VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Одним из факторов, непосредственно влияющим на безопасность движения на железнодорожном транспорте, являются изломы боковых рам тележек грузовых вагонов в результате возникновения и развития усталостных трещин. Анализ количества изломов боковых рам тележек грузовых вагонов, по данным ОАО РЖД показывает, что за период с 2006 по 2013 год произошло существенное изменение структуры данного вида отказов подвижного состава. Если, за период до 2010 года количество изломов боковых рам составляло единицы в год, и носило случайный характер, то, начиная с 2010 года, количество изломов превысило два десятка и достигло в 2013 году максимума – 35 изломов за год. Данный факт позволяет сделать вывод о системности дефектов литых деталей (рис. 1).

Рис. 1. Количество изломов боковых рам тележек грузовых вагонов за 2006–2013 годы

Источник: ОАО «РЖД»

Причиной излома боковой рамы является наличие скрытых дефектов. Например, в заключении по аварии, случившейся на Забайкальской железной дороге 30 января 2012 года, сообщается: «Разрушение боковой рамы … произошло по причине образования и развития усталостной трещины», что, в свою очередь, напрямую связано с наличием «внутренних литейных дефектов в нижнем сечении буксового проема боковой рамы (R55) в невидимой для осмотрщиков вагонов зоне, которые привели к концентрации напряжений и дальнейшему ее излому». «Внутренние литейные дефекты» каждый раз одни и те же: внутренние усадочные раковины и плохо заваренные «горячие трещины», а по сути – те же усадочные дефекты, выходящие на поверхность. Таким образом, причины аварий следует искать на заводах – изготовителях этих ответственных деталей.

Однако, определение причин возникновения скрытых дефектов и развивающихся на их основе усталостных трещин, приводящих к излому, позволяет внести корректировки в технологию производства вновь выпускаемых литых деталей, но не снимает остроты проблемы обеспечения безопасности движения, поскольку за период, как минимум, пять лет выпущены и находятся в эксплуатации десятки тысяч боковых рам, являющихся потенциальными носителями скрытых дефектов. Существующие технологии и методы обнаружения скрытых дефектов литых деталей, как и развивающихся на их основе усталостных трещин тележек грузовых вагонов, основаны на стендовых испытаниях во время проведения планового деповского ремонта с обязательной выкаткой и разборкой тележек. Несвоевременное обнаружение скрытых дефектов может повлечь экстренное развитие усталостных трещин, и, в последующем, привести к возникновению аварийных ситуаций.

Таким образом, своевременное определение скрытых дефектов и развивающихся усталостных трещин в боковых рамах грузовых вагонов является актуальной задачей для обеспечения безопасности движения. Существует настоятельная необходимость в разработке мобильных устройств для экспресс-оценки действительного состояния литых деталей тележек грузовых вагонов с целью установления их работоспособности в пределах гарантийного участка. Задача заключается в разработке компактного мобильного устройства для своевременного обнаружения скрытых дефектов, обладающего способностью преобразования информации в сигнал, удобный для восприятия оператором и записи результатов испытаний. Устройство должно обеспечивать гарантированное обнаружение как деталей как с уже сформировавшимися усталостными трещинами, так и потенциально предрасположенными к их образованию.

Известно, что процессу разрушения литых деталей тележек грузовых вагонов предшествует возникновение и развитие усталостных трещин под действием периодических знакопеременных нагрузок, имеющих место в процессе эксплуатации. Так же известно, что процессу возникновения и развития усталостных трещин наиболее подвержены кристаллические структуры, обладающие меньшей пластичностью и повышенной твердостью.

Приведенным условиям возникновения усталостных трещин отвечают мелкозернистые кристаллические структуры металла, образующиеся в процессе термического воздействия при резком охлаждении во время литья в песчано-глинистые формы, при условии несоблюдения технологии разливки и кристаллизации. Для изготовления деталей тележек грузовых вагонов применяются стали марок 20Л, 20ГЛ, 20ГФЛ, относящиеся к классу малоуглеродистых, подвергаемых термической обработке. Определить приближенно зернистость указанных марок сталей возможно косвенными способами:

– по твердости стали при помощи твердомеров (высокая твердость свидетельствует о мелкозернистости);

– по частотам и виду акустического сигнала, распространяющегося в детали в результате импульсного воздействия – легкого удара (высокая частота и длительные незатухающие колебания свидетельствуют о мелкозернистости).

Провести экспресс-измерение твердости в производственных условиях без отцепки вагонов и выкатки тележек для определения скрытых дефектов, типа развивающихся усталостных трещин, не представляется возможным, поскольку требует предварительной подготовки поверхности – удаления слоя краски и зачистки поверхности от дефектов литья. Таким образом, для решения поставленной задачи разработки мобильной версии прибора, при определении перспективного физического метода экспресс-обнаружения скрытых дефектов литых деталей тележек грузовых вагонов, были выдвинуты следующие критериальные требования:

– простота способа получения и регистрации критериального сигнала;

– отсутствие необходимости предварительной подготовки поверхности испытуемой детали;

– всепогодность независимость от климатических условий;

– наличие широкой номенклатуры промышленно выпускаемой контрольно-измерительной аппаратуры.

Сотрудниками кафедры «Подвижной состав железных дорог» (ПСЖД) Забайкальского института железнодорожного транспорта (ЗабИЖТ) был произведен обзор существующих методов неразрушающего контроля дефектов литых металлических конструкций. Было установлено, что к ним относятся разновидности ультразвуковых, магнитных, вихретоковых, рентгенографических и акустических методов. Не вдаваясь в детальную оценку возможностей каждого из них, можно отметить следующее.

Для реализации ряда методов требуется предварительная подготовка объекта к проведению контроля. Например, очистка поверхности для установки датчиков. К таким методам относятся ультразвуковые и магнитные методы. Поэтому, их применение для организации оперативного контроля боковых рам тележек представляется нецелесообразным. Широко распространенные методы акустической эмиссии требуют специально организованных стендов и устройств для создания значительных механических нагрузок, что так же является проблематичным для решения поставленной задачи. В связи с этим, был сделан вывод о целесообразности использования акустических методов для проведения поиска дефектов рам тележек во время их осмотра.

Акустические методы контроля основаны на применении упругих колебаний и волн, точнее, на регистрации параметров упругих волн, возникающих в объекте контроля при воздействии на него внешнего возмущающего ударного или гармонического воздействия. Акустические методы делятся на пассивные и активные методы. Пассивные методы, при которых не требуется внешнее тестовое воздействие, обычно применяют во время рабочего функционирования объекта контроля. Активные методы предполагают использование внешнего, специально организованного воздействия. Выбор был сделан в пользу использования активных методов, поскольку в этом случае появляются более широкие возможности управления контрольными операциями.

Основными способами ударного возбуждения упругих колебаний в контролируемом изделии являются: механический (электромеханический), пьезоэлектрический, электромагнитно-акустический, газодинамический и оптический. Для оперативного применения акустических способов контроля представляется целесообразным использование механического способа, как наиболее легко организуемого. В свою очередь, в зависимости от параметров вибрации, создаваемой объектом контроля при воздействии на него, различают импедансный метод и спектральные методы. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками.

Для выполнения предварительного исследования акустических методов контроля в применении их для контроля рамы тележки на кафедре ПСЖДЗабИЖТ был разработан и изготовлен вариант комплекса, позволяющий организовать процедуры получения первичной диагностической информации от объекта контроля и обеспечивающий использование всех известных методов математической обработки сигналов. Структурная схема комплекса приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема комплекса

На рис. 3 приведена фотография варианта аналитического комплекса для экспресс-анализа обнаружения скрытых дефектов боковых рам.

Для приема колебаний имеется датчик колебаний магнитоэлектрического типа, сигнал с которого после усиления в усилителе поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и после преобразования в цифровом виде поступает в компьютер. В составе комплекса отсутствует фильтр. Его функции реализуются программным способом при обработке исходного сигнала. При этом оказывается возможность реализации любого типа фильтра с необходимой частотной характеристикой. Однократный процесс измерения запускается автоматически, с приходом акустического сигнала на датчик. Длительность записи и время дискретизации сигнала задаются программным образом в программе виртуального осциллографа. В качестве критериальных признаков наличия усталостных трещин приняты частотные характеристики и логарифмический декремент затухания колебаний. На приведенной на рис. 3 осциллограмме затухающих колебаний боковой рамы тележки грузового вагона отчетливо видно, что полученный сигнал позволяет произвести его обработку в режиме реального времени. Характер полученного сигнала позволяет сделать вывод о том, что в исследуемой системе имеет место скрытый колебательный процесс, представляющий интерес для мониторинга. Обработка исходной диагностической информации выполняется в программном пакете MatLab, который обладает практически всеми известными методами обработки данных. Для переноса полученных данных от объекта контроля в среду MatLab, программа виртуального осциллографа была доработана с целью возможности сохранения результатов измерения в формате Excel, из которого они легко экспортируются в MatLab.

Рис. 3. Программно – технический комплекс

В настоящее время на кафедре ПСЖД ЗабИЖТ ведется накопление базы данных по боковым рамам тележек грузовых вагонов, находящихся в обращении по Забайкальской железной дороге, и транзитных вагонов.

Код для цитирования: Скопировать