависимости скорости акустических волн от величины зерна можно представить в виде прямых при построении в координатах Петча-Холла (рис. 4.). Скорость продольной ультразвуковой волны увеличивается на 0,8 % с увеличением среднего диаметра стали с 34 мкм (О/рс! 0,5=55 мм''5/мкс2) до 450 мкм (в/рс! °'5=18 мм'^/мкс2)^ аналогичной ситуации скорость поперечной и поверхностной волн снижается до 0,65 %.

V

мм/мкс

V

мм/мкс

60,0 80,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0

О/рё °'5-> мми/мкс2 в/рс! 0,5-> мм1,5/мкс2

а) б)

Рис. 4. Влияние величины зерна на скорость распространения продольной (а) и поперечной (б) ультразвуковых волн (О - сталь 45, А - сталь 55, СтЗпс)

Полученные результаты были использованы непосредственно для анализа точности локализации сигналов АЭ, а также для интерпретации полученных результатов АЭ испытаний по картам локализации.

Установлено, что коэффициент затухания для продольной ультразвуковой волны в литой стали 20Л колеблется в пределах 3,8...8,4 м-1, для поперечной - 2,3...4,1 м"1, для поверхностной - 1,3...3,1 м"1. Сильное затухание продольной волны вызвано неоднородной крупнозернистой струк-

турой литого металла. Поверхностная волна имеет плоский фронт распространения и основная ее энергия колебаний сосредоточена в поверхностном слое, что приводит к слабому ослаблению на внутренних неоднород-ностях. Шероховатость поверхности литых деталей не превышает 320 мкм и для волн АЭ в диапазоне 100-700 кГц влияет слабо на затухание поверхностной волны.

Проведена оценка точности измерения координатных параметров локализуемых источников АЭ при контроле боковых рам и надрессорных балок тележек грузовых вагонов. Установлено, что колебания значений скорости распространения ультразвуковых волн в реальных литых объектах вносит вклад в погрешность равную 3 мм по каждой координате в плоскости локализации. Погрешность координат установленных приемников может сместить точки локализации от одного источника до 20 мм. Погрешность связанная с определением переднего фронта АЭ сигнала максимально изменяет координаты точки локализации до 25 мм. Эффективная площадь разброса координат при освидетельствовании деталей тележек системой СЦАД 16.02 составляет в среднем 400 мм2, максимальное расстояние между преобразователями пьезоантенны - 0,5 м.

Таким образом, проведенные эксперименты по оценке влияния скорости распространения акустических волн в стали 20Л показали, что влияние скорости на точность локализации сигналов АЭ вносит наименьший вклад в погрешность измерения. Значительно на погрешность локализации влияют точность координат приемников сигналов АЭ и точность фиксации переднего фронта сигнала АЭ. Установлено, что колебания коэффициента затухания, направленности приращения трещины, пористость литой стали вносят основную погрешность при определении координат источника АЭ.

В пятой главе приведены экспериментальные данные по АЭ контролю боковые рам грузовых вагонов. Всего АЭ исследованиям было подвергнуто 285 боковых рам.

Все полученные результаты АЭ испытаний боковых рам можно разделить на пять основных категорий:

а) боковые рамы с усталостными трещинами, подтвержденными или неподтвержденными феррозондовым и визуально-оптическим методами;

б) боковые рамы с литейными дефектами (раковины, неслитины, вмятины, цепочки пор и т. д.);

в) боковые рамы с наплавленной опорной частью буксового проема;

г) детали, на которых дефектные участки были заварены с помощью электросварки;

д) бездефектные боковые рамы с отработанным сроком эксплуатации или проходящие плановый деповской ремонт.

Каждый из перечисленных видов объектов контроля имел характерные изменения параметров АЭ. Общие сведения о результатах испытаний боковых рам АЭ методом и дополнительно освидетельствованных штатными методами (визуально и феррозондовым методом) приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты АЭ контроля и штатного освидетельствования боковых рам____

Забраковано Всего, шт АЭ метод Феррозон- довый контроль Визуальный контроль (из них не подтвержденных АЭ методом)

с наплавленными опорными поверхностями 55 12 55(12)

с заваркой дефектных участков 90 15 _* 90(15)

с усталостными трещинами 50 45 37 39

с дефектами литья 70 11 2 70

бездефектные 20 - - -

*- контроль не проводился из-за структурных помех, существенно снижающих чувствительность феррозондового метода;

а) б)

Рис. 5. Активный источник АЭ (а) и критически активный источник АЭ (б)

Для подтверждения результатов АЭ контроля у части боковых рам с наплавленными опорными поверхностями буксовых проемов были вырезаны наплавленные участки и отшлифованы по границе наплавки. Результаты металлографического анализа этих образцов и ультразвуковые исследования эхо-методом (табл. 2.) показали, что опорные поверхности, отбракованные АЭ методом, имели в границе наплавленного слоя с основным металлом дефекты усталостного происхождения: трещины расслоения и другие дефекты наплавки. Трещины длиной около 2 мм, как правило, являются критически активными источниками (рис. 5.а). Большие трещины ,

отслоения наплавленного слоя, поры, микротрещины - активными (рис. 5.6). В боковых рамах забракованные по наличию наплавки и не подтвержденные АЭ методом при дополнительном контроле дефектов не выявлено.

Таблица 2.Результаты ультразвукового контроля образцов, вырезанных из опорных частей буксовых проемов с дефектными наплавками._

№ № боко- Эквивалентная Условная Форма дефекта

пп вой площадь обна- протяжен- ( по коэффициентам

рамы руженных дефектов, мм2 ность, мм формы)

1 48613 5 10 Протяженный, округлый

2 13687 3 8 Плоскостной

3 134732 2,8 Точечн. Плоскостной

3,5 Точечн. Плоскостной

4 29937 2,5 Точечн. Округлый

2,5 Точечн. Плоскостной

5 15155 2,5 Точечн. Плоскостной

4 Точечн. Плоскостной

Дополнительный контроль боковых рам с дефектами литья выявил высокий процент недобраковки из-за того, что при разрезке целых деталей дополнительно обнаруживаются усадочные раковины, растрескивания не видимые при осмотре. Но данные дальнейшей эксплуатации подобных боковых рам свидетельствует о том, что подавляющее большинство из этих дефектов являются пассивными источниками, а деталь пригодна к дальнейшей эксплуатации. Вывод из эксплуатации боковых рам с большинством дефектов литья (около 84 % исследованных боковых рам) является перебраковкой; в то же время визуальный контроль в настоящее время допускает недобраковку боковых рам по литейным дефектам, находящиеся в недоступных для осмотра местах боковых рам, в которых начали развиваться трещины.

Обработка полученных результатов показала, что даже опасные дефекты в деталях, подвергаемых АЭ диагностике, могут по разным причинам быть относительно слабыми источниками упругих волн, которые фиксируются приемниками. Это связано с достаточно большими зонами контроля, грубой структурой литого металла, расположением и видом источника АЭ на объекте контроля. Поэтому, фиксировать и анализировать следует все сигналы, не связанные с взаимодействием участков детали с нагружающим устройством.

Исходя из экспериментальных данных по контролю, определен критерий дефектности (1гр) локальных участков боковых рам:

1=ИАср>1кр, (2)

где N - число импульсов АЭ в ходе одного испытания из локального источника, Аср - усредненное значение амплитуды сигналов принятых ближайшим к источнику приемником.

Выбранный браковочный критерий 1Щ„ полностью обеспечивает идентичность результатов по исследованию участков наплавленных опорных поверхностей и заваренных дефектов. В случаях поиска и отбраковки трещин 4 из 49 обнаруженных трещин не определяются как дефектный участок, что снижает достоверность АЭ контроля до 81 %. Тем не менее, и в этом случае, достоверность результатов выше, чем при визуальном (73 %) или магнитном (71 %) контроле.

Проведение испытаний в условиях депо также позволило установить возможные варианты ложных сигналов, которые можно условно разделить на:

- электрические помехи, передающиеся по сети от проводимых рядом сварочных работ (помехи устранены заземлением и установкой специальных сетевых фильтров);

- помехи, возникающие при эксплуатации рядом с системой АЭ контроля различных механизмов (помехи полностью устраняются частотной фильтрацией записываемых сигналов);

- помехи от взаимодействия захватов нагружающих устройств с объектом контроля (они имеют конкретные области локализации, амплитудно-частотное распределение, скорость счета фиксируемых сигналов, что позволяет их отслеживать и даже обнаруживать дефекты находящиеся рядом с трущимися поверхностями нагружающего стенда и боковой рамы);

- единичные сигналы из зон контроля, уровень I которых ниже критического значения.

Все типы ложных сигналов распознаются при анализе результатов контроля оператором, первые два типа помех устраняются автоматически при соответствующей настройке системы.

Из результатов исследований видно, что АЭ метод имеет также более высокую надежность как по сравнению с феррозондовым методом, так и относительно визуального контроля в условиях депо, при выявлении усталостных трещин. Совместное применение АЭ диагностики и визуального контроля позволяет полностью (100%) выявлять усталостные трещины.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Произведена оценка влияния структурных и технологических факторов, возникающих при производстве и ремонте деталей подвижного состава, на акустические свойства металла, влияющие в свою очередь на параметры АЭ при проведении контроля литых объектов. Установлено, что увеличение среднего диаметра зерна в сталях повышает скорость продольной ультразвуковой волны и снижает скорости распространения поперечной и поверхностной ультразвуковых волн.

2. При АЭ контроле литых деталей подвижного состава в производственных условиях эквивалентная чувствительность составляет 0,1 мм" приращения усталостной трещины. Установлено, что при распространении волн АЭ от трещины с шириной, ограниченной толщиной образца излучаются продольные и поверхностные акустические волны. По волновым пакетам расчетным методом восстановлены диаграммы направленности излучения волн АЭ от усталостной трещиной. Максимальная энергия излучения для продольных ультразвуковых волн совпадает с направлением распространения трещины, максимальная энергия излучения для поверхностных волн перпендикулярна направлению распространения усталостной трещины.

3. Установлено, что погрешность при определении координат источника по одной координате максимально может достичь значений 50 мм. Колебания значений скорости распространения ультразвуковых волн в реальных литых объектах составляет около 6 % от общей погрешности, погрешность координат установленных приемников - до 44 %, погрешность связанная с фиксацией переднего фронта волнового пакета - 50 %.

4. Разработана методика проведения АЭ контроля литых деталей подвижного состава, и в частности - боковых рам грузовых вагонов. В ходе экспериментов установлены критические значения количества - N и средней амплитуды сигналов Аср, принятых от источника, являющиеся признаком наличия потенциально опасных дефектных участков в детали. Методика АЭ контроля боковых рам позволяет проводить поиск усталостных трещин, контроль качества наплавленных участков изнашиваемых поверхностей, контроль качества заварки допустимых дефектов, которые невозможно оценивать другими методами.

5. Около 82 % боковых рам отбракованных по наличию дефектов литья, наплавленных опорных поверхностей, заварке дефектных участков не имеют активных источников АЭ, дальнейший ввод части их в эксплуатацию не привел к созданию аварийных ситуаций в течении года. Использование АЭ метода позволило повысить выявляемость усталостных трещин на 8 %.

6. Метод АЭ контроля боковых рам грузовых вагонов внедрен в вагонном депо ст. Кемерово. Расчет эффективности внедренной методики по результатам контроля боковых рам (по итогам 1999 года) показал, что экономия средств от внедрения АЭ системы составляет - 630937 рублей в год. Срок окупаемости внедренного метода - 1,6 года.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. АЭ диагностика литых крупногабаритных деталей подвижного состава, котлов и цистерн / Муравьев В. В., Бояркин Е. В., Бобров А. Л. и др. // Сборник тез. докл. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» - Новокузнецк, 1997. - с.85.

2. Муравьев В. В., Бояркин Е. В., Бобров А. Л. Влияние средней величины зерна стали 45 и СтЗпс на скорость распространения ультразвука // Труды международ, науч.-техн. конф. "Научные основы высоких технологий", том 4 - Новосибирск, 1997 г. - с. 20-23.

3. Муравьев В. В., Бобров А. Л., Бояркин Е. В. Влияние величины зерна на скорость ультразвуковых волн в сплавах // Тез. науч.-техн. конф. "Проблемы прочности и усталостной долговечности материалов и конструкций" - Новосибирск, 1997 г. - с. 62.

4. Влияние высокотемпературной обработки на скорость ультразвука в сталях / В. В. Муравьев, К. Л. Комаров, А. Л. Бобров, Е. В.Бояркин. // Тезисы науч.-техн. конф. "Проблемы прочности и усталостной долговечности материалов и конструкций", Новосибирск, 3-5 сент 1997 г., с 198-199.

5. Муравьев В. В., Бобров А. Л., Бояркин Е. В. Влияние технологии производства на акустические свойства малоуглеродистых сталей // Сб. мат-лов отрасл. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении" - Ростов-на-Дону, 1998 г. - с. 36.

6. Особенности распространения ультразвуковых волн при АЭ контроле литых деталей / Муравьев В. В., Степанова Л. Н., Бобров А. Л., Бояркин Е. В. // Сб. мат-лов отрасл. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении " - Ростов-на-Дону, 1998 г. - с. 37.

7. Критерии дефектности крупногабаритных деталей тележки грузовых вагонов по результатам АЭ диагностики / Муравьев В. В., Бобров А. Л., Степанова Л. Н. и др. // Тез. науч.-техн. конф. «Транссиб-99» - Новосибирск, 1999 г.-с248.

8. Экспериментальное установление связи спектра сигналов АЭ с длиной усталостной трещины в стальных образцах / Серьезное А. Н., Муравьев В. В., Бобров А. Л. и др. // Дефектоскопия. - 1999. - № 2. - с. 73-78.

9. Связь спектра сигналов АЭ с процессом усталостного развития трещин в металлических образцах / Серьезнов А. Н., Муравьев В. В., Бобров А. Л. и др. // Контроль. Диагностика - 1999. - № 2. - с. 5-8.

10.Промышленные испытания ответственных объектов железнодорожного транспорта АЭ методом / Муравьев В. В., Степанова Л. Н., Бобров А. Л. и др. // Тез. 15 науч.-техн. конф. «Неразрушающий контроль и диагностика» - Москва, 28 июня - 2 июля 1999. - с. 195.

П.Муравьев В. В., Бояркин Е. В., Бобров А. Л. Влияние величины зерна сталей на скорость распространения ультразвука // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1999. - № 6. - с. 36-38.

12.Разработка и внедрение АЭ диагностики литых деталей подвижного состава / Муравьев В. В., Бобров А. Л., Степанова Л. Н. и др.// Материалы науч.-техн. конф. «Транссиб-99» - Новосибирск, 1999 г. - с 468-469.

1 З.Бобров А. Л., Муравьев В. В., Степанова Л. Н. Применение акустико-эмиссионного метода для контроля боковых рам грузовых вагонов //

Материалы науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы материаловедения» - Новокузнецк, 1999 г. - с 17. 14.АЭ контроль боковых рам и надрессорных балок грузовых вагонов / Е. В. Беспрозванных, В. В. Муравьев, Л. Н. Степанова, А. Л. Бобров - ИЛ/ Западно-Сибирская ж. д., ВЧД Кемерово; № 1791 (В 45), 1999. - 3 с.

Подписано в печать 25. 01. 99. Формат 60x84/16 Объем 1 п. л. Тираж 80 экз. Отпечатано на участке оперативной полиграфии издательства СГУПС с оригинал-макета автора

Введение

1. Состояние неразрушающего контроля литых деталей подвижного состава

1.1. Эксплуатационные особенности литых деталей тележек грузовых вагонов

1.2. Визуальный контроль деталей тележек грузовых вагонов

1.3. Использование магнитного и электромагнитного методов для контроля литых деталей тележек

1.4. Технические и технологические особенности акустико-эмиссионного метода контроля

1.5. Применение метода акустической эмиссии при контроле металлических объектов в различных областях промышленности

1.6. Применение метода акустической эмиссии при контроле объектов железнодорожного транспорта

Одним из главных аспектов повышения безопасности эксплуатации объектов железнодорожного транспорта служит освидетельствование деталей подвижного состава на предмет выявления опасных дефектов. Особенно важно использование неразрушающего контроля в ходе обыкновенного и полного освидетельствования при деповских периодических ремонтах деталей. В современной дефектоскопии используются ультразвуковой, магнитный, электромагнитный и визуальный контроль для обнаружения усталостных дефектов таких деталей, как колесо и ось колесной пары, деталей автосцепного устройства и тележки.

Внедрение неразрушающих методов контроля деталей подвижного состава проводится по двум основным направлениям: расширением спектра освиде-тельствуемых деталей; улучшением надежности и достоверности используемых методов контроля. В обоих случаях приходится сталкиваться с проблемой массивности деталей, которые нужно контролировать. Поэтому большинство методик проведения диагностики часто обладает довольно высокой погрешностью и нетехнологичностью. Основным недостатком этих методик является полное отсутствие прогнозирования поведения в ходе дальнейшей эксплуатации обнаруженных дефектов.

Контроль деталей подвижного состава также затруднен их сложной конфигурацией, низкой степенью обработки поверхности, которая подвержена де-фектообразованию. Дополнительным фактором, осложняющим контроль некоторых деталей (боковая рама, надрессорная балка и др.) является то, что они являются литыми, а, как известно, неоднородность структуры литого металла снижает достоверность контроля.

В связи с вышеуказанными обстоятельствами, целесообразен поиск новых способов контроля деталей подвижного состава, по возможности устраняющих или существенно снижающих недостатки существующих методов.

Одним из перспективных методов в настоящее время является акустико-эмиссионный (АЭ) метод неразрушающего контроля, позволяющий максимально исключить влияние субъективных оценок оператора в ходе определения дефектности объектов [1-3]. Достоинством данного метода, в первую очередь, выступает исключение трудоемкой операции сканирования участков крупногабаритных деталей. Еще одним достоинством метода АЭ является достаточно большое оценочное количество акустических параметров, определяемых за одни испытания, также метод позволяет проводить и локализацию сигналов, зафиксированных преобразователем. При обеспечении нагрузок контроля, близких к эксплуатационным нагрузкам, АЭ возникает только в тех локальных областях, которые действительно потенциально опасны для последующей работы детали.

АЭ метод контроля металлических объектов обладает рядом недостатков, связанных с тем, что современная аппаратура позволяет получать достаточно много акустической информации, интерпретация которой представляет определенную сложность.

В связи с вышесказанным повышение надежности и достоверности контроля деталей подвижного состава с помощью метода АЭ с привлечением дополнительных исследований свойств литых деталей подвижного состава является необходимой задачей, повышающей быстроту и эффективность контроля. При этом повышается информативность освидетельствования, что по данным [4] повышает достоверность результатов контроля.

Следует отметить, что до сих пор АЭ метод пока не нашел своего применения при диагностике деталей подвижного состава, как у нас в стране, так и за рубежом. Также до сих пор не разработаны технологии контроля литых объектов акустико-эмиссионным методом.

В настоящей диссертационной работе решается задача разработок новых методик оценки достоверности неразрушающего контроля литых деталей грузовых вагонов, определены критерии оценки конкретных деталей подвижного состава. Диссертация содержит пять глав.

Первая глава посвящена обзору современного состояния акустико-эмнссионного неразрушающего контроля металлических объектов, а также возможности его внедрения для диагностики литых крупногабаритных деталей подвижного состава. Во второй главе рассмотрены основные параметры акусти-ко-эмиссионного метода контроля заданных объектов, сформулированы факторы определяющие контролепригодность и параметры обеспечения достоверности результатов диагностики. Там же описываются методы и средства исследования структуры, физических и механических характеристик металлов, из которых изготавливают литые детали; технология проведения АЭ испытаний образцов при механических испытаниях, а также испытаний реальных объектов контроля - боковых рам. Третья глава посвящена исследованию чувствительности АЭ контроля боковых рам и надрессорных балок, а также анализу волновых пакетов и других параметров АЭ. В четвертой главе рассмотрены вопросы обеспечения точности локализации источников АЭ возникающих на литых деталях подвижного состава, проведен анализ факторов влияющих на точность локализации. В заключительной главе приведены данные по контролю литых деталей подвижного состава на примере боковой рамы в условиях депо, выявлены реальные дефекты. Здесь же рассмотрены достоверность результатов контроля различными неразрушающими методами, проведен металлографический анализ дефектных участков. В заключении подводится краткий итог проделанной работы, указываются основные результаты проведенных исследований.

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и электротехнологии» в НСДЦ СГУПС, часть экспериментальных исследований проводили на базе Сибирского НИИ авиации им. С. А. Чаплыгина. Испытания боковых рам проводили в вагонном депо ст. Кемерово.

За неоценимую помощь при проведении экспериментальной части работы и обработке данных автор выражает благодарность сотрудникам СибНИА им. С. А. Чаплыгина - Л. Я. Степановой, С. й. Кабанову, Е. Ю. Лебедеву и В. Л. Кожемякину.