05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ,
материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ижевск – 2013
Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества»
ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» (ИжГТУ имени М.Т. Калашникова)
Научный руководитель: Муравьев Виталий Васильевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Щенятский Алексей Валерьевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Мехатронные системы»
ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.
Калашникова»
Смирнов Александр Николаевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)
Защита состоится 24 мая 2013 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте механики УрО РАН по адресу: 426067, г.
Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики УрО РАН.
Автореферат разослан 18.04.2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Тарасов Валерий Васильевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: Бандаж является наиболее изнашиваемой частью локомотивного колеса. Разрушения бандажа не допустимы, так как создают угрозу безопасности движения. Основными причинами выхода из строя бандажей локомотивов являются: ослабление посадки, равномерный и неравномерный прокат, выщербины на поверхности катания и трещины, износ гребня. Одной из причин ослабления посадки и образования трещин бандажа являются недостаточный или чрезмерный натяг.
В процессе производства локомотивный бандаж подвергается операциям обработки давлением, резания и термической обработки (закалки с отпуском).
Термическая обработка бандажа приводит к формированию сложного напряженно-деформированного состояния бандажа. Последующая механическая обработка фрезерованием и напрессовка на колесный центр тепловым способом приводит к возникновению дополнительных растягивающих напряжений, усложняющих общее напряженно-деформированное состояние бандажа.
Неясен вопрос о перераспределении напряжений после воздействия упрочняющих технологий на поверхность катания бандажа. Кроме того, в процессе эксплуатации действие статических и циклических внешних нагрузок вносит изменение в распределение напряженного состояния и плотности посадки бандажа. Высокий уровень остаточных напряжений облегчает при наличии концентраторов появление и развитие усталостных трещин.
На сегодняшний момент отсутствуют методики неразрушающего контроля остаточных напряжений и натяга бандажа. Поэтому для гарантии безопасной работы колес локомотива требуется не только его дефектоскопия, но и контроль внутренних напряжений, позволяющий предупредить появление дефектов на ранней стадии. Использование акустического метода на основе явления акустоупругости позволяет оценивать напряженное состояние в объеме материала.
Степень разработанности темы: Основные положения теории акустоупругости и описание ультразвукового метода определения напряжений, варианты реализации эффекта акустоупругости, основанного на использовании объемных волн излагаются в работах исследователей из НАН Украины под руководством Гузя А.Н. Важные для теории акустоупругости исследования свойств материалов на базе нелинейной теории упругости, зависимости скоростей распространения поперечных и продольных волн от напряжений в металлах и пластмассах, экспериментальное определение упругой и текстурной анизотропии проводились сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством Буденкова Г.А., Бобренко В.М. В научной школе ИжГТУ Буденковым Г.А. разработана методика контроля гидропрессовых соединений на основе акустического эхоимпульсного метода. Использование различных волн для измерения остаточных напряжений в кольцах подшипников, трубопроводах, вблизи стыковых сварных соединений, описание методик и принципов действия приборов для контроля остаточных напряжений рассматриваются в работах научных школ СГУПСа, ИжГТУ под руководством Муравьева В.В., ИФПМ СО РАН под руководством Зуева Л.Б., НФ ИМАШ РАН под руководством Никитиной Н.Е., теоретической проработке методов акустической тензометрии для контроля технических объектов посвящены работы ученых R.W. Benson, V.J. Realson, P. Mason, E.
Shnider и др.
Рассмотренные результаты теоретических и экспериментальных исследований по акустоупругости, а также исследование напряженно-деформированного состояния в деталях производственных объектов и опыт промышленного использования ультразвука для этих целей позволили разработать основы методологии акустической тензометрии. Однако для применения метода акустоупругости отсутствуют методики контроля на реальных инженерных объектах, при определении напряжений возникают проблемы, связанные с влиянием внешних факторов.
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2011 годы)» по проекту № 2.1.2/12069; Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 г.г. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ мероприятия 2 «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности»; ГТ-2-12 в рамках мероприятия 3.1. «Организация научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».
Целью работы является обоснование метода неразрушающего контроля натяга и остаточных напряжений термоупрочненных бандажей локомотивных колес с использованием явления акустоупругости и электромагнитноакустического преобразователя.
В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:
1. Моделирование и расчет напряжений в бандажах локомотивных колес после термического упрочнения и после натяга.
2. Экспериментальные исследования остаточных напряжений по толщине и по окружности бандажей до посадки на колесные центры.
3. Проведение экспериментальных исследований по определению напряженного состояния при посадке бандажей на колесные центры, при электроконтактном упрочнении поверхности катания.
4. Исследование мешающих факторов, влияющих на результаты контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей.
5. Разработка ультразвуковой методики контроля остаточных напряжений и степени натяга бандажей локомотивных колес.
Объект исследований. Информативные параметры акустических волн при исследовании напряженно-деформированного состояния бандажей локомотивных колес.
Предмет исследований. Распределение остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после натяга, после упрочнения поверхности катания.
Методология и методы исследования. В работе представлены материалы, полученные на основе ультразвукового поляризационно-временного метода.
Решение поставленных задач осуществлялось с использованием специализированного оборудования. Исследования проводились в соответствии с требованиями нормативной документации по изготовлению, ремонту и эксплуатации бандажей локомотивных колес. Результаты экспериментов, представленных в диссертации, были проведены в лабораторных и цеховых условиях.
Достоверность и обоснованность обеспечивается использованием подходов теории акустоупругости, механики сплошных сред, теории акустики, большим объемом экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей и результатами моделирования.
Научная новизна 1. Впервые теоретически и экспериментально обосновано применение метода акустоупругости для контроля натяга бандажей локомотивных колес, реализованного с использованием электромагнитно-акустического преобразователя, по величине распределения остаточных напряжений по толщине бандажа, рассчитываемых по разности скоростей поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией.
2. Разработаны модели формирования остаточных напряжений бандажей локомотивных колес после термического упрочения и натяга на основе метода конечных элементов.
3. Впервые обоснован и подтвержден экспериментально ультразвуковой метод оценки остаточных напряжений по толщине бандажа и по его окружности, после термического упрочнения бандажа и электроконтактного упрочения поверхности катания колес, и при формировании колес в цеховых условиях и на стадии эксплуатации.
4. Показано, что влияние внешних факторов (температуры, магнитных полей, текстуры проката и анизотропной структуры материала) на погрешность контроля остаточных напряжений учитывается предварительными измерениями разности времен прихода импульсов в бандаже, свободном от напряжений до посадки на колесный центр.
Теоретическая и практическая значимость 1. Выработан подход к контролю натяга и остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес с использованием явления акустоупругости, основанный на разности времен пробега поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией, распространяющихся по одному лучу в направлении толщины бандажа.
2. Рассчитана теоретически и подтверждена экспериментально неравномерность остаточных напряжений по толщине бандажа и по окружности колеса.
3. Методика контроля остаточных напряжений и натяга бандажей на центрах локомотивных колес испытана в локомотивных депо Киевская, Агрыз, Зуевка, на заводе «Уральские локомотивы» г. Верхняя Пышма, используется в учебном процессе подготовки студентов ИжГТУ по направлению 200100, при выполнении курсового и дипломного проектирования, а также в научно-исследовательской работе.
Положения, выносимые на защиту 1. Результаты численного моделирования формирования остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес после натяга и термического упрочнения.
2. Результаты теоретической и экспериментальной оценки неравномерности распределения остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес по толщине и по окружности с применением явления акустоупругости.
3. Результаты оценки натяга бандажей локомотивных колес по уровню остаточных напряжений, заключающиеся в измерении разности скоростей поперечных волн с взаимно перпендикулярной поляризацией с учетом коэффициента акустоупругости.
4. Результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес до и после их упрочнения методом электроконтактной наварки.
5. Методика оценки натяга бандажей локомотивных колес по найденным критериям с учетом остаточных напряжений и факторов, влияющих на чувствительность и погрешность измерений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: IX выставке– сессии инновационных проектов (г. Ижевск, 15–16 апреля 2010 г.); VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение (г. Екатеринбург, 2010 г.); Научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики (г.
Улан-Удэ, 19 – 22 июля 2010 г.); Выставке-сессии инновационных проектов второго Республиканского инновационного форума (г. Ижевск, 23 – 24 ноября 2010 г.); VI Всероссийской научно-технической конференции научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15 – 18 марта 2011 г.); Республиканской выставке-сессии инновационных проектов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14 – 19 апреля 2011 г.);
XXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля»
(г. Екатеринбург, 16 – 18 мая 2011 г.); XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г.
Самара 6 – 8 сентября 2011 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15 – 17 ноября 2011 г.); II Всеросс. науч.-техн. конф.
студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Ижевск, 14 – 16 мая 2012 г.);
Международная конференция «Электрон-фононные и спиновые воздействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах» (г. Туапсе, 10 – 17 сентября 2012 г.);
VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (г. Ижевск, 14 – 16 ноября 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получен один патент на полезную модель.
Личный вклад автора. Результаты численных и экспериментальных исследований, модели и методики, представленные в диссертации, получены автором лично, с использованием экспериментальной установки разработанной на кафедре «Приборы и методы контроля качества». Выбор приоритетов, направлений и методов исследований и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнено при активном участии научного руководителя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 138 наименований, приложений. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 18 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены технология изготовления бандажей локомотивных колес и его конструктивные особенности. Проведен анализ дефектов, встречающихся в бандаже локомотивного колеса и причины их появления. Рассмотрены способы оценки прочности посадки соединений с натягом. Описана схема формирования распределения остаточных напряжений в сечении бандажа после изготовления, методы оценки остаточных напряжений. Из анализа технологии формирования локомотивного колеса, методов оценки плотности посадки и напряженно-деформированного состояния был сделано предположение о возможности контроля натяга бандажей локомотивных колес с использованием метода акустоупругости.
На основе анализа литературных источников был сделан вывод о перспективности использования этого метода, в связи с возможностью возбуждения многообразия типов ультразвуковых волн (продольных, сдвиговых, поверхностных и т.д.). Применение ЭМА метода возбуждения-приема ультразвуковых волн позволяет: в существенной мере отстроиться от качества акустического контакта, реализовать метод многократных отражений, позволяющий существенно повысить точность измерений; использовать в качестве дополнительного информативного параметра для оценки остаточных напряжений амплитуды электромагнитно-акустического преобразования.
На основании анализа объекта и предмета исследований сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе описывается методическое и аппаратное обеспечение для оценки напряженно-деформированного состояния. Для реализации метода акустоупругости использовался разработанный на кафедре «Приборы и методы контроля качества» опытный образец структуроскопа для определения времени пробега импульсов ультразвуковых волн на основе ЭМА метода контроля.
В основу работы информационно-измерительной системы положен способ регистрации серии отраженных акустических импульсов с последующей обработкой с помощью специализированного программного обеспечения, которое позволяет с необходимой точностью определять разность времен прихода двух поперечных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, наблюдаемых на экране монитора одновременно в виде эхограмм многократных переотражений.
Применение в разработанной установке в качестве регистратора платы АЦП с частотой дискретизации 500 МГц позволяет обеспечить инструментальную погрешность измерения времени распространения волны 5 нс.
Для решения поставленных задач разработан электромагнитно-акустический преобразователь, техническим результатом которого явилось повышение его чувствительности, увеличение числа отражений и повышение точности определения времени распространения ультразвуковых волн в контролируемом объекте для оценки скорости волн, а также получение информации о задержках отраженных импульсов упругих волн с различной поляризацией.
Рисунок 1 – Электромагнитно-акустический преобразователь а) общий вид электромагнитно-акустического преобразователя; б) топография магнитного поля в системе «преобразователь-контролируемое изделие»
концентраторы (1), выполненные из ферромагнитного материала; а параллельные стороны индуктивной катушки расположены у соответствующих торцов;
постоянный магнит (2) с параллельной рабочей поверхности намагниченностью расположен между концентраторами со стороны рабочей поверхности, постоянные магниты (3) с перпендикулярной рабочей поверхности намагниченностью, расположенные в торцах концентраторов со стороны, противоположной рабочей поверхности, и полюсами со стороны одноименных полюсов постоянного магнита с параллельной намагниченностью;
Перемычки (4), соединяющей вторые торцы постоянных магнитов с перпендикулярной намагниченностью;
индуктивную катушку (5), выполненную плоской с не менее чем двумя параллельными сторонами, расположенную у концентраторов.
Данная конструкция позволяет увеличить нормальную составляющую магнитной индукции до 2,7 Тл в объекте контроля, что позволяет повысить чувствительность электромагнитно-акустического преобразователя.
О наличии напряженного состояния в изделии судят по количественному отклонению разности времен прихода двух волн под действием напряжения.
Сдвиговые волны, поляризованные в плоскости максимальных растягивающих напряжений, имеют меньшее время задержки нежели волны, поляризованные в радиальной плоскости. Для расчета остаточных напряжений используется соотношение:
где Da – фактор акустической анизотропии материала, обусловленный вкладом напряженного состояния, текстуры проката и структуры после термической обработки; Da0 – фактор, учитывающий вклад текстуры и структуры; t1 и t2 – значения измеряемых временных задержек сдвиговых волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях соответственно; t 01 и t 02 – значения временных задержек сдвиговых волн в отсутствии напряженного состояния; D – акустоупругий коэффициент рассчитан через постоянную Ламе и постоянную третьего порядка Мурнагана для исследуемой углеродистой стали D = –120 ГПа.
В основу методики оценки временных интервалов положен алгоритм измерения временных точек на эхограмме многократно отраженных импульсов объемных (сдвиговых) волн. Экспериментально показано, что измерение временной точки по нулевому уровню после первого максимума обеспечивает наименьшую случайную погрешность порядка 7 нс.
На результаты измерений существенное влияние могут оказывать различного рода помехи. Факторы, влияющие на погрешность контроля, можно разделить на три категории:
внешние воздействия (тепловые, магнитные, электрические);
физико-механические свойства материала объекта контроля;
условия проведения контроля (геометрия детали, переходный слой, шероховатость поверхности и др.).
Так как термоакустический коэффициент имеет отрицательный знак, то с увеличением температуры скорости распространения объемных волн уменьшаются. Однако сдвиговые волны, используемые для расчета напряженного состояния, распространяющиеся на одном участке, имеют одинаковую температурную зависимость.
Рисунок 2 – Места установки ЭМА преобразователя: а) с распространением волн по ширине, б) по толщине бандажа; в) по окружности бандажа Для оценки напряжений в бандажах колес ЭМА преобразователь перемещают по внутренней боковой поверхности от 10 до 55 мм от поверхности катания, не менее чем в четырех сечениях, как показано на рисунке 2.
В исследованиях измеряется время распространения двух сдвиговых ультразвуковых волн, распространяющихся нормально к внутренней боковой поверхности бандажа.
«