Разработка методики повышения надежности акустико-эмиссионного контроля дефектов свободных колец подшипников буксового узла подвижного состава

Высокая прочность и надежность являются одними из необходимых факторов, позволяющих обеспечить безопасность эксплуатации различных изделий и технических устройств ответственного назначения объектов железнодорожного транспорта. Важнейшие задачи неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики — распознавание дефектов, определение их координат, формы, размеров, степени опасности. Эффективность применения традиционных методов НК (рентгеновского, ультразвукового (УЗ), вихретокового, магнитного) в значительной степени зависит от дефектоскописта. При проведении экспериментальных исследований материалов важно установить момент страгивания усталостной трещины.

Необходимость создания новых средств технической диагностики конструкций предопределила решение важнейшей проблемы, связанной с разработкой современных методов исследования прочностных и структурных свойств материалов, из которых изготавливаются конструктивные элементы объектов машиностроения [6].

Для решения этой проблемы в последние годы все более широко привлекается метод акустической эмиссии (ЛЭ). При его использовании на исследуемый объект контроля (ОК) воздействуют нагрузкой, вызывающей появление деформации растяжения. Данный метод позволяет «прослушивать» конструкцию, которая находится в напряженном состоянии из-за приложенной к ней нагрузки. Трещина или другой дефект, появившийся в напряженной конструкции, будет излучать звуковые волны, которые распространяются внутри исследуемого объекта и регистрируются преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ).

При практическом использовании метода АЭ разработка методики нагру-жения играет исключительно важную роль, так как в процессе испытаний необходимо создавать нагрузки, соответствующие реальным условиям эксплуатации исследуемого объекта. В процессе АЭ-диагностики разнообразные дефекты выступают как концентраторы напряжений и излучают дискретные акустические волны локальной упругой разгрузки материала.

При использовании метода АЭ процесс измерения автоматизируется и на микроуровне обнаруживаются наружные и внутренние дефекты, рассчитываются координаты и классифицируются повреждения по степени их опасности.

Следует отметить, что практическое использование метода АЭ связано с рядом трудностей, поскольку уровень энергии и основные характеристики полезного сигнала существенно зависят от свойств материала и режимов воздействия на контролируемый объект. Акустические сигналы искажаются как за счет суперпозиции волн разного типа, так и самими ПАЭ. Процесс инициирования развития дефекта, как правило, сопровождается шумами с характеристиками, близкими к характеристикам сигналов АЭ, что усложняет определение связи их информативных параметров с параметрами процессов структурных изменений и разрушения материала.

Парк прицепного подвижного состава, эксплуатируемого на железных дорогах РФ, исчисляется миллионами единиц. Поэтому объем деталей вагонов и узлов, подвергаемых периодическому контролю, требует разработки и внедрения новых, более совершенных и эффективных систем диагностики [6, 33]. Особое требование предъявляется к степени автоматизации процесса контроля, что повышает его достоверность.

Подшипниковые узлы тягового подвижного состава, устанавливаемые на осях и валах, являются важнейшими конструктивными элементами, от технического состояния которых в значительной степени зависит безопасность движения. Взаимодействие колеса и рельса имеет сложный характер и сопровождается качением, поперечным и продольным проскальзыванием с различными скоростями. Основными причинами выхода их из строя являются нарушение режимов работы, загрязненность смазки, наличие в кольцах трещин, сколов, раковин и выкрашиваний на дорожках качения. Установлено, что до 45% подшипниковых узлов выходят из строя при половине расчетного пробега, составляющего 2*106 км. Проведение НК термообработанных колец подшипников (КП) осложняется тем, что их материал обладает низкой пластичностью, что приводит к быстрому развитию усталостной трещины.

Шариковые и роликовые подшипники качения, устанавливаемые на осях и валах, являются одними из важнейших конструктивных элементов подвижного состава, от состояния которых зависит безопасность движения. Они применяются в буксах колесных пар, тяговых двигателях и т. д. [1,34, 39].

Грузовые и пассажирские вагоны, железнодорожные цистерны имеют в своей конструкции колесные пары, жестко установленные на оси. Подшипник имеется на каждом конце оси колесной пары, а вес железнодорожного транспортного средства передается оси и колесам через подшипник [1]. Буксовый узел колесной пары служит для передачи на ось статических и динамических нагрузок и обеспечивает ее вращение при движении вагона. Колесная пара обеспечивает непосредственный контакт экипажа с рельсами и передает на них вертикальные и боковые нагрузки. Взаимодействие колеса и рельса имеет сложный характер и сопровождается качением, поперечным и продольным проскальзыванием с различными скоростями. При этом колесная пара подвижного состава обладает неподрессоренной массой, а установка внутреннего КП на шейку оси осуществляется с натягом по горячей посадке. Совокупность многих факторов приводит к тому, что контакт «металл-металл» между вращающимися элементами подшипника создает высокие напряжения в зоне контакта. Кольца подшипников, используемые в отечественном транспорте, изготовлены из хромо-марганцовистой стали регламентированной про-каливаемости.

Как отмечается в [3], в процессе эксплуатации подшипников поверхности дорожек качения на внешних и внутренних кольцах, по которым перекатываются шарики или ролики, повреждаются механически (из-за проникновения в подшипник посторонних частиц или грязи) и электрически (от протекания тока). Поэтому во время эксплуатации подшипники подвергаются очень большим нагрузкам, что вызывает их перегрев и последующее разрушение [1, 69]. Последствия подобного разрушения подшипника приводят к катастрофам, что может вызвать сход вагонов и рельсов. Проблема мониторинга подшипника ставит перед железнодорожной отраслью задачи, связанные с созданием методов и средств, позволяющих проверять состояние подшипников.

Одним из многих перспективных направлений использования метода АЭ для контроля деталей подвижного состава является контроль внутренних и внешних КП подвижного состава. Известно, что как бездефектные, так и дефектные подшипники качения при вращении излучают сигналы АЭ и вибрируют [3, 83]. Анализ работ, связанных с прочностными испытаниями свободных КП методом АЭ показал, что вопросы их контроля при статическом на-гружении до сих пор недостаточно изучены.

При проведении прочностных испытаний КП буксового узла локомотива возможно осуществление двухкоординатной локализации развивающихся источников сигналов АЭ. Вследствие высоких контактных напряжений в системе качения «ролик-кольцо» дефекты колец располагаются близко к поверхности. Информация о глубине залегания дефекта не используется и данная методика относится к плоскостной локализации. Она находит широкое применение при НК плоских объектов, один го геометрических размеров которого (например, толщина) намного меньше оставшихся двух. Самым простым и быстродействующим видом плоскостной локализации является табличная методика определения координат источников сигналов АЭ. Данная методика применяется в тех случаях, если к точности локализации не предъявляются особые требования. Например, диагностирование больших объектов, таких как мостовые конструкции, нефтеи газопроводы и т. д.

Основные работы по диагностике подшипников, как за рубежом, так и в нашей стране посвящены исследованиям безразборных вращающихся подшипниковых узлов и их контролю методом АЭ [25−27, 37, 57−64, 70, 73, 77, 79, 81, 84, 88,90, 91]. Однако при этом, как правило, используется один ПАЭ, в результате чего диагностическая система записывает смесь сигналов от дефектов и шумов, которые по своим спектральным и энергетическим характеристикам идентичны и их сложно разделить. Основными регистрируемыми параметрами являются суммарный счет и распределение энергии либо в функции времени, либо нагрузки. Локализация дефекта отсутствует, что существенно ограничивает возможности метода АЭ [57]. За рубежом безразборная технология контроля КП производится с применением четырех ПАЭ, устанавливаемых на подшипниковый узел. При этом используется линейная локализация сигналов АЭ, изображаемая на развертке КП.

Объектом исследования являются подшипниковые узлы тягового подвижного состава.

Предметом исследования являются теоретические и экспериментальные методы контроля объектов с малыми геометрическими размерами, включая свободные КП, локализацию сигналов АЭ в объектах железнодорожного транспорта.

Целью работы является разработка методов повышения достоверности АЭ-контроля свободных колец подшипников буксового узла подвижного состава.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1 Разработать метод локализации источников сигналов АЭ в объектах с малыми геометрическими размерами.

2 Проанализировать влияние погрешностей координат установки пьезо-преобразователей на точность локализации источников сигналов АЭ.

3 Провести анализ погрешностей локализации сигналов АЭ в свободных КП при статическом нагружении.

4 Разработать информационные критерии браковки свободных КП по анализу сигналов АЭ.

5 Разработать методику АЭ-контроля свободных КП.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели использовались методы математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, кластерного анализа и теории распознавания образов.

Результаты, полученные при исследовании в результате отбраковки дефектных КП, подтверждены экспериментально на основе фрактографии зон разрушения. Экспериментальные исследования проводились с использованием микропроцессорных АЭ и тензометрических систем, сертифицированных в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии.

Научная новизна.

1 Предложен способ АЭ-контроля свободных КП при их статическом нагружении с последующим поворотом на 180°.

2 Дана оценка влияния погрешностей координат установки пьезопреоб-разователей на точность локализации источников сигналов АЭ.

3 Разработан метод АЭ-контроля объектов с малыми геометрическими размерами, позволяющий снизить погрешности локализации сигналов АЭ.

4 Разработаны критерии браковки свободных колец подшипников буксового узла при АЭ-контроле.

Практическая значимость работы. По результатам работы практически реализованы методики АЭ-контроля объектов с малыми геометрическими размерами в ФГУП «СибНИА им. С. А. Ч аплыгина» при испытаниях образцов и объектов авиационного транспорта. В проведенных исследованиях использовались АЭ-системы СЦАД-16.03 (свидетельство об утверждении типа средств измерений 1Ш.С. 27.007.А.№ 39 729, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под № 18 892−10), СЦАД-16.10 (свидетельство об утверждении типа средств измерений 1Ш.С. 27.007.А. № 40 707, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под № 45 154−10), сертифицированных в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии. Разработан способ АЭ-диагностирования КП буксового узла, который запатентован и применяется при контроле внешних и внутренних КП железнодорожных транспортных средств.

На защиту выносятся:

1 Метод локализации сигналов АЭ в объектах с малыми геометрическими размерами с использованием вейвлет-преобразований, позволяющий определять времена прихода сигналов АЭ на пьезопреобразо-ватели в момент достижения вейвлет-коэффициенгом максимального значения.

2 Методика локализации сигналов АЭ в свободных кольцах подшипников.

3 Критерии браковки свободных колец подшипников буксового узла при АЭ-контроле.

4 Анализ влияния погрешностей координат пьезопреобразователей на точность локализации сигналов АЭ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Качество и шшовации — основа современных технологий» (Новосибирск 2010), конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН, 2010, V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Аэродинамика и прочность авиационных конструкций», посвященной 70-летию со дня основания СибНИА (Новосибирск, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы в соавторстве опубликовано 11 работ, из них 4 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, утвержденных ВАК РФ, получен патент РФ, опубликована монография.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающей 93 наименования. Работа изложена на 134 страницах, содержит 52 рисунка, 5 таблиц.

выводы.

1. Анализ работ, связанных с прочностными испытаниями свободных КП методом АЭ показал, что выбор режима нагружения кольца подшипникового узла является важной методической задачей. Контроль за величиной механической нагрузки, прикладываемой к кольцу, осуществлялся с использованием тензометрии. При разработке стендов для АЭ-контроля свободных КП учитывалась необходимость обеспечения нагружения для инициирования сигналов АЭ, так как при нагружении металла кольца сигналы АЭ отражают характер пластической деформации на микроуровне.

2. Измерение деформаций кольца, распределение напряжений по поверхности кольца при испытаниях проводились с использованием тензометрии. Для этого на внутренние и наружные поверхности колец наклеивались проволочные тензодатчики ПКС-5−120. Информация с тензодатчиков поступала на вход автоматизированной микропроцессорной те изометрической системы ММТС-64.01.Между компьютерами тензосистемы ММТС-64.01 и АЭ-системы СЦАД-16.10 осуществлялся обмен информацией.

3.При АЭ-контроле свободных КП буксового узла нагружение производилось сжимающей, монотонно увеличивающейся механической нагрузкой. В процессе нагружения измеряли величину механической нагрузки в функции времени, регистрировали сигналы АЭ, осуществляли их перевод в цифровой эквивалент с последующей обработкой по разработанному для КП алгоритму, фильтрацию помех, регистрацию РВП и определение координат развивающихся дефектов. Результаты испытаний были подтверждены фрактографией зоны кольца, где были локализованы сигналы АЭ.

4. Разработан метод расчета координат источников сигналов АЭ в объектах с малыми геометрическими размерами при их статическом и циклическом нагружении в процессе ресурсных испытаний. Показано, что при АЭ-контроле малогабаритных объектов время распространения акустического сигнала и погрешность в определении времени прихода современными микропроцессорными АЭ-системами оказываются соизмеримыми величинами. Это приводит к большим погрешностям локализации дефектов в объектах с малыми геометрическими размерами. Поэтому было предложено применять вейвлет-преобразования, позволяющие более точно определять время прихода сигналов АЭ в момент достижения вейвлет-коэффициентом кщмаксимального значения.

5. Предложено к применению три методики браковки дефектных КП. В первой методике браковка осуществляется по критерию, связанному с превышением порогового уровня по скорости счета и амплитуде сигналов АЭ. Она позволяет браковать кольца с развитыми усталостными дефектами. Для повышения надежности браковки на микроуровне разработана вторая методика браковки на основе локально-динамического критерия. При этом осуществляется одновременный анализ параметров сигналов АЭ (скорость счета, амплитуда, РВП, локализация) при возрастающей испытательной нагрузке. Третья методика браковки основана на использовании метода кластеризации по оцифрованной форме сигналов АЭ. При этом находится максимум корреляционной функции между сигналами АЭ. Если при выполнении АЭ-контроля КП уровень энергии в кластерах будет превышать установленное пороговое значение, то исследуемое кольцо бракуется.