автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Принципы построения системы диагностики литых деталей тележек грузовых вагонов

Международный межакадемический союз На правах рукописи

Комиссаров Александр Федорович

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада.

Москва 2013 г.

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель:

доктор технических наук, директор проектно-конструкторского бюро вагонного хозяйства -филиала ОАО «РЖД»

Иванов Александр Олегович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Спиридонов Эрнст Серафимович доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович

Защита состоится «2М • 2013 года на заседании диссертационного

совета Д.011.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.011.024.МАИ 032.

Автореферат разослан

22. ОН. 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Г.Е. Лазарев

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБго1°3Т£КА ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Одним из центральных вопросов в деятельности ОАО «Российские железные дороги» является обеспечение безопасности движения.

Особое внимание в проблеме безопасности отводится грузовому движению, так как основная его составляющая - грузовой вагон не оснащен датчиками, позволяющими мониторировать техническое состояние вагона, в первую очередь его ходовую часть, а также устойчивый контакт колесной пары с рельсовыми путями.

Эти, или близкие по задачам, функции выполняют постовые системы, разделенные между собой десятками и даже сотнями километров. При этом в процессе движения грузовых составов контролируются температура нагрева буксовых узлов (система КТСМ), целостность элементов подшипников по акустической информации (система ПАК), геометрия колесных пар на основании использования лазерных датчиков (система КОМПЛЕКС). Такие постовые системы в сочетании со стационарными диагностическими комплексами на основе ультразвука, вибрации, акустической эмиссии, магнитных полей, которыми оснащены все предприятия по ремонту подвижного состава, обеспечивают устойчивую эксплуатацию грузовых поездов.

Но за последние несколько лет из-за снижения качества вагонного литья участились сходы грузовых вагонов по причине излома боковых рам. Особенно показательным является 2012 год. В течение этого года произошел излом 23-х боковых рам. Из-за излома боковой рамы грузовой тележки на ВосточноСибирской железной дороге в январе 2012 года погибла локомотивная бригада в составе машиниста и помощника машиниста.

Основными предприятиями, изготавливающими и поставляющими отрасли боковые рамы низкого качества: ПАО «Кременчугский сталелитейный завод», ЧАО «Азов-Электросталь», ОАО «Алтай-вагон» и другие.

з

Статистика изломов литья показывает, что более 90 % изломавшихся за последние 12 лет боковых рам отлиты в 2000-е годы и на момент излома эксплуатировались не более 5 лет. Отчасти поэтому Ространснадзор в 2012 году прекратил действие своего предписания, предусматривающего запрет на продление срока службы литых деталей тележек грузовых вагонов.

В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируются десятки тысяч грузовых вагонов, укомплектованные тележками с боковыми рамами, изготовленные вышеназванными и другими сталелитейными предприятиями, где технология не гарантирует требуемого качества боковых рам.

В железнодорожных предприятиях имеется возможность при проведении освидетельствования или ремонта выявить потенциально ненадежные боковые рамы. В тоже время на сегодняшний момент не существует систем, которые в процессе движения грузовых составов могли бы идентифицировать потенциально ненадежные литые детали тележек грузовых вагонов, в первую очередь боковые рамы.

Эта задача предельно актуальна и требует своего скорейшего решения, на что и направлена данная работа.

Цели и задачи исследования.

Целью данного исследования является разработка принципов построения диагностической системы для идентификации потенциально ненадежных литых деталей тележек грузовых вагонов.

В связи с этим:

1. Показана значимость предложенного исследования.

2. На основе технического уровня диагностики в отрасли обоснованно выбран как основной метод - акустическая эмиссия (АЭ).

3. Предложена архитектура построения АЭ диагностики в постовом исполнении.

4. Предложена методика искусственного ускорения роста зарождающихся трещин путем увеличения внутренних напряжений в металле.

5. Обоснован переход на АЭ широкополосные датчики при диагностике для исключения «мертвых» зон.

6. Разработана технология получения АЭ портретов дефектов литых деталей в тележке путем совмещения диагностирования при прямом и косвенном контакте с изделием.

7. Разработаны основные требования к промышленному варианту постовой АЭ диагностической системы.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Выбор АЭ, как основного инструмента идентификации потенциально ненадежных деталей тележек в условиях эксплуатации грузовых составов.

2. Построение диагностических систем в постовом формате.

3. Возможность получения эффективного АЭ сигнала путем косвенного контакта с диагностируемым изделием.

4. Формирование базы данных АЭ портретов дефектов литых деталей тележек путем совмещенной диагностики при прямом и косвенном контактировании с диагностируемым изделием в условиях движения грузовых составов.

5. Переход на широкополосное сканирование при диагностике взамен малоэффективного резонансного метода.

6. Повышение достоверной диагностики путем искусственного увеличения скорости роста зарождающегося и имеющегося дефектов в структуре металла.

7. Алгоритм идентификации литых дефектных деталей тележки грузовых вагонов.

Практическая значимость работы.

В процессе выполнения исследования организован и работает в экспериментальном режиме участок диагностирования качества литых деталей тележек грузовых вагонов. Разработаны принципы и основные требования для создания постовой АЭ диагностической системы.

Структура и объем работы.

Научный доклад состоит из четырех глав, заключения, списка научных трудов по выполненной теме и списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА.

Гпава /. Постановка задачи.

Метод акустической эмиссии (АЭ) основан на регистрации ультразвуковых волн, генерируемых развивающимися дефектами (трещинами). Так как трещины развиваются под воздействием внутренних напряжений, то к диагностируемому объекту необходимо приложить определенную внешнюю нагрузку.

Нагрузку выбирают несколько выше номинальной, но ещё достаточно далёкой от значений, приводящих к разрушению объекта диагностирования.

Этот метод реализован в ряде проектов, связанных с диагностикой колёсных пар и боковых рам тележек грузовых вагонов.

Разработка АЭ системы для диагностики колесных пар в условиях пригородных депо (Рис. 1) прошла несколько стадий экспериментальных исследований.

Рис.1

Диагностика колесных пар при статических нагрузках (Рис. 2а) показала, что в этом варианте имеются мертвые зоны. В которых зарождающиеся трещины не могут быть выявлены. Диагностика колесных пар при

динамическом нагружении, с использованием дистанционного снятия информации (Рис. 26) является крайне нестабильной и требует постоянного контроля и поднастройки зазора между двумя разделенными АЭ датчиками.

Исследования показали, что необходимо в данной системе сохранить динамическое нагружение и при этом предложить вместо дистанционного снятия информации использовать классический единый АЭ датчик. Такая схема была разработана (Рис. 2в). В этом варианте привод колесной пары исполняет одновременно две функции: вращение колесной пары и регламентированное ее нагружение.

Рис.2в

Проблема получение системы снятия устойчивой информации была решена путем вмонтирования АЭ датчиков в неподвижные центры, в которых вращаются установленные диагностируемые колесные пары.

Разработка АЭ системы для диагностики боковых рам и надрессорных балок грузовой тележки представляет собой комплекс (рис.3), включающий испытательную многоканальную информационно-измерительную АЭ систему, состоящую из двух частей.

Рис.3

Комплекс включает в себя:

- нагрузочный стенд, предназначенный для создания испытательной нагрузки контролируемых объектов (боковых рам и надрессорных балок);

- аппаратную часть, предназначенную для выявления (обнаружения) дефектов методом акустической эмиссии, регистрации, определения координат и классификации обнаруженных дефектов по степени опасности для дальнейшей эксплуатации контролируемого объекта.

Нагрузочный стенд включает в себя гидростанцию, пресс, домкрат, привод передвижного портала и обеспечивает следующую испытательную нагрузку:

на надрессорную балку, Тс, не менее 65

на боковую раму в рессорном проеме (вертикально), Тс, не менее 32,5

На боковую раму в буксовых проемах (горизонтально), Тс, не менее 9,5

Аппаратная часть имеет:

- Число измерительных каналов на одну линию от 1 до 12

- Число используемых измерительных каналов 11

- Применяемые АЭ датчики общего применения GT 200 и R 15

- Программируемый диапазон изменения

коэффициента усиления, дБ от 20 до 60

- Уровень приведенного ко входу шума, мкВ, не более 5

- Полоса пропускания измерительного тракта, кГц от 30 до 500

- Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, дБ, не более +1

- Динамический диапазон измерения

амплитуды АЭ сигнала, дБ, не менее 72

- Частота преобразования АЦП, МГц 1

- Разрядность АЦП, бит 14

- Напряжение питания, В

-220 + 20

- Погрешность определения координат источников сигналов акустической

Анализируя результаты испытаний этих двух АЭ систем были сделаны выводы, определившие дальнейший ход исследования:

- датчики общего применения GT 200 и R 15 не обеспечивают устойчивую передачу акустической информации и не могут рассматриваться как базовые в данном исследовании.

- стационарные АЭ установки показали возможность проведения диагностирования деталей с повторением положительных результатов, как при непосредственном контакте датчика с объектом контроля, так и через промежуточное металлическое тело (ось и колеса колёсной пары, рельс и другие комплектующие элементы тележек грузовых вагонов).

эмиссии в объекте контроля

- Частота тока питания, Гц

- Потребляемая мощность, Вт, не более

+ 50 мм.

50+1

500

Глава 2. АЭ датчики для диагностики литых деталей тележек грузовых вагонов.

Анализ АЭ датчиков СГ-200 и Я-15, а так же исследование и выбор оптимальных конструкций современных датчиков основываются исключительно на понимании физики процессов дефектообразования и развития в конкретном материале диагностируемого изделия.[1]

Боковая рама вагонов, применяемая в железнодорожном транспорте, изготавливается из стали 20ГЛ. Данный вид стали относится к углеродистой феррито-перлитной стали средней прочности с хорошей хладостойкостью и вязкостью разрушения, определяемой особенностями микроструктуры и значительной долей вязкой ферритной и компоненты в ней. Структура данной промышленной стали достаточно сложна и характеризуется большим количеством компонент, отличающихся характерными размерами и свойствами. Взаимодействие между этими компонентами структуры определяет отклик стали на различные виды воздействия, от статического до ударного, при разных температурах. Основными, но не единственными, элементами микроструктуры являются

1) Развитые ферритная и перлитная фазы

2) Дендриты

3) Поры, образовавшиеся при кристаллизации стали в междендритном пространстве

4) Хрупкие частицы и включения: Сульфиды (марганца), и сложные карбиды и оксиды (алюминия)

5) Значительная неоднородность распределения элементов по объему и соответствующая неоднородность состава и свойств, вызванная промышленной технологией изготовления

При статическом и ударном нагружении при комнатной температуре, как принято в большинстве практических испытаний новых, либо отремонтированных боковин, разрушение происходит по вязко-хрупкому

механизму с образованием развитой ячеистой субструктуры и существенной ролью дислокационной активности, благодаря запасу пластичности стали.

В процессе инициации разрушения принципиальную роль играют хрупкие включения, которые либо разрушаются сами либо инициируют трещины расслоения в матрице. В ходе распространения, трещина взаимодействует как с несплошностями, неметаллическими включениями, перлитной фазой и т.д., что приводит к скачкообразному росту с чередой «прыжков и остановок», а так же к ветвлению и блокировке трещин.

Наличие в структуре неизбежных хрупких неметаллических включений, несплошностей, дендритов и цементной фазы со сложной пространственной конфигурацией снижает локальную пластичность стали, а неоднородность распределения структурных компонент ведет к значительной непредсказуемости и неповторяемости локального процесса разрушения даже в одинаковых условиях испытаний. Данное обстоятельство должно в явном виде учитываться при разработке регистрирующей АЭ аппаратуры, прежде всего, датчиков и диагностирующих алгоритмов.

Боковины, прошедшие период эксплуатации под нагрузкой, кроме всего прочего подвержены старению, потере пластичности, и формированию микроскопических усталостных трещин, для появления которых в структуре есть очень много концентраторов напряжений от включений до дендритов и границ раздела фаз. Усталостные трещины распространяются от поверхности рамы вглубь, как правило по участкам междендритной несплошности и при участии окислов и коррозионных процессов.

Даже данный очень краткий обзор структуры и процесса разрушения стали говорит о достаточно сложном и многохарактерном процессе разрушения, в котором участвуют много взаимодействующих механизмов, приводящих к сложному широкополосному сигналу АЭ от всего комплекса дефектов. Соответственно, эффективная система диагностики движущихся дефектов типа трещин в процессе механических испытаний должна быть

адекватной физике процессов зарождения и распространения трещин в данной стали.

Характеристики применяющегося на сегодняшний день датчика GT200 (функциональный аналог датчика R15 общего применения фирмы Physical Acoustic Corporation, USA) приведены на рисунке. Данный датчик является типичным резонансным, с ярко выраженным пиком чувствительности в районе 100 кГц (производитель говорит от 165 кГц, хотя отклик датчика говорит скорее о 100 кГц)

- датчик GT200

датчик R15

ЧАСТ ОТЛ.яГщ

Таким образом, единственной характеристикой сигнала, снимаемого с выхода данного датчика является амплитуда, которая правильно характеризует только дефекты, генерирующие АЭ сигнал в заданной узкой полосе частот, соответствующей резонансу. Таких дефектов в металлах не существует вообще, поскольку все они имеют свойство эволюционировать под нагрузкой, что приводит к изменению их свойств и, соответственно, частотных спектров излучаемых АЭ сигналов. Все дефекты генерируют как правило широкополосные сигналы и принципы распознавания сигналов от различных дефектов строятся исключительно на анализе волновых форм и соответствующих Фурье (или Вейвлет) спектров, что совершенно невозможно при узкополосной регистрации сигналов. Кроме того, при такой записи, даже по амплитуде не возможно определить степень опасности развивающегося дефекта. Например, сильно локализованная, но не очень опасная, пластическая деформация в ферритной фазе будет приводить к сигналам с максимумом в спектре как раз в районе 100 кГц, а быстро растущая трещина по хрупким

включениям будет характеризоваться существенно более высокими частотами, в районе 1000 кГц, не говоря уже о разрушении маленьких включений, с которых чаще всего и начинается процесс формирования макротрещины.

Таким образом, опираясь на данные такого датчика разработчик вынужден:

а) говорить с некоторой (неопределенной строго) долей уверенности только о самых крупных трещинах, не говоря ничего об их размерах и степени опасности;

б) использовать только частичную информацию о дефекте, что снижает достоверность принятия решения по сигналу АЭ, сводя метод, по сути к пруф-тесту, что крайне неэффективно с учетом отмеченной выше технологической неоднородности структуры и индивидуальности процесса разрушения; с) устанавливать высокий уровень порога регистрации АЭ, для того , что бы избавиться от технологического шума, снижая тем самым, чувствительность к небольшим трещинам и другим дефектам. Шум при этом не может быть полностью подавлен и определить признаки механических шумов в сравнении с АЭ сигналом от дефекта не возможно;

д) не использовать современные методы обработки сигнала.

С учетом развития электронной и вычислительной базы АЭ, современной альтернативой резонансной регистрации становится широкополосная регистрация, ранее применявшаяся преимущественно в исследовательских лабораториях. Типичным широкополосным датчиком АЭ является преобразователь МБАЕ-ПОО^В фирмы ^ПсговепБогв АЕ (Россия) с достаточно равномерной АЧХ до 1500 кГц и пиком чувствительности в районе 1300 кГц.

Гг«чсвосу (НН*)

Использование подобного преобразователя не только значительно повышает чувствительность метода в интересующем диапазоне частот в районе 1000 кГц для регистрации активных хрупких трещин, но предоставляет разработчику АЭ метода новые широкие возможности использования беспороговых методов регистрации АЭ в широком диапазоне частот и применения современных математических алгоритмов распознавания образов для достоверного выделения АЭ сигналов на фоне шума, дискриминации источников АЭ и принятия автоматических решений в реальном времени без экспертной человеческой оценки.

Глава 3. Разработка схем передачи и приема АЭ сигналов в условиях постовых систем диагностики.

Колесные пары тележек грузовых вагонов воспринимают и передают на рельсы нагрузку в виде массы кузова и тележек, грузового наполнения самого вагона. При движении грузового состава каждая колесная пара, взаимодействуя с рельсовым полотном, воспринимает удары от неровностей пути и направляющей силы, и в свою очередь, сама жестко воздействует на путь. Кроме того, колесная пара передает вращающий момент тяги, и в зоне контакта колеса с рельсом реализуются силы тяги и торможения.

Схема передачи АЭ сигнала без непосредственного контакта датчика с диагностируемой колесной парой была реализована в стационарном диагностическом комплексе (рис.4)

АЭ сигнал, генерируемый развивающейся трещиной в колесе 1, передается через технологическое отверстие оси 2 вращающейся колесной пары к неподвижному центру 3, пиноли 4, в который имплантирован датчик 5.

5

Рис.4

Данная схема передачи и приема АЭ сигнала оказалась более приемлемой для практической реализации, чем конструктивный вариант с использованием разрезного датчика (рис. 5).

В этом варианте одна часть датчика I, передающего информацию монтируется в технологическом отверстии оси вращающейся колесной пары 2, другая часть датчика 3, принимающего информацию, крепится на внутренний поверхности корпуса буксового узла 4. Причем прием, передача и питание данной конструкции датчика осуществляется путем взаимодействия их электромагнитных полей.

Исходя из задачи диагностики боковой рамы тележки в процессе движения грузового состава, разработана и испытана схема передачи и приема АЭ сигнала без непосредственного контактирования датчика с диагностируемой боковой рамой (рис. 6).

1 3

Рис.5

7Г ^

Рис.6

Трещина в боковой раме 1 генерирует АЭ сигнал, который последовательно воспринимается корпусом буксового узла 2, подшипником 3, осью 4, колесом 5 вращающейся колесной пары и передается через рельс 6 АЭ датчику 7.

Для этой схемы используется формула расчета длины линии затухания АЭ сигнала. [2]

1 / 2 с2\1/4 •

-=\г! +5} -бш

0,5 •

\Т])

(т/2 + •

бш 0,5 •arctg

/ =

{о)2Ь0С0 - Я0О0)2 {со{Ь0С0 + Я0С0• б! п] 0,5 • агс1ё

й)-{ь0в0 +/?0С0) <у2 • Ь0С0 - Л0О0 _

где / - длина затухания АЭ сигнала

¿> =«(/.„ С0+Д0С0) 7 = <у2 ¿0 С0 - Л0О0 ,

где ¿0,С0,Л0,О0 - в данном случае удельная индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость изоляции рельса относительно грунта на единицу длины бездефектного пути; ш - частота сигнала.

где г - характерный поперечный размер рельса (-10 см), рц, а -магнитная проницаемость и удельная проводимость стали.

где к - коэффициент, характеризующий качество контакта колеса с рельсом, ст, - удельная проводимость контактного узла, Л - длина волны.

Несмотря на удовлетворительные результаты расчета не удалось в эксперименте достигнуть устойчивого уровня АЭ сигнала.

Получение устойчивой АЭ информации, близкой к расчетной чувствительности (временное разрешение от 1 мкс и динамический диапазон до 70 дБ) удалось добиться путем конструирования рельса с искусственным препятствием в виде возвышения - трамплина.

Экспериментально был определен профиль трамплина, который увеличивал нагрузку на колесную пару. (Рис.7)

Рис.7

Такие трамплины крепились специальными струбцинами к рельсам. (Рис.8)

Рис.8

В целом рельсовый путь после окончательного монтажа представлял собой многокаскадный трамплинированный тракт. (Рис. 9)

Рис.9

При первичном проезде грузового вагона по гладкому рельсовому пути (при отсутствии трамплинов) величина генерируемого АЭ сигнала не превышала 20 дБ. (Рис. 10)

! 1 ; Ц 1 ' „1 1 \ i.......... 1 I 1 1 11> 1 1 .III

И I 1 !' I • Г t ! " i | f i

к«4 2 4 6 в Time, l/s 10 12 14 ie

\ | 1 uLi » J1 t r , , 1 ___________ _. 1

-Т1- - 1 . ,1 ___________

0 4 0 8 Time, t/s 10 12 14 1в

_J 1 .i-.ь Lki 1L

т .....1 'f flp |l 1 rwl^* >' 1 i i i

0 *104 4 в в Time, t/s 10 12 14 1в

mkl 1 1 | < < i U* I И In I I

ft] 1 .. и*

Time, I/»

АЭ сигналы, снимаемые с датчиков 1, 2, 3, 4 при проходе вагона по гладкому пути Рис.10.

Рельсовый путь, оформленный в виде многокаскадного тракта, в отличие от гладкого рельса, дал устойчивые результаты по приему АЭ сигналов (не менее 70дБ). При этом эксперименте тележка, въезжая и спускаясь с трамплина, создает дополнительную знакопеременную нагрузку на боковую раму, что стимулирует увеличение внутренних напряжений, которые в свою очередь влияют на подвижность, как зарождающихся, так и уже дислоцируемых внутри металла аномалий.

Такая информационная насыщенность сигнала (рис. 11) позволила приступить непосредственно к разработке принципиального построения АЭ системы для диагностики литых деталей тележек, в первую очередь боковой рамы грузового вагона.

АЭ сигналы, снимаемые с датчиков 1, 2, 3, 4 при проходе вагона по трамплинному тракту Рис.11.

Глава 4. Принципы построения АЭ диагностической системы. Особенности, структура и алгоритм.

Отличительные особенности АЭ диагностических систем, которые должны создаваться для промышленной реализации:

• интегральность;

• функционирование в режиме реального времени;

• интегрируемость в стационарные и бортовые диагностические системы;

• обнаружение развивающихся дефектов;

• регистрация развивающихся дефектов;

• локационное определение координат трещин;

• высокая чуствительность - временное от 1 мкс и динамический диапазон до 110 дБ;

• высокая производительность соотношения (эффективность) стоимость.

Возможности системы, которые могут быть реализованы:

- статистический анализ временных рядов;

- спектральный Фурье анализ;

- быстрое преобразование Фурье;

- методики сравнения спектров и распознавания образов;

- методики определения времени прихода сигналов;

- методики распознавания сигналов под шумом;

- методика очистки сигнала от шума.

Состав системы.

1. Портативный супер компьютер.

2. Четыре АЭ датчика М8АЕ-1300-\УВ фирмы МкгоБепБОГБ АЕ (Россия).

3. Устройство сбора и обработки информации.

4. Сервер с базой данных АЭ портретов.

5. Трамплинный тракт.

6. Монитор.

7. Рельсовый участок длиной 25 метров.

В процессе ведения работ был сформирован банк данных наиболее распространенных дефектных признаков литых деталей тележек грузовых вагонов. Для чего на Горьковской железной дороге - филиале ОАО «Российские железные дороги» организован испытательный полигон. Основу полигона составил рельсовый путь длиной 25 м, пристыкованный к стандартной железнодорожной нитке.

На поверхности рельсов спрофилированы трамплины, создающие дополнительное напряжение в литых деталях грузовой тележки для интенсификации роста, как имеющихся, так и для зарождающих трещин, а на боковой поверхности рельсов устанавливается четыре АЭ датчика М8АЕ-1300-с равным удалением друг от друга.

Для проведения исследований был сформирован грузовой поезд, вагонные тележки которого имели бракованные колёсные пары и боковые рамы.

Под грузовые вагоны подкатывались тележки с колёсными парами, колёса которых имели ползуны, трещины на поверхности катания, оси с трещинами, боковины рам с внутренними и на внешней поверхности трещинами.

В локомотиве грузового состава размещалась измерительная аппаратура, которая предназначалась для съёма информации с АЭ датчиков М8АЕ-1300^В, закреплённых на поверхности боковой рамы тележки и с таких же датчиков, установленных на рельсах снималась информация системой, размещенной в стационарном помещении.

При движении грузового поезда со скоростью 15 км/час производился съём информации с датчиков установленных на боковой раме и одновременно с датчиков размещенных на рельсах, когда вагон проходил над ними.

Формирование АЭ образов дефектов литых деталей осуществлялось в следующей диагностической последовательности:

о годная боковая рама - ползун на поверхности катания колеса; о годная боковая рама - трещина в колесе; о трещина в боковой раме - годная колесная пара. Полученные АЭ сигналы представлены на рисунках 12, 13, 14. Годная боковая рама - ползун на поверхности катания колеса. На рис.12 а покакзан сигнал на датчике рельса, на рис. 12 б - сигнал на датчике боковой рамы, на рис.12 в - кластер ползуна.

«м*

о

Рис. 12а

5 040 БМВ 506 ВОЮ Б 064 5 ОМ 6 06в 6 00 6 С 2 5

Рис. 126

1 5

06

О

10 12 14

110*

Рис. !2в

Годная боковая рама - трещина в колесе На рис.13 а покакзан сигнал на датчике рельса, на рис. 13 б датчике боковой рамы, на рис.13 в- кластер трещины в колесе.

- сигнал на

Рис. 13в

Трещина в боковой раме - годная колесная пара.

На рис.14 а покакзан сигнал на датчике рельса, на рис. 14 б - сигнал на датчике боковой рамы, на рис.14 в- кластер трещины в боковой раме.

х 10*

Рис. 14в

Проведенные диагностические процедуры позволили получить АЭ портреты дефектов в бракованных боковых рамах и колёсных парах, включая кластеризацию возникновения трещин.

Это позволило сформировать базу данных. Имея такую системно-архивированную структуру данных, которая при дальнейшей работе будет постоянно уточняться и наполняться новой АЭ информацией, был предложен и опробован с положительными результатами алгоритм идентификации браковочных признаков литых деталей грузовой тележки.

Алгоритм функционирования постовой АЭ диагностической системы (рис.15) предусматривает первоначально идентификацию грузового состава,

вагонов, тележек и колёсных пар. Идентификация решается путём привязки натурного листа грузового поезда к диагностической системе с использованием магнитных педалей, количество которых будет равно или превышает число АЭ датчиков в системе.

Предложенный алгоритм предусматривает отрицательный результат диагностики, в случае даже когда один из четырёх датчиков даёт отрицательный результат, но при этом автоматически проверяется работоспособность данного датчика.

Рис.15

Построение постовой АЭ диагностической системы с применением определенного числа датчиков (в данном исследовании 4-х) и массовый характер идентификации однотипных деталей узлов в режиме Online позволяют использовать специфику кластера для углубленного процесса диагностики зарождение и развития трещин.

Этот программный прием не только повышает стратегическую достоверность диагностического процесса за счет одновременно-синхронной и сопоставительной обработке данных, снимаемых с 4-х АЭ датчиков, но и позволяет определять функциональную и инструментальную работоспособность этих датчиков.

Приведенная блок-схема (рис.16) реализована в экспериментальном варианте и ее испытание позволили выработать технические требования при разработке серийного образца АЭ диагностической системе.

РЕЛЬС С АЭ ДАТЧИКАМИ

ГШ

ФИЛЬТРАЦИЯ

И I I

ОЧИСТКА СТАЦИОНАРНОГО ШУМА

1111111111111111

АЦП

1111111111111111

КОНВЕЕРНАЯ ОБРАБОТКА

1

Рис.16

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Показана значимость предложенного исследования.

2. На основе технического уровня диагностики в отрасли обоснованно выбран как основной метод - акустическая эмиссия (АЭ).

3. Предложена архитектура построения АЭ диагностики в постовом исполнении.

4. Предложена методика искусственного ускорения роста зарождающихся трещин путем увеличения внутренних напряжений в металле.

5. Обоснован переход на АЭ широкополосные датчики при диагностике для исключения «мертвых» зон.

6. Разработана технология получения АЭ портретов дефектов литых деталей в тележке путем совмещения диагностирования при прямом и косвенном контакте с изделием.

7. Разработаны основные требования к промышленному варианту постовой АЭ диагностической системы.

8. Выбрана АЭ, как основной инструмент идентификации потенциально ненадежных деталей тележек в условиях эксплуатации грузовых составов.

9. Выстроены диагностические системы в постовом формате.

10. Выделены эффективные АЭ сигналы путем косвенного контакта с диагностируемым изделием.

11. Сформированы базы данных АЭ портретов дефектов литых деталей тележек путем совмещенной диагностики при прямом и косвенном контактировании с диагностируемым изделием в условиях движения грузовых составов.

12. Реализован переход на широкополосное сканирование при диагностике взамен малоэффективного резонансного метода.

13. Повышена достоверность диагностики путем искусственного увеличения скорости роста зарождающегося и имеющегося дефектов в структуре металла.

14. Разработан алгоритм идентификации литых дефектных деталей тележки грузовых вагонов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Комиссаров А.Ф. Во избежание тяжелых последствий. Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» №1, 2007 г., г. Москва

2. Комиссаров А.Ф. Основная цель - безопасные условия труда. Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» №4, 2007 г., г. Москва

3. Комиссаров А.Ф. Шире внедрять ресурсосберегающие технологии. Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» №2, 2008 г., г. Москва

4. Комиссаров А.Ф. Развитие конкурентного рынка грузовых перевозок. Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» №4,2008 г., г. Москва

5. Комиссаров А.Ф. Усиливать контроль. Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» №1, 2010 г., г. Москва

6. Комиссаров А.Ф. Автоматизированный диагностический комплекс для измерения геометрических параметров колесных пар. Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» №1, 2011 г., г. Москва

7. Комиссаров А.Ф. Анализ акустоэмиссионных диагностических систем, применяемых в железнодорожной области. ДЦНТИ, 2011 г., г. Н.Новгород

8. Комиссаров А.Ф. Датчики акустической эмиссии нового поколения ДЦНТИ, 2011 г., г. Н.Новгород

9. Комиссаров А.Ф. Принципы передачи и съема акустической информации при диагностики боковых рам тележек грузовых вагонов ДЦНТИБ, 2012 г., Н.Новгород

10. Комиссаров А.Ф. Принципы построения постовых систем для диагностики литых деталей ДЦНТИБ, 2012 г., Н.Новгород

Список использованной литературы

1. Виноградов А.Ю. Акустическая эмиссия. Труды Тольяттинского Государственного университета. 2011 г.

2. Виноградов А.Ю. Проблемы разрушения и анализ механизмов акустической эмиссии в сталях, применяемых в железнодорожной отрасли. Отчет ОАО «Центра программных разработок» г. Саров, 2011 г.

3. И.И. Елисеева, М.М. Любашев. Общая теория статистики. Ж. «Финансы и статистика». М. 2002 г.

4. В.М. Гусаров. Теория статистики. Ж. «ЮНИТИ». М. 2001 г.

5. V.V. Murav'ev, M.V. Murav'ev, and T.V. Murav'ev. The Possibilities jf Acoustic Emission Testing of Rails during Exploitation. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2008, Vol. 44, No 1, pp. 35 - 40.

6. V. Muraviev, T. Muraviev. Diagnostics of Railway Objects using Acoustic Emission Technique. NDT for Safety. Nov. 07 - 09, 2007, Prague, Czech. Rep.

7. D.V. Fedorov. Determination of the Effectiveness of Lubricants for Locomotive Bearing Units by Means of the Acoustic - Emission Method. Russian Journal ofNondestructive Testing, 2003, Vol. 39, No 3, pp. 198 - 200.

2012499780

2012499780