автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка режимов магнитопорошкового контроля на основе коротких соленоидов с учетом динамических характеристик индикатора дефектоскопа

На правах рукописи

КАШКА Владимир Сергеевич

РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ МАГНИТОПОРОШКОВОГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ КОРОТКИХ СОЛЕНОИДОВ С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЦДИКАТОРА ДЕФЕКТОСКОПА

Специальность 05.11.13 — «Приборы й методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

ОМСК *200б

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор АХМЕДЖАНОВ Равиль Абдрахманович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент ГЛУХОВ Владимир Иванович; кандидат технических наук КРАВЧЕНКО Георгий Иванович

Ведущая организация:

Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС, г. Екатеринбург).

Защита состоится 29 декабря 2006 г. в 1401 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при Омском государственном техническом университете (ОмГТУ) до адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, 8-ой корпус, ауд. 421, тел./факс (3812) 65-33-13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан.?*^ гС£) ф 2006 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу диссертационного совета Д 212.178.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, , >

доцент М. Ю. Пляскин

© Омский гос. университет путей сообщения, 2006

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и предмет исследования. Распространению магнитолорошкового контроля (МПК) на железнодорожном транспорте способствовало удовлетворительное сочетание требований, предъявляемых к качеству контроля, и физических характеристик самого метода. Существенными преимуществами метода являются наглядная картина индикации и высокая чувствительность. С помощью МПК можко проверять большие площади объектов, он прост в исполнении. Однако реализация преимуществ возможна только при точном и тщательном выполнении-технологических операций. Кроме того, должны соблюдаться требования к размерам и качеству частиц магнитного. индикатора, расположению объекта контроля по отношению к намагничивающему полю, режимам сканирования и т. д.

Деповская штатная технология мапштопорошкового контроля является в основном «ручной», она, а также ее оборудование и оснастка не совершенствуются более 40 лет. Контроль при этом требует больших временных затрат. Например, по результатам анализа статистического материала, собранного в вагонных и локомотивных депо Омского узла Западно-Сибирской железной дороги (рис. 1, 2), вид но, что среднее время на контроль средней части вагонной оси составляет 14,3 мин. со средним квадрагическим отклонением о, равным 4,6 мин., и шеек оси соответственно - 10,1 и 0,8 мин., что превышает установленные нормативы.

Контроль без межоперацнонного и подготовительного ручного труда

Контроль "ручной" ВЧД и ЛВЧД

Контроль "ручной" ТЧ

18 22 26 30 мни. Временной интервал Тер = 6.5 мин. Тср=14,33 мин. Тср =35,2мнн.

Рис. 1, Гистограммы времени магнитопорошкового контроля средней части оси колесной пары

Особенно актуальна проблема излишних затрат времени на контроль в вагоняо-ко лесных мастерских (ВКМ), например в В КМ ст. Иртышское ОАО

«РЖД» с программой выпуска колесных пар 50 тыс. штук в год. Здесь контроль колесной пары на отдельном рабочем месте должен быть выполнен за 8,5 мин., что потребует повышения производительности такого контроля по сравнению со штатной существующей технологией контроля в три, а с учетом разброса - в

четыре раза.

35

о и

'25

| 20

о 15

е-

т 10

5

0

-

т

Контроль без межоперацнонного и подготовительного ручного труда

Контроль "ручной" ВЧДнЛВЧД

Контроль "ручной" ТЧ

дазвьг...........-

¡В?

1

Временной интервал ф-'*

Т^ = 8,2 мин. ■

Рис. 2. Гистограммы времени магнитопорошкового контроля шеек оси колесной пары

Кроме того, необходимо учесть непривлекательный характер труда де-фектоскописта; наряду с обилием ручных монотонных манипуляций он требует предельной концентрации внимания, ответственности в принимаемых решениях. У дефектоскописта накапливается усталость, н вероятность отрицательного, влияния субъективного фактора увеличивается — падает достоверность контроля, поэтому повышение производительности контроля с обеспечением"сохранения существующего уровня достоверности является проблемой актуальной и ее решению посвящена настоящая диссертационная работа.

Теоретические и экспериментальные исследования выполнены с учетом результатов основополагающих работ Р. И. Януса, Н. И. Еремина, А. В. Жнгад-ло, А. Г. Александрова, П. А. Халилеева, В. Е. Щербинина, Э. С. Горкунова, Г. С, Шелнхова, М. А. Розенблата, С. В. Вонсовского; К. М. Поливанова; У. Ф. Брауна; И. И. Кифера, Б. М. Яновского, С. Тикадзуми и др.

Целью работы является разработка способов повышения производительности магнитопорошкового контроля колесной пары железнодорожного вагона на базе штатного оборудования при сохранении существующего уровня достоверности. Достижение указанной цели возможно лишь путем автоматизации магнитопорошкового контроля в условиях депо и В КМ.

Задачи исследования. Анализ путей автоматизации МПК оси колесной пары показал, что для достижения поставленной цели исследованию должны быть подвергнуты следующие технологические аспекты и режимы контроля.

1. Расположение объекта контроля в соленоиде. Необходимо поверхность оси установить в зоне намагничивания, создающей наибольшую напряженность поля рассеяния над дефектом.

2. Траектория и скорость перемещения соленоида относительно объекта контроля. Длина намотки соленоида значительно меньше длины оси, что создает необходимость перемещения намагничивающего устройства. Из-за сыпучести магнитного порошка контроль всей поверхности может быть обеспечен только при поворотах оси. Скорость поступательного движения соленоида и возможные режимы вращения оси колесной пары обусловливаются временем формирования индикаторного рисунка ферромагнитными частицами.

В такой постановке требуется решение следующих задач:

1. Уточнение математической модели магнитного поля кругового тока. Модель будет основой при описании магнитного поля соленоидов штатных дефектоскопов и магнитного поля цилиндра — оси колесной пары вне зон действия краевого эффекта.-

2. Построение математических моделей магнитного поля соленоида и намагниченной в остаточном попе оси колесной пары. Модель магнитного поля соленоида позволит построить топографию напряженности и на основе полученных данных обосновать наилучшее положение в нем объекта контроля. Модель намагниченной оси будет положена в основу исследования динамики ферромагнитной частицы.

3. Исследование магнитных характеристик осевой вагоннойстали (ОсВ), включающее в себя разработку математических моделей, аппроксимирующих кривую первоначального намагничивания и петлю магнитного гистерезиса. Модели позволят определить плотность магнитного заряда на стенках возможного нарушения сплошности материала при различной величине напряженности внешнего магнитного поля и описать ее изменение при воздействии на деталь переменным магнитным полем. Это необходимо при обосновании расположения оси в соленовде и анализе динамики ферромагнитной частицы.

4. Исследование динамики ферромагнитной частицы в поле рассеяния поверхностной несплошности материала. Получив траекторию движения ферромагнитной частицы, а, следовательно, и время формирования индикаторного рисунка, представляется возможным обосновать траекторию и скорость перемещения соленоида относительно объекта при сохранении существующего уровня достоверности контроля.

5. Разработка автоматизированного оборудования магнитопорошкового контроля в условиях депо и В КМ. Повышение производительности магнитопорошкового контроля с гарантированным сохранением существующей достоверности возможно лишь за счет автоматизации всех технологических переходов, при этом за человеком остается только работа по анализу магнитных индикаций.

Методы исследования и достоверность результатов. Теоретические и экспериментальные исследования производились с применением теории электромагнитных полей и физики ферромагнитных явлений. Использованный математический аппарат включает в себя теорию вероятностей, векторпый анализ, методы решения нелинейных дифференциальных уравнений и различного рода аппроксимации. Расчеты и построения математических моделей производились на современных ЭВМ посредством программ Mathematics, MathCAD, Statistics Конструкторская часть выполнялась в среде Для твердотельного моделирования «KoMnac-3D». Достоверность полученных результатов обуславливается применением в качестве основы расчетов законов и выражений, соответствующих существующему уровню знаний и достижений в данной области науки и доказывается экспериментально разработанным оборудованием на образцах с моделями дефектов в виде нарушения сплошности материала.

Научная новизна.

1. Рассчитаны динамические характеристики'частиц магнитного порошка при формировании индикаторного рисунка дефекта для магнитопорошкового контроля способами приложенного поля и остаточной намагниченности.

2. Получена математическая модель магнитного поля короткого соленоида, позволяющая раскрыть его потенциальные возможности при магнитопо-рощковом контроле.

3. Предложена математическая модель магнитного поля оси колесной пары без учета краевого эффекта, позволяющая описать суперпозицию с полем рассеяния нарушения сплошности материала при магнитопорошковом контроле в реальных условиях.

4. Разработаны аналитические зависимости, описывающие изменение намагничен!юсти осевой вагонной стали при воздействии внешнего постоянного и переменного магнитных полей, позволяющие непрерывной функцией характеризовать переход петли магнитного гистерезиса с восходящей на нисходящую кривую.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований и расчетов позволяют описать качественную и количественную стороны физических процессов, определяющих ¡возможность проведения контроля маг-

нитопорошковым методом, благодаря чему устанавливаются новые, более прогрессивные аспекты и режимы технологических операций и достигается цель работы.

В диссертационной работе дается характеристика наилучшего для магнита порошкового метода контроля положения объекта контроля в коротком соленоиде. Делаются выводы о необходимости выдерживания технологических зазоров между контролируемой поверхностью и витками соленоида.

Результаты научных исследований позволяют установить новый, более выгодный с точки зрения производительности режим контроля с совмещенными вращением объекта контроля и поступательным движением намагничивающего устройства. Скорость поступательного и вращательного движения при этом устанавливается максимально возможной без потерь достоверности контроля.

На основе проведенных исследований разработан автоматизированный комплекс магнитопорошкового контроля колесной пары, на котором все технологические переходы выполняются автоматическими устройствами согласно рассчитанным режимам по алгоритму, заложенному в микроконтроллер. Человеку отдается распознание дефекта по магнитным индикациям, выводимым на дисплей монитора посредством видеосистемы, установленной в зоне контроля.

Реализация и внедрение результатов работы. По заданию ЗападноСибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» — изготовлен опытный образец автоматизированного комплекса для магнитопорошкового контроля средней часта и шеек оси колесной пары в сборе, проведены его испытания и подготовлена техническая документация для внедрения на демонтажном и сборочном участках вагонно-колесиой мастерской ст. Иртышское при ее запуске в мае 2007 г.

Опытный образец комплекса внедрен в дорожном центре неразрушаю ще-го контроля при Омском государственном университете путей сообщения.

Апробация работы. Основные положения н результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVII российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушаю-щий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005), на XXIII Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Курган, 2006), на международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, 2006), на юбилейной международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2005).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамические характеристики ферромагнитной частицы при намагничивании короткими соленоидами позволяют добиться оптимального по производительности режима магнитопорошкового контроля деталей цилиндрической формы - колесной пары вагона.

2. Взаимодействие магнитного поля короткого соленоида и соизмеримой с ним в диаметре ферромагнитной детали цилиндрической формы обеспечивает достаточное для МПК намагничивание независимо от положения детали в соленоиде.

3. Математическая модель связи магнитной индукции с напряженностью магнитного поля при заданных параметрах петли гистерезиса адекватно представляется системой двух гармонических функций с разностью начальных фаз, зависимой от коэрцитивной силы.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано восемь научных работ, в том числе две, входящие в перечень ведущих рецензируемых научных журналов И изданий: две статьи в журналах, две - в межвузовских тематических сборниках, один доклад, три публикации тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, технико-экономического обоснования, заключения и списка литературы по теме работы, включающего в себя 53 источника. Текст диссертации изложен на 115 страницах машинописного текста и содержит 87 графиков и рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описано состояние вопроса, обоснованы цель работы и ее актуальность, показаны новизна и практическая значимость результатов, указаны задачи, решение которых позволит достичь цели работы.

В первой главе исследуется влияние положения объекта контроля цилиндрической формы в коротком соленоиде на качество магнитопорошкового контроля. Приложением результата исследований являются аспекты технологии контроля средней часта оси колесной пары и напрессованных на шейки внутренних колец подшипников способом приложенного поля. Рассматривается вопрос о необходимости выставления и выдерживания технологического зазора между витками соленоида и поверхностью объекта контроля и, как следствие, оправданности временных затрат на данную операцию.

В первой главе решаются три задачи.

8

1. Уточнение математической модели магнитного поля дугового тока.

Известны подходы, позволяющие получить выражения для расчета магнитного поля кругового тока. Автором предлагается модель, основанная на законе Био-Савара-Лапласа, выгодно отличающаяся от ранее созданных более общей формой математической записи и возможностью охарактеризовать магнитное поле витка с током произвольной формы.

Выражения для проекций вектора напряженности магнитного поля витка с током имеют вид:

1 21< 1 4я;

Я(11-хсоз(у))

0 {гг+Я1+х1 - 2 Нхсо5{у ))5

7й*;

О)

т 2*

гИ.(-сов(у))

-«»Т.

(2)

4л«(гЧаЧх^гях^у)]^ где Нц Нк — перпендикулярная и параллельная плоскости витка с током проекции вектора напряженности поля, А/м; 2, х — координаты рассматриваемой точки, м; I - сила тока, А; К—радиус витка (может быть задан как м; у—угол интегрирования.

Представим графическое решение выражений (1), (2) на рис. 3.

Рис. 3. Проекции напряженности магнитного поля кругового тока на ось 2 (а) и на ось х (б)

Выражения (1), (2) позволяют решить первую часть второй задачи. 2, Получение математической модели магнитного поля соленоида, применяемого при магнитолорошковом контроле оси колесной пары. Для соленоида с количеством параллельных витков п имеем:

9

, _ I К(г-крХ-соз(Г)) ^

4*м в^,_кру1 + а>+х1_21[ХОО,(г)^

(4)

где р - расстояние между витками по оси ъ, м.

3. Исследование магнитных характеристик осевой вагонной стали, включающее в себя разработку математических моделей, аппроксимирующих кривую первоначального намагничивания.

Для получения кривой намагничивания в работе применяется метод амперметра - вольтметра. Аппроксимация производится дробно рациональной функцией.

По приведенным результатам решения трех задач в работе анализируется влияние на качество мапштопорошкового контроля положения объекта контроля цилиндрической формы в коротком соленоиде. В качестве магнитного поля, в котором про изводится контроль, принимается результат суперпозиции

где Ни» - напряженность поля соленоида, определенная решением второй задачи, А/м; Ндат - напряженность поля детали (характеризуется точкой анализа и намагниченностью объекта контроля, получаемой из решения третьей задачи), А/м.

Проведенные исследования показали отсутствие существенных изменений магнитного поля в зоне контроля при различных положениях оси колесной пары в соленоиде, поэтому в первой главе делается следующий вывод: необходимости в выставлении и выдерживании технологического зазора между витками соленоида и поверхностью объекта контроля нет, следовательно временные затраты на операцию излишни.

Во второй главе устанавливаются возможность проведения мапштопорошкового контроля в совмещенном режиме, когда поступательное движение короткого соленоида происходит одновременно с вращением колесной пары, и параметры, характеризующие такой режим. Основными параметрами можно считать траекторию и скорость перемещения намагничивающего устройства и объекта контроля. Приложением результата исследований является режим контроля средней части оси колесной пары.

(5)

Скорость поступательного движения соленоида и возможные режимы вращения оси колесной пары обусловливаются временем формирования индикаторного рисунка ферромагнитными частицами. Таким образом, для проведения исследований по вопросам второй главы необходимо решить четвертую задачу диссертационной работы.

4. Исследование динамики ферромагнитной частицы в поле рассеяния поверхностной несшюшности материала.1

При контроле в реальных условиях существует размагничивающее поле детали, поэтому необходимо иметь решение второй части второй задачи (построение математической модели магнитного поля намагниченной оси колесной пары), а так как в намагничивающих устройствах используется переменный ток, то требуется решение и второй части третьей задачи (разработка математической модели, аппроксимирующей петлю магнитного гистерезиса).

В качестве модели намагниченной детали цилиндрической формы (оси колесной пары) в диссертационной работе выводятся следующие аналитические зависимости:

агссЙ!

2 Ну

КЧ

+ У

-агсйЬ

2Ку

(7), (8)

где К, — проекция напряженности на ось, параллельную поверхности детали (тангенциальная составляющая), А/м; Ну - проекция напряженности на ось, перпендикулярную поверхности детали (нормальная составляющая), А/м; о - плотность магнитного заряда на стенках краев детали; Ь - длина детали, м; ц0 = 4 яЮ"7 — магнитная постоянная, Гн/м; К — радиус детали, м; х, у — координаты рассматриваемой точки, м.

Петля магнитного гистерезиса в диссертационной работе построена посредством осциллографа. Для применения практических данных в теоретическом анализе необходимо произвести их аппроксимацию. Известно множество моделей, описывающих зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего поля, каждая из них имеет и преимущества, и недостатки. Для проведения исследований в данной главе необходимо иметь функцию, непрерывно описывающую изменение намагниченности при переходе в точках насыщения с

восходящей кривой на нисходящую и наоборот. В большинстве работ эти кривые описаны разными функциями, автором предлагается следующее выражение:

7 И Н !т/гЛ

где В, - индукция насыщения, Тл; Н5 — напряженность насыщения, А/м; Нт — максимальная амплитуда внешнего поля, А/м; (р - начальная фаза, характеризующая гистерезис, рад.

Четвертая задача диссертационной работы решается на основе второго закона Ньютона через составление дифференциальных уравнений сил, действующих на ферромагнитную частицу. В качестве поля рассеяния трещины берется модель Зацепина Н. Н.,-Щербинина В. Е., внешнее поле в зависимости от способа контроля описывается формулами (3), (4) или (7), (8). Перемаптчива-ние материала во времени принимается по (9). В качестве геометрических размеров трещины берутся значения по условному уровню чувствительности Б согласно требованиям ГОСТ 21105-87-

Результаты решения нелинейных дифференциальных уравнений приводятся в графической форме как зависимость горизонтальной координаты ферромагнитной частицы от времени при формировании индикаторного рисунка (рис. б). Самая удаленная точка старта частицы находится на расстоянии 1.5 см от трещины.

Рис. 6. Изменение координаты х частицы во времени при формировании индикаторного рисунка

Исходя из значения времени достижения частицами краев трещины в третьей главе рассчитывается скорость поступательного перемещения соленоида и вращательного движения колесной пары и делается вывод о возможности магнитол орошкового контроля в совмещенном режиме.

В третьей главе рассчитываются параметры режимов мапштопорошко-вого контроля средней части и шеек оси колесной пары железнодорожного вагона.

Проведенные в предыдущих главах теоретические расчеты наилучшего для магнитопорошкового контроля положения детали в соленоиде и динамических возможностей ферромагнитных частиц при формировании индикаторного рисунка делают возможным обоснование параметров технологии контроля, положительно влияющих на производительность.

Согласно полученным данным положение оси колесной пары в соленоиде не оказывает существенного влияния на эффективность контроля, поэтому нет необходимости в выставлении зазоров между витками соленоида и контролируемой поверхностью и поддержания их в процессе. Это экономит часть времени, сохраняя достоверность контроля.

Иной подход к контролю средней части оси, ставший возможным после расчета динамических характеристик ферромагнитной частицы, когда вращение оси колесной пары происходит одновременно с поступательным движением намагничивающего ее соленонДа, способен существенно увеличить производительность. Такой режим контроля требует согласованного расчета скоростей движения.

Проведенные в диссертационной работе исследования показали, что максимальная скорость вращения колесной пары без потерь достоверности контроля оставляет 12 об/мин., тогда контроль всей поверхности будет осуществлен при поступательном движении соленоида со скорость 0,06 м/с.

Длинна средней части оси 1250 мм,1 значит, на полный проход соленоида будет затрачено 20 секунд.

Такая технология контроля включает в себя несколько основных операций: вращение колесной пары, перемещение соленоида, нанесение порошка, распознание индикаторного рисунка. Все они требуют одновременного выполнения. Но даже с применением дефекгоскопистами механизированных устройств совместить их весьма затруднительно. Для этого необходимо использовать автоматизацию. Выполнение всех механических операций возлагается на машину, а человеку остается распознание индикаторного рисунка.

В четвертой главе описывается разработанный автоматизированный комплекс магнитопорошкового контроля осей колесных пар вагонов в сборе с колесами (рис. 7). Создание предложенного комплекса на основе штатных дефектоскопов является пятой задачей диссертационной работы.

13.; 1

Предлагаемый комплекс состоит из ряда приводов, перемещающих намагничивающие устройства по требуемому алгоритму, самих намагничивающих устройств, устройств для вращения колесной пары и для нанесения индикатора (магнитного порошка), видеосистемы, позволяющей оператору рассматривать индикаторный рисунок на .контролируемой поверхности. В качестве основного источника энергии для приводов выбран наиболее доступный на предприятиях вагонного хозяйства сжатый воздух.

На каждом из приводов установлены датчики положения (рис. 7). Сигнал датчиков положения поступает в контроллер, на основе его анализа осуществляется управление процессом намагничивания, нанесением порошка, вращением колесной пары (привод М) и через воздухораспределители (вр) — перемещением намагничивающих устройств. Направления возможных перемещений приводов на рис. 7 изображены стрелками.

Рис. 7. Принципиальная схема автоматизированной установки магиитодорошкового контроля колесной пары

Видеосистема позволяет оператору на экране рабочего места наблюдать индикаторные рисунки на шейках оси и на средней части, при этом видеоустройства на шейках закреплены стационарно, а на средней части оси перемещаются,вместе с намашичивающим устройством, производя сканирование всей поверхности. При обнаружении. оператором индикаторного рисунка дефекта возможны остановка движения и подробный осмотр, по результатам которого принимается решение о продолжении или окончании контроля.

14

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель магнитного поля соленоида дефектоскопа МД-13ПР, позволившая наиболее полно раскрыть его возможности при магнитопорошковом контроле.

2. Доказано, что положение оси колесной пары в соленоиде на достоверность магнитопорошкового контроля влияния не имеет, значит, нет необходимости во временных затратах на выставление и поддержание зазоров между контролируемой поверхностью и витками соленоида.

3. Получена математическая модель магнитного поля намагниченного тела цилиндрической формы - оси колесной пары без учета краевого эффекта, позволяющая описать во всех точках пространства его суперпозицию с полем рассеяния нарушения сплошности материала при магнитопорошковом контроле в реальных условиях.

4. Выведены аналитические зависимости, описывающие изменение намагниченности осевой вагонной стали при воздействии внешнего постоянного и переменного магнитных полей, позволяющие аппроксимировать непрерывной функцией переходы петли магнитного гистерезиса с восходящей кривой на нисходящую и наоборот.

5. Рассчитаны динамические характеристики ферромагнитной частицы при формировании ею индикаторного рисунка для магнитопорошкового контроля способами приложенного поля и остаточной намагниченности.

6. Установлен новый режим контроля с максимально возможной (превышающей значение, разрешенное принятой технологией), скоростью поступательного движения соленоида и вращения колесной пары без потери достоверности контроля.

7. На основе проведенных исследований разработан автоматизированный комплекс магнитопорошкового контроля колесной пары, в котором штат> ные и предложенные технологические переходы выполняются автоматическими устройствами по алгоритму, заложенному в микроконтроллер. Оператору отдается распознание дефекта по магнитным индикациям, выводимым на дисплей монитора посредством видеосистемы, установленной в зоне контроля. При этом рабочее место оператора вынесено за пределы зон действия вредных и опасных факторов. Перечисленное позволило достичь цели работы - увеличить производительность магнитопорошкового контроля колесной пары с сохранением достоверности и повысить безопасность труда.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Кашка В. С* Математическая модель соленоида с постоянным током /

B. С. Кашка//Тезисы докладов науч. конф. «Туполевские чтения» / Казанский гос. техн. ун-т им. А. Н. Туполева. Казань, 2005. С. 23.

2. Ахмеджанов Р. А. Аппроксимация характеристик намагничивания: / Р. А. Ахмеджанов, В. С Кашка, Р. С. Бабоед // Совершенствование ремонта и технологического обслуживания вагонов: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. С. 23 — 28.

3. Ахмеджанов Р. А. Математическая модель витка с постоянным током / Р. А. Ахмеджанов, В. С. Кашка // Транспорт Урала, 2005. № 2 (5).

C. 60 - 64.

4. Кашка В. С. Математическая модель соленоида с постоянным током / В. С. Кашка // Материалы XVII российской науч.-техн. конф. «Неразрушаю-щий контроль и диагностика» (Электронный ресурс) I ИМАШ УрО РАН. Екатеринбург, 2005, Электрон, ошич. диск. Статья № ТС 1-9.

5. Кашка В. С. Динамика ферромагнитной частицы в магнитном ноле трещины / В. С. Кашка//Тезисы докл. ХХШ Уральской конф. «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» / Курганский гос. ун-т. Курган, 2006. С. 12.

6. Ахмеджанов Р. А. Алпроксимация основных магшггных характеристик ферромагнетика / Р. А. Ахмеджанов, В. С, Кашка //Транспорт Урала. 2006. 3 (10). С. 66 - 69.

7. Катка В. С. Автоматизированная 'установка машитопорошкового контроля колесной пары вагона / В. С. Кашка // Тезисы докл. Междунар. на-уч.-техн. конф. «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» / Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург. 2006. С. 31.

8. Кашка В. С. К вопросу об автоматизации магнитопорошкового контроля колесной пары вагона/В. С. Кашка// Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. науч. статей аспирантов и студентов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2006. С. 74 — 79.

Типография ОмГУПСа, 2006. Тираж 100 экз. Заказ 916. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

Введение.

1 Расположение объекта контроля в соленоиде

1.1 Критерии, необходимые для обоснования положения объекта контроля в соленоиде.

1.2 Математическая модель магнитного поля кругового тока.

1.3 Математическая модель магнитного поля соленоида с постоянным током.

1.4 Обоснование расположения объекта контроля в поле соленоида как потенциально возможном при магнитопорошковом контроле.

1.4.1 Анализ на основе первого критерия.

1.4.2 Анализ на основе второго критерия.

1.4.3 Анализ на основе третьего критерия.

1.4.4 Вывод.

1.5 Обоснование расположения в соленоиде объекта контроля с учетом его ферромагнитных свойств.

1.5.1 Зависимость магнитной индукции материала оси колесной пары вагона от напряженности внешнего поля.

1.5.2 Анализ расположения объекта контроля в соленоиде.

1.5.3 Вывод.

1.6 Вывод по главе

2 Формирование индикаторного рисунка при магнитопорошковом контроле

2.1 Критерии, необходимые для обоснования возможности контроля способом приложенного поля и способом остаточной намагниченности

2.2 Исследование динамики ферромагнитной частицы в магнитном поле рассеяния трещины.

2.2.1 Приближенная модель магнитного поля детали цилиндрической формы.

2.2.2 Исследование магнитных характеристик материала объекта контроля и их аппроксимация.

2.2.3 Силы, действующие на ферромагнитную частицу в магнитном поле

2.2.4 Динамика ферромагнитной частицы в магнитном поле трещины.

2.2.4.1 Магнитное поле трещины (внешнее поле отсутствует).

2.2.4.2 Магнитопорошковый контроль способом остаточной намагниченности

2.2.4.3 Магнитопорошковый контроль способом приложенного поля

2.3 Вывод по главе 2.

3 Режимы магнитопорошкового контроля колесной пары.

3.1 Экспериментальная проверка режимов контроля.

4 Пути и средства автоматизации магнитопорошкового контроля оси колесной пары вагона.

4.1 Автоматизированная установка магнитопорошкового контроля оси колесной пары вагона.

4.1.1 Намагничивающие устройства.

4.1.2 Механическая часть.

4.1.2.1 Сканер средней части оси колесной пары.

4.1.2.2 Сканер шеек оси колесной пары.

4.1.2.3 Устройство для вращения колесной пары.

4.1.3 Устройство нанесения магнитного порошка.

4.1.4 Видеосистема.

4.2 Вывод по главе 4.

5 Технико-экономическое обоснование.

Колесо - одно из великих изобретений человечества - в системе транспорта занимало и занимает почетное место. Многократно уменьшая работу, затрачиваемую на преодоление пространства, колесо служит превосходным посредником во взаимных отношениях человека и тяготения Земли. Весь железнодорожный транспорт России использует именно такой способ передвижения.

Два спаренных стальных колеса особой формы, разнесенные на определенное расстояние и связанные стальной осью, именуются колесной парой. Входя в качестве узла в конструкцию вагона или локомотива, колесная пара подвержена воздействию многотонной нагрузки различного характера и направления. Будь то знакопеременные вертикальные нагрузки при колебаниях галопирования, либо боковые нагрузки при прохождении кривых малого радиуса, являясь единственным связующим звеном с рельсовым путем, колесная пара воспринимает их все. Много трудностей доставляет и географическое расположение железнодорожных магистралей в Российской Федерации. Необходимость круглогодичного транспортного сообщения Центральной части России, Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, Приморья создает весьма разнообразные и суровые условия эксплуатации. Низкие температуры делают металл хрупким, агрессивные для стальных конструкций среды приводят к образованию коррозии. Таким образом, даже весьма общий подход к анализу важности колесной пары как узла вагона и условий ее эксплуатации подтверждает необходимость высокой степени внимания к ее техническому состоянию.

Множество факторов могут стать причиной разрушения материала. Некоторые закладываются еще в процессе производства, как-то флокены, термические и водородные трещины, газовая пористость, раковина, иные возникают при эксплуатации. Важно, что часто деталь, являясь дефектной, в один момент не выходит из строя. Процесс разрушения начинается, когда размер области с нарушенной сплошностью превысит некоторую критическую величину. Это будет зависеть и от механических свойств материала, из которого изготовлена деталь, и от действующей нагрузки.

Существует некоторый интервал времени между зарождением причины разрушения и самим разрушением. Величину и границы такого интервала спрогнозировать сложно из-за участия в процессе множества случайных факторов. Однако его наличие дает возможность выявить поврежденную деталь до разрушения.

Известен ряд методов и средств, позволяющих обнаружить отклонение структуры материала от нормы, не разрушая сам объект. Они сведены в самостоятельное направление науки - неразрушающий контроль. Неразру-шающий контроль состоит из множества методов, разделенных по физическим признакам на следующие виды [ГОСТ 18353-79]:

1. Акустический;

2. Магнитный;

3. Электрический;

4. Электромагнитный;

5. Радиоволновый;

6. Визуально-измерительный;

7. Тепловой;

8. Радиационный;

9. Контроль проникающими веществами.

Для отдельной детали, в зависимости от ее габаритов, формы, свойств материала, из которого она изготовлена, условий окружающей среды при диагностике и так далее, подбирается один или несколько методов контроля, позволяющих дать оценку технического состояния. Ось колесной пары вагона проверяется четырьмя методами:

1. Визуально-измерительный;

2. Эхо-импульсный (акустический вид);

3. Зеркально-теневой (акустический вид);

4. Магнитопорошковый (магнитный вид).

Перечисленные методы друг друга взаимно не исключают. Каждый из них предназначен для решения самостоятельной задачи при проведении контроля и заслуживает отдельного внимания. Однако в рамках работы подробно рассматривается только магнитопорошковый метод. Состояние вопроса

Исследования в области неразрушающего контроля магнитопорошко-вым методом были начаты довольно давно. Ими занимались и занимаются в настоящее время многие ученые и инженеры, как в России, так и в других странах мира. Физическая основа метода, определяя область применения, зачастую является причиной наиболее интенсивного его развития в регионах, занятых в металлургической промышленности, машиностроении, авиастроении.

Первый патент на контроль одним из магнитных методов был взят в Америке Рейдером в 1886 г. Это был метод определения содержания углерода в стали путем измерения ее магнитной проницаемости. В 1919 году В. Хуком был запатентован метод магнитных частиц для контроля артиллерийских стволов. В 1929 году де Форестом в США был заявлен патент на применение магнитного порошка для выявления дефектов [27]. Первое руководство по применению магнитопорошкового метода в промышленности (магнафлокс) вышло в 1939 году. В 1946 году на Урале Р. И. Янус выпустил в свет первую монографию по магнитной дефектоскопии [19], в которой обобщил многолетний опыт исследований в этой области науки.

Исследования в области магнитопорошковой дефектоскопии продолжили многие другие ученые, применяя метод в различных отраслях народного хозяйства. Перечислить всех - задача весьма затруднительная, упомянем лишь некоторых: Н. И. Еремин [29], [30], [31], А. В. Жигадло [32], А. Г. Александров [3], [4], [5], П. А. Халилеев [5], В. Е. Щербинин [8], Э. С. Гор-кунов [8], Г. С. Шелихов [2], [4] и др.

Развитие магнитопорошкового контроля, как и любого другого магнитного метода, в своей основе определялось достижениями ученых в описании физики ферромагнетизма. Первым теоретическое объяснение намагничиванию ферромагнетика дал в 1907 году Вейсс [33], предположив существование магнитных доменов. В 1919 году Баркгаузен обнаружил скачкообразное изменение намагниченности [34] (ставшее причиной ряда заблуждений о размерах домена). Первым домен в микроскоп увидел Биттер (1932 г.), хотя и не решился делать выводы о его форме из-за существующего на тот момент времени мнения о малости размеров домена [35]. И только в 1935 году Ландау и Лифшец дали теоретическое объяснение доменной структуры ферромагнетика и правильно описали форму домена [24]. В 1949 году теоретические исследования Ландау и Лифшица были подтверждены экспериментально. Работа выполнялась в лаборатории фирмы «Белл» Уильямсом, Бо-зортом и Шокли [36]. При этом применялся метод порошковых фигур, по технологии схожий с магнитопорошковым контролем.

Актуальность вопроса ферромагнетизма определила весьма активное развитие физики в этом направлении. Отметим лишь малую долю ученых, внесших вклад в современное понимание ферромагнитных явлений: М. А. Розенблат [37], [38]; С. В. Вонсовский [39], [40]; К. М. Поливанов [41], [42]; У. Ф. Браун [43]; Р. Уайт [44]; Л. Р. Нейман [50]; И. И. Кифер [14], Р. Бозорт [45]; Б. М. Яновский [10]; В. Г. Барьяхтар [47], [48]; С. Тикадзуми [49] и многие другие.

Распространению магнитопорошкового контроля на железнодорожном транспорте способствовало удовлетворительное сочетание требований, предъявляемых к качеству контроля, и физических характеристик самого метода. Существенными преимуществами являются наглядная картина индикации и высокая чувствительность. Большое количество способов создать магнитное поле, возможность изменения его физических параметров (напряженность, пространственная ориентация), отсутствие необходимости применения конструктивно сложных и дорогих устройств, относительно легкая «при-спосабливаемость» метода к внешним условиям создали неплохую репутацию магнитопорошковому методу неразрушающего контроля.

В настоящее время на железной дороге для проведения магнитопорошкового контроля деталей и узлов грузовых и пассажирских вагонов разработан ВНИИЖТом и утвержден департаментами вагонного хозяйства и пассажирских сообщений руководящий документ РД 32.159-2000. В соответствии с требованиями данного документа контроль колесной пары вагона надлежит выполнять следующим образом. На оси колесной пары в сборе способом приложенного поля проверяются шейки, предподступичные и средняя части. При этом значение напряженности магнитного поля на поверхности детали должно быть не менее 20 А/см. Для контроля предписано применять дефектоскопы типа МД-12ПШ или МД-12ПЭ, установки серии Р8617 или МД-14ПКМ, МД-13ПР или МД-12ПС. Средняя часть оси колесной пары в сборе может проверяться двумя типами намагничивающих устройств: седлообразным и разъемным, соответственно им применяют в качестве индикаторов магнитную суспензию или порошок. Соленоид сканирует ось, намагничивая ее поверхность. При этом в зону достаточной намагниченности наносится индикатор, соответствующий типу примененного соленоида, и осматривается контролируемая поверхность. По окончании осмотра контролируемой поверхности ось поворачивается. Размагничивание производится удалением включенного соленоида от ступицы колеса к центру средней части и отключением его в случае применения седлообразного соленоида на расстоянии 0,3 - 0,5 м от оси, а в случае применения разъемного соленоида - на самой оси. Для контроля шейки и предподступичной части применяются неразъемные соленоиды дефектоскопов МД-12ПШ или МД-12ПЭ. При этом на вращающуюся поверхность, находящуюся под воздействием магнитного поля соленоида, наносится суспензия и по сформировавшемуся рисунку делается заключение о наличии или отсутствии дефекта. Шейка и предподступичная часть размагничиваются удалением соленоида на 0,5 м от торца шейки оси с последующим его отключением. На оси колесной пары в свободном состоянии способом приложенного поля проверяется вся поверхность, при этом минимальная напряженность должна составлять 20 А/см. Контроль ведется 7 дефектоскопами типа МД-12ПЭ или МД-12ПС. Соленоид дефектоскопа, сканируя вращающуюся ось, намагничивает ее поверхность. Одновременно в зону достаточной намагниченности наносится индикатор (магнитная суспензия) и анализируется полученный рисунок. Для размагничивания соленоид включается над подступичной частью и медленно отводится на расстояние не менее 0,5 м от торца шейки оси, где и выключается.

Магиитопорошковый контроль возможен только при тщательном выполнении операций или переходов технологического процесса. Кроме этого, должны соблюдаться требования к размерам и качеству частиц магнитного индикатора, расположению объекта контроля по отношению к намагничивающему полю, параметрам электрического тока в намагничивающем устройстве и т. д.

Деповская штатная технология магнитопорошкового контроля является в основном «ручной», она, а также оборудование и оснастка ее не совершенствуются на протяжении 40 и более лет. Временные затраты на контроль велики, низка производительность. Например, о затрачиваемом времени на магиитопорошковый контроль колесной пары можно судить по анализу статистического материала, собранного в вагонных и локомотивных депо Омского узла Западно-Сибирской железной дороги (рис. 1, 2). S о о 5 о 6 Й

40 %

30 25 20 15 10

Ji 1

Контроль без межоперационного и подготовительного ручного труда норма времени

-Е3 J

10 ! 14 t V

11,2

Контроль ручной ВЧД и ЛБЧД Г

Контроль ручной ТЧ

18

22 26 30

Временные интервалы мин.

18

Тср = 6,5 мин. Тср =14,33 мин. сро = 4,6 мин.

Тср =35,2 мин. о = 4,8 мин.

Рис. 1. Гистограммы времени магнитопорошкового контроля средней части оси колесной пары

30 '25 20 15 10

Контроль без межоперационного и подготовительного ручного труда

Контроль ручной ВЧД и ЛВЧД

Контроль рз^чной ТЧ

1норма.\ времени \

V , ! , , . , -рр{

8,4 Л

9,2 9,6

8,7

10

Тср = 8,2 мин.

10,4 мин. Временные интервалы

Тср =10,1 мин. 0 = 0,79 мин.

Тср = 11,1 мин. 0 = 0,63 мин.

Рис. 2. Гистограммы времени магнитопорошкового контроля шеек оси колесной пары

Из графиков видно, что среднее время на контроль средней части вагонной оси составляет 14,33 минуты с средним квадратическим отклонением а = 4,6 минуты и шеек оси соответственно 10,1 и 0,79 минут, что превышает установленные нормативы (11,2 для средней части оси и 8,7 - для шеек) на 30 % и 16 % соответственно. Особенно острой проблема излишних затрат времени стоит в вагонно-колесных мастерских (ВКМ), например, в ВКМ ст. Иртышское ОАО «РЖД» с программой выпуска колесных пар 50 тыс. штук в год.

Анализ технологического процесса на данном ВКМ показывает, что магнитопорошковый контроль колесной пары на отдельном рабочем месте должен быть выполнен за 8,5 минут, не более, что потребует повышение производительности такого контроля по сравнению со штатной существующей технологией контроля в 3 раза, а с учетом разброса - в 4 раза. Кроме того, необходимо учесть характер труда дефектоскописта: помимо ручных монотонных манипуляций он требует напряженного внимания, ответственности в принимаемых решениях и добросовестного выполнения всех технологических переходов. Вполне очевидно, что у дефектоскописта накапливается усталость и вероятность влияния субъективного фактора увеличивается - падает достоверность контроля. Поэтому повышение производительности контроля с обеспечением сохранения существующего уровня достоверности является проблемой актуальной, и ее решение возможно лишь путем автоматизации магнитопорошкового контроля в условиях депо и ВКМ. Известно, что полная автоматизация магнитопорошкового контроля невозможна. Участие человека в нем предопределено сутью метода. Однако представляется возможным устранение ручных манипуляций, их можно отдать автоматам, а аналитическую часть контроля - человеку.

Целью работы является разработка способов повышения производительности магнитопорошкового контроля колесной пары железнодорожного вагона на базе штатного оборудования при сохранении существующего уровня достоверности.

Анализ путей автоматизации МПК оси колесной пары показал, что для достижения поставленной цели исследованию должны быть подвергнуты следующие параметры, определяющие режимы контроля:

- Расположение объекта контроля в соленоиде. Так как магнитопорош-ковый контроль предназначен для выявления нарушения сплошности на поверхности ферромагнитного материала, то необходимо поверхность оси установить в зоне с магнитным полем, создающим поле рассеяния над возможной несплошностью наибольшей напряженности. При этом как можно большая площадь поверхности оси должна находиться под действием такого поля.

- Траектория и скорость перемещения соленоида относительно объекта контроля. Цилиндрическая поверхность оси как объекта контроля создает необходимость некоторым образом перемещать намагничивающее устройство вдоль всей поверхности. К тому же из-за сыпучести магнитного индикатора магнитопорошковый контроль невозможен одновременно во всех точках образующей цилиндра, это диктует необходимость вращательного движения оси. Скорость поступательного движения соленоида и возможные варианты вращения оси колесной пары определяются временем формирования индикаторного рисунка ферромагнитными частицами.

В такой постановке требуется решить следующие задачи:

1. Уточнение математической модели магнитного поля кругового тока. Модель будет основой при описании магнитного поля соленоида произвольной формы и магнитного поля цилиндра вне зон непосредственной близости краев.

2. Построение математической модели магнитного поля соленоида, применяемого при магнитопорошковом контроле оси колесной пары способом приложенного поля. Модель позволит произвести анализ распределения магнитного поля в соленоиде, построить его топографию и на основе полученных данных обосновать наилучшее положение в нем объекта контроля и определить размеры зоны с достаточной намагниченностью на поверхности оси.

3. Исследование магнитных характеристик материала объекта контроля (первоначальная кривая намагничивания и петля магнитного гистерезиса) и разработка их аппроксимирующих математических моделей. Модели позволят определить плотность магнитного заряда на стенках возможного отсутствия сплошности материала при различной величине напряженности внешнего магнитного поля. Характеризуют изменение таковой плотности при воздействии на деталь переменным магнитным полем. Плотность магнитного заряда является важным параметром поля рассеяния трещины и принимается во внимание как при обосновании расположения объекта контроля в соленоиде, так и в анализе динамики ферромагнитной частицы.

4. Исследование динамики ферромагнитной частицы в поле рассеяния поверхностной несплошности при различных: а. способах магнитопорошкового контроля [1] (применение моделей магнитного поля соленоида и цилиндрической детали); б. геометрических параметрах поверхностной несплошности.

Определяя по пунктам а - б траекторию движения ферромагнитной частицы и время формирования индикаторного рисунка, исследования позволят обосновать возможность использования в различных случаях магнитопорошкового метода, траекторию и скорость перемещения соленоида относительно объекта контроля.

5. Исследование путей и средств автоматизации магнитопорошкового контроля при деповском ремонте колесных пар. Точное выполнение технологии контроля возможно осуществить за счет автоматизации составляющих его процессов, оставив за человеком только работу по анализу индикаторного рисунка. Таким образом, исключается человеческий фактор в вероятности совершения ошибки при проведении технологических операций и увеличивается производительность контроля.

Методы исследования и достоверность результатов. Теоретические и экспериментальные исследования производились с применением теории электромагнитных полей и физики ферромагнитных явлений. Использованный математический аппарат включает в себя теорию вероятностей, векторный анализ, методы решения нелинейных дифференциальных уравнений и различного рода аппроксимации. Расчеты и построения математических моделей производились на современных ЭВМ посредством программ Mathe-matica, MathCAD, Statistica. Конструкторская часть выполнялась в среде для твердотельного моделирования «Компас-ЗБ». Достоверность полученных результатов обуславливается применением в качестве основы расчетов законов и выражений, соответствующих существующему уровню знаний и достижений в данной области науки и доказывается экспериментально разработанным оборудованием на образцах с моделями дефектов в виде нарушения сплошности материала.

Научная новизна.

1. Рассчитаны динамические характеристики частиц магнитного порошка при формировании индикаторного рисунка дефекта для магнитопорошкового контроля способами приложенного поля и остаточной намагниченности.

2. Получена математическая модель магнитного поля короткого соленоида, позволяющая раскрыть его потенциальные возможности при магни-топорошковом контроле.

3. Предложена математическая модель магнитного поля оси колесной пары без учета краевого эффекта, позволяющая описать суперпозицию с полем рассеяния нарушения сплошности материала при магнитопорошковом контроле в реальных условиях.

4. Разработаны аналитические зависимости, описывающие изменение намагниченности осевой вагонной стали при воздействии внешнего постоянного и переменного магнитных полей, позволяющие непрерывной функцией характеризовать переход петли магнитного гистерезиса с восходящей на нисходящую кривую.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований и расчетов позволяют описать качественную и количественную стороны физических процессов, определяющих возможность проведения контроля магнитопорошковым методом, благодаря чему устанавливаются новые, более прогрессивные аспекты и режимы технологических операций и достигается цель работы.

В диссертационной работе дается характеристика наилучшего для магнитопорошкового метода контроля положения объекта контроля в коротком соленоиде. Делаются выводы о необходимости выдерживания технологических зазоров между контролируемой поверхностью и витками соленоида.

Результаты научных исследований позволяют установить новый, более выгодный с точки зрения производительности режим контроля с совмещенными вращением объекта контроля и поступательным движением намагничивающего устройства. Скорость поступательного и вращательного движения при этом устанавливается максимально возможной без потерь достоверности контроля.

На основе проведенных исследований разработан автоматизированный комплекс магнитопорошкового контроля колесной пары, на котором все технологические переходы выполняются автоматическими устройствами согласно рассчитанным режимам по алгоритму, заложенному в микроконтроллер. Человеку отдается распознание дефекта по магнитным индикациям, выводимым на дисплей монитора посредством видеосистемы, установленной в зоне контроля.

Реализация и внедрение результатов работы. По заданию ЗападноСибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» - изготовлен опытный образец автоматизированного комплекса для магнитопорошкового контроля средней части и шеек оси колесной пары в сборе, проведены его испытания и подготовлена техническая документация для внедрения на демонтажном и сборочном участках вагонно-колесной мастерской ст. Иртышское при ее запуске в мае 2007 г.

Опытный образец комплекса внедрен в Дорожном центре неразру-шающего контроля при Омском государственном университете путей сообщения.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVII российской научно-технической конференции с международным участием «Неразру-шающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005), на XXIII Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Курган, 2006), на международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, 2006), на юбилейной международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2005).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамические характеристики ферромагнитной частицы при намагничивании короткими соленоидами позволяют добиться оптимального по производительности режима магнитопорошкового контроля деталей цилиндрической формы - колесной пары вагона.

2. Взаимодействие магнитного поля короткого соленоида и соизмеримой с ним в диаметре ферромагнитной детали цилиндрической формы обеспечивает достаточное для МПК намагничивание независимо от положения детали в соленоиде.

3. Модель связи намагниченности материала от напряженности магнитного поля при заданных параметрах петли гистерезиса адекватно представляется системой двух гармонических функций с различными начальными фазами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе:

1. Разработана математическая модель магнитного поля соленоида дефектоскопа МД-13ПР, позволившая наиболее полно раскрыть его возможности при магнитопорошковом контроле.

2. Доказано, что положение оси колесной пары в соленоиде на достоверность магнитопорошкового контроля влияния не имеет, значит, нет необходимости во временных затратах на выставление и поддержание зазоров между контролируемой поверхностью и витками соленоида.

3. Получена математическая модель магнитного поля намагниченного тела цилиндрической формы - оси колесной пары без учета краевого эффекта, позволяющая описать во всех точках пространства его суперпозицию с полем рассеяния нарушения сплошности материала при магнитопорошковом контроле в реальных условиях.

4. Выведены аналитические зависимости, описывающие изменение намагниченности осевой вагонной стали при воздействии внешнего постоянного и переменного магнитных полей, позволяющие аппроксимировать непрерывной функцией переходы петли магнитного гистерезиса с восходящей кривой на нисходящую и наоборот.

5. Рассчитаны динамические характеристики ферромагнитных частиц при формировании ими индикаторного рисунка для магнитопорошкового контроля способами приложенного поля и остаточной намагниченности.

6. Установлен новый режим контроля с максимально возможной (превышающей значение, разрешенное принятой технологией), скоростью поступательного движения соленоида и вращения колесной пары без потери достоверности контроля.

7. На основе проведенных исследований разработан автоматизированный комплекс магнитопорошкового контроля колесной пары, в котором штатные и предложенные технологические переходы выполняются автоматическими устройствами по алгоритму, заложенному в микроконтроллер. Оператору отдается распознание дефекта по магнитным индикациям, выводимым на дисплей монитора посредством видеосистемы, установленной в зоне контроля. При этом рабочее место оператора вынесено за пределы зон действия вредных и опасных факторов.

Перечисленное позволило достичь цели работы - увеличить производительность магнитопорошкового контроля колесной пары с сохранением достоверности и повысить безопасность труда.

1. Руководящий документ РД 32.159-2000. Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля деталей вагонов / ВНИИЖТ. М, 2ООО.

2. Шелихов Г. С. Магнитная дефектоскопия деталей и узлов: Практ. пособие /Г. С. Шелихов /Науч.-техн. центр «Эксперт». М., 1995. 224 с.

3. Александров А. Г. Об индикации дефектов при магнитопорошковом контроле деталей с применением электромагнита постоянного тока /

4. A. Г. Ал ександров//Дефектоскопия. 1987. № 3. С. 17-23.

5. А. с. № 510669 СССР, МКИ3 G 01 N 27/84. Магнитопорошковый способ контроля / А. Г. Александров, В. Ф. Игнатьев, Г. С. Шелихов (СССР). -№ 1844098/28; Заявлено 09.11.72; Опубл. 15.04.76. Бюл. № 14.

6. Халилеев П. А. Динамика осаждения частиц ферромагнитного порошка из воздушной взвеси при выявлении трещин в намагниченных деталях / П. А. Халилеев, А. Г. Александров // Дефектоскопия, 1989. № 5. С. 3-28.

7. Зацепин Н. Н. К расчету магнитостатического поля поверхностных дефектов / Н. Н. Зацепин, В. Е. Щербинин // Дефектоскопия. 1966. №5. С. 50-66.

8. Фёрстер Ф. Неразрушающий контроль методом магнитных полей рассеяния. Теоретические и экспериментальные основы выявления поверхностных дефектов конечной и бесконечной глубины / Ф.Фёрстер// Дефектоскопия. 1982. № 11. С. 3-25.

9. Щербинин В. Е. Магнитный контроль качества металлов /

10. B. Е. Щербинин, Э. С. Горкунов /УрОРАН. Екатеринбург, 1996. 263 с.

11. Ахмеджанов Р. А. Математическая модель витка с постоянным током / Р. А. Ахмеджанов, В. С. Кашка // Транспорт Урала. 2005. № 2 (5).1. C. 60-64.

12. Яновский Б. М. Земной магнетизм / Б. М. Яновский. JL: Издательство ленинградского университета, 1963. Т 2. 461 с.

13. Ландау JI. Д. Электродинамика сплошных сред / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. 532 с.

14. Ахмеджанов Р. А. Аппроксимация основных магнитных характеристик ферромагнетика / Р. А. Ахмед жанов, В. С. Кашка// Транспорт Урала. 2006. № 3 (10). С. 66 69.

15. Кифер И. И. Испытание ферромагнитных материалов / И. И. Ки-фер. M.-JL: Машгиз, 1955.

16. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля / В. А. Говорков. М.: Госэнергоиздат, 1960. 463 с.

17. Мел ьгуй М. А. Формулы для описания нелинейных и гистерезис-ных свойств ферромагнетиков / М. А. Мел ьгуй // Дефектоскопия. 1987. №11. С. 3-10.

18. Янус Р. И. Магнитная дефектоскопия / Р. И. Янус. М.: ОГИЗ,1946.

19. Щербинин В. Е. Магнитное поле дефекта при малой остаточной намагниченности изделия / В. Е. Щербинин // Об электромагнитных методах контроля качества изделий. Свердловск: Средне-Уральское книжное изд-во, 1965. Вып. 24.

20. ТаммЕ. И. Основы теории электричества / Е.И.Тамм. М.: Наука, 1989. 504 с.

21. Щербинин В. Е. Силы, действующие на ферромагнитную частицу в поле дефекта / В. Е. Щербинин, А. Н. Печенков // Дефектоскопия. 1997. №9. С. 3-9.

22. Кашка В. С. Математическая модель соленоида с постоянным током / В. С. Кашка // Тезисы докладов науч. конф. «Туполевские чтения» / Казанский гос. техн. ун-т им. А. Н. Туполева. Казань, 2005. С. 23.

23. Кашка В. С. Динамика ферромагнитной частицы в магнитном поле трещины / В. С. Кашка // Тезисы докл. XXIII Уральской конф. «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» / Курганский гос. ун-т. Курган, 2006. С. 12.

24. De Forest US-Patent von 1929. Erste Veroffentliehung tiber eine branchbare Magnetpulverpriifung.

25. Ландау Л. Д. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Phys. Zs. Sowjet, 8, 153, 1935.

26. Еремин Н. И. Магнитная порошковая дефектоскопия / Н. И. Еремин. М.-Л., Машгиз, 1947. 187 с.

27. А. с. № 61567 СССР, МКИ3 G 01 N 27/84. Способ обнаружения дефектов в изделиях и деталях из магнитного материала / В. Д. Романов, Н. И. Ер емин, С. Я. Сиго лаев (СССР). № 27993; Заявлено 03.12.39. Бюл. 1939.

28. А. с. № 61471 СССР, МКИ3 G 01 N 27/84. Способ магнитной дефектоскопии / Н. И. Еремин (СССР). № 45131; Заявлено 17.03.41; Опубл. 30.06.42. Бюл. 1941.

29. Жигадло А. В. Контроль деталей методом магнитного порошка / А. В. Жигадло. М.: Оборонгиз, 1957. 175 с.

30. Weiss P,J. Phys, 6, (1907)

31. Barkhausen IT, Phys. Z, 20, (1919)

32. Bitter F, Phys. Rev, 38, (1931); 41 (1932)

33. Williams H. J, Bozorth R. M, Shockley W, Phys. Rev, 75 (1949)

34. Розен б лат M. А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники / М. А. Розенбл а т. М.: Наука, 1968. 765 с.

35. Розенблат М. А. Магнитные усилители / М. А. Розенблат. М.: Изд. Советское радио, 1956.

36. Вонсовский С. В. Ферромагнетизм / С. В. Вонсовский, Я. С. Шур. М.: Гостехиздат, 1948.

37. Вонсовский С. В. Современное учение о магнетизме / С. В. Вонсовский. М.: Гостехиздат, 1952.

38. Поливанов К. М. Ферромагнетики / К. М. Поливанов. М.: Гос-энергоиздат, 1957.

39. Поливанов К. М. Динамические характеристики ферромагнетиков / К. М. Поливанов // Известия АН СССР. Сер. физич. 16 / АН СССР. М., 1952.

40. Браун У. Ф. Микромагнетизм / У. Ф. Браун. М.: Наука, 1979.

41. Уайт Р. Квантовая теория магнетизма. 2-ое изд., испр. и доп. / Р.Уайт. М.: Мир, 1985.

42. Бозорт Р. Ферромагнетизм / Р. Бозорт. М.-Л.: Машгиз, 1957.

43. Яновский Б. М. Земной магнетизм / Б. М. Яновский. Л.: Изд. Главсевморпути, 1941.

44. Барьяхтар В. Г. Магнетизм что это? / В. Г. Барьяхтар, Б. А. Иванов. Киев: Наукова думка, 1981.

45. Функции Грина в теории магнетизма / В. Г. Барьяхтар, В. Н. Криворучко, Д. А. Яблонский. Киев: Наукова думка, 1984.

46. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. / С. Тикадзуми: Пер. с японского. М.: Мир, 1987. Т 1, 2. 419 с.

47. Нейман Л. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах / Л. Р. Нейман. М.: Госэнергоиздат, 1949.

48. Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справочник / Под ред. Г. С. Самойловича. М.: Машиностроение, 1976. С. 181-188.

49. Неразрушающие испытания: Справочник / Под ред. Р. Мак-Мастера. М.-Л.: Энергия, 1965. 492 с.

50. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995. С. 241 -254.1. АКТвнедрения автоматизированного комплекса магнитопорошкового контроля колесной пары железнодорожного вагона

51. Начальник учебно-методического управления университета1. А. Ю. Тэггэр

52. Директор Института повышения квалификации и переподготовкин. с. Горбачев

53. Заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство?)

54. Профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйств1. В. П. Клюка1. Р. А. Ахмеджанов

55. Аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство»1. В. С. Кашка1. АКТвнедрения автоматизированного комплекса магнитопорошкового контроля колесной пары железнодорожного вагона

56. В процессе проведения испытаний установлено:

57. Представленный автоматизированный комплекс магнитопорошкового контроля рекомендуется к внедрению на демонтажном участке ВКМ ст. «Иртышское» до запуска данного ВКМ в эксплуатацию в мае 2007 г.

58. От Западно-Сибирской Дирекции От Омского государственногоых вагонов университета путей сообщения1. В. В. Матюх1. С. А. Грассман1. В. С. Кашка1. А. Ахмеджанов