На правах рукописи

Балобанов Евгений Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО И АЛГОРИТМИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБОДЬЕВ

ВАГОННЫХ КОЛЕС НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО

МЕТОДА

Специальность:

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: Захаров Владимир Анатольевич, доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГБУН Физико-технический институт Уральского отделения Российской академии наук Ахмеджанов Равиль Абдрахманович кандидат технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство»

ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ФГБУН Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук

Защита состоится в 13 декабря 2013 г. в 14.00 ч. 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 12 ноября 2013 г.

Ученый секретарь Тарасов Валерий диссертационного совета Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обод цельнокатаного железнодорожного колеса является наиболее ответственным элементом, воспринимающим нагрузки от вагона и взаимодействующим с рельсом. Надежность этого элемента определяется не только качеством металла, его прочностью, но и остаточными напряжениями.

Внутренние напряжения в ободе колеса формируются при изготовлении и перераспределяются вследствие значительных ударных и циклических нагрузок.

Высокий уровень технологических остаточных напряжений совместно с эксплуатационными факторами приводят, при наличии концентраторов напряжений, к зарождению и ускоренному росту трещин.

Таким образом, необходимым условием повышения безопасности движения на железной дороге является контроль остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес как на предприятиях- изготовителях, так и на вагоноремонтных заводах (депо), осуществляющих плановые работы по техническому обслуживанию подвижного состава.

Перспективный вариант оценки напряженного состояния связан с эффектом акустоупругости, который заключается в установленной зависимости упругих свойств материала от величины напряженного состояния. В связи с этим разработка способов, алгоритмов и устройств для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес является актуальной научно-технической задачей.

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 «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности»; ГТ-1-12 в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».

Степень разработанности темы. Значительный вклад в изучение общих вопросов теории и практики акустоупругости внесли сотрудники ИЭС НАН Украины под руководством Гузя А.Н. В работах Бобренко В.М. рассматривается решение задач по созданию ультразвуковых методов и аппаратуры контроля механических напряжений в элементах металлоконструкций. Значимыми для практической реализации акустической тензометрии являются исследования Никитиной Н.Е. (ИПМ Нижегородского НЦ РАН), направленные на разработку методов контроля напряженного состояния в металлоконструкциях и деталях машин, в том числе в ободьях цельнокатаных колес. Работы Муравьева В.В. посвящены исследованию влияния структурного и напряженно-деформированного состояния металлов на скорость распространения ультразвуковых волн. Под руководством Горкунова Э.С.

(ИМАШ УрО РАН) развивается научное направление по определению напряженнодеформированного состояния металлопроката, деталей машин и механизмов магнитными методами контроля. Исследованиями закономерностей изменения коэрцитивной силы ферромагнитных сталей при двухосной деформации занимается Захаров В.А (ФТИ УрО РАН).

В работах Шкарлета Ю.М., Сазонова Ю.И., Шубаева С.Н., Буденкова Г.А., Комарова В.А., Ильина И.В. рассмотрена связь параметров акустических колебаний и полей физических сил при электромагнитно-акустическом (ЭМА) преобразовании, порождающих эти колебания. Вопросами влияния конструктивных особенностей ЭМА преобразователей на эффективность их работы занимались Глухов Н.А., Маскаев А.Ф., Квятковская В.Н., Петров Ю.В., Малинка А.В., Аббакумов К.Е.

Существенный вклад в развитие акустических методов контроля материалов и изделий с использованием ЭМА преобразования внесли Гуревич С.Ю., Ильясов Р.С., Буденков Б.А., Мужицкий В.Ф, Бабкин С.Э., Сучков Г.М.

Акустическая методика контроля остаточных напряжений в ободьях колес применяется в зарубежной практике, начиная с 90-х годов XX века, что отражено в работах западных исследователей: Schramm R. E., Kristan J., Gordon J., Del Fabbro V,.

Schneider E. Исследования и разработка средств контроля остаточных напряжений в ободьях колес ведутся в Петербургском государственном университете путей сообщения (руководитель Дымкин Г.Я.).

Цель работы. Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием электромагнитноакустического преобразования и эффекта акустоупругости.

Цель работы соответствует следующим областям исследования по паспорту специальности 05.11.13: п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п.3. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»; п.6.

«Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Задачи, решаемые в диссертации 1. Выбор и обоснование оптимальных параметров электроакустического тракта и конструкции ЭМА преобразователя сдвиговых волн, позволяющего реализовать метод многократных отражений при акустической тензометрии ободьев цельнокатаных колес.

2. Разработка способа определения коэффициента упругоакустической связи для колесных сталей.

3. Определение величины вклада акустической анизотропии, обусловленной структурой металла, при контроле напряженного состояния в ободьях цельнокатаных колес вагонов.

4. Разработка алгоритма выделения и обработки информативных параметров импульсов ультразвуковых сдвиговых волн для повышения точности методики контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.

5. Экспериментальное исследование распределения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием ЭМА преобразования совместно с методом многократных отражений и выработка рекомендаций к методике контроля.

Научная новизна диссертационной работы 1. Создана модель возбуждения и приема сдвиговых ультразвуковых волн ЭМА преобразователем, объединяющая аналитические исследования основных закономерностей формирования акустического поля в зависимости от конструктивных параметров преобразователя с результатами аналитического расчета величины и характера распределения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля систем подмагничивания.

2. Впервые предложен алгоритм обработки и выделения информативных параметров, включающий анализ формы сигнала и времени распространения сдвиговых волн, позволяющий повысить точность результатов измерений при проведении контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.

3. Разработан способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием метода многократных отражений, позволяющего регистрировать изменение скорости сдвиговых волн с необходимой точностью.

4. Впервые экспериментально обнаружена неравномерность распределения остаточных напряжений в ободе колеса, заключающаяся в отличии величины контролируемых напряжений по окружности на одинаковом расстоянии от поверхности катания.

5. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены рекомендации к проведению акустической тензометрии методом акустоупругости остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью ЭМА возбуждения и приема волн в совокупности с методом многократных отражений Теоретическая и практическая значимость Созданная модель электроакустического тракта накладных ЭМА преобразователей обладает теоретической значимостью для исследования чувствительности ЭМА метода возбуждения и приема ультразвуковых волн в зависимости от формы и размеров апертуры преобразователя, рабочей частоты, силы тока и количества витков в индукторе, величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.

Практической значимостью обладают разработанные конструкции ЭМА преобразователей сдвиговых волн, предназначенные для контроля крупногабаритных металлоизделий (подтверждено двумя патентами на полезную модель), и оценка вклада фактора акустической анизотропии в результаты контроля остаточных напряжений ободьев цельнокатаных колес.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при обосновании рекомендаций к проведению контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью ЭМА метода (подтверждено актом об использовании результатов ОАО «Выксунский металлургический завод»).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 200100.62 «Приборостроение» и магистров по направлению 200100.68-21 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (акт об использовании ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.

Калашникова».

Объект исследования. Параметры распространения акустических волн в структурно неоднородных средах, характеризующихся напряженным состоянием.

Предмет исследования. Способы, алгоритмы и устройства для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений методом акустоупругости в ободьях цельнокатаных колес.

использованные в настоящей работе, включали элементы теории упругости, акустики твердого тела, электромагнитного поля. Обработка акустических сигналов проводилась при помощи математического аппарата Фурье-преобразования и корреляционного анализа. Моделирование осуществлено на базе вычислительной техники с использованием пакетов программ Mathcad, Elcut, Matlab.

Экспериментальные исследования выполнялись с использованием ЭМА метода возбуждения и приема ультразвуковых волн, метода многократных отражений, включающего эхо-импульсный и эхо-сквозной методы, метода акустоупругости, металлографии.

Положения, выносимые на защиту 1. Модель электроакустического тракта сдвиговых волн при ЭМА преобразовании, объединяющая закономерности формирования акустического поля в зависимости от формы и размеров апертуры преобразователя, рабочей частоты, силы тока в индукторе с результатами моделирования величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.

2. Алгоритм обработки и выделения информативных параметров, заключающийся в анализе формы регистрируемых импульсов сдвиговых волн с помощью функции взаимной корреляции, позволяющей определять разницу времен распространения сигналов, при проведении акустической тензометрии ободьев цельнокатаных вагонных колес.

3. Способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием ЭМА преобразования и метода многократных отражений.

4. Экспериментально выявленные закономерности распределения остаточных напряжений по толщине и окружности обода цельнокатаного вагонного колеса.

5. Рекомендации к реализации контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес, заключающиеся в использовании научно обоснованных рабочих параметров ЭМА преобразователя сдвиговых волн, алгоритма выделения и обработки информативных сигналов в совокупности с экспериментальными данными о вкладе акустической анизотропии в результаты контроля.

Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории акустоупругости, теории акустики твердого тела, теории упругости, теории электромагнитного поля, теории спектрального анализа сигналов; заданием корректных начальных условий при моделировании методом конечных элементов, проведением исследований на реальных объектах контроля в производственных условиях, согласованностью экспериментальных данных с результатами моделирования, воспроизводимостью экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всерос. НТК студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика» (г.Ижевск, 2010 г.); XVI Всерос. НК студентов-физиков и молодых ученых (г. Волгоград, 22-28 апреля 2010 г.); VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2010 г.); Европейской конф. по неразрушающему контролю (г. Москва, 7-11 июня 2010 г.); VI Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2010 г.); XXV Уральской конф. «Физические методы неразрушающего контроля» (г. Екатеринбург, 16-18 мая 2011 г.); VI Всерос. НТК аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые – ускорению научнотехнического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15-18 марта 2011 г.); XIX Всерос.

НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 6- сентября 2011 г.); VII Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15-17 ноября 2011 г.); II Всерос. НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерение, контроль и диагностика»

(г. Ижевск, 14-16 мая 2012 г.); XIII Всерос. школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Верхняя Пышма, 7-14 ноября 2012 г.); VIII Всерос. НТК с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 14-16 ноября 2012 г.); XXVI Уральской конф. «Физические методы неразрушающего контроля»; II Международной конф. «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов» (с. Ольгинка, г. Туапсе, 23-30 сентября 2013 г.).

За успехи в научной деятельности и активное участие в общественной жизни ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.

Калашникова» автор удостоен стипендии Правительства РФ в 2012/2013 году.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 22 печатных работах, среди которых 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель и получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

Личный вклад автора. Модели, методики проведения исследований, алгоритмы, результаты численных и экспериментальных исследований, представленные в диссертации, получены автором лично. ЭМА преобразователи и экспериментальная установка, использованные при исследованиях, разработаны при активном участии автора. Постановка цели и задач исследований, определение методов их решения, интерпретация и анализ результатов выполнены совместно с научным руководителем. Вклад автора в совместных публикациях состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований, которые определяют основу диссертации и новизну полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав c краткими выводами по каждой главе, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Материал изложен на 144 страницах, включающих 55 рисунков и таблиц. Список цитированной литературы содержит 114 наименований.

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 рассмотрено влияние остаточных напряжений на эксплуатацию цельнокатаных железнодорожных колес; описан механизм формирования напряжений при производстве цельнокатаных колес; проведен сравнительный обзор методов неразрушающего контроля механических напряжений в металлоизделиях; рассмотрены теоретические положения теории акустоупругости.

Обоснована целесообразность применения ЭМА преобразования для возбуждения и регистрации ультразвуковых волн при реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес методом акустоупругости. Установлена необходимость исследования электроакустического тракта ЭМА преобразователей с целью оптимизации их конструкции для достижения высокой чувствительности при работе.

В результате обзора литературы и анализа объекта и предмета исследования сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

преобразователей, позволяющие возбуждать и принимать плоско-поляризованные поперечные волны, распространяющиеся по нормали к поверхности ввода; приведены результаты моделирования электроакустического тракта ЭМА преобразователей.

Описана конструкция магнитной системы ЭМА преобразователя на базе сильных постоянных магнитов и электромагнита. Произведен расчет распределения магнитного поля на границе воздух-сталь (рис. 1). Показано, что магнитное поле преобразователя при установке на объект контроля определяется нормальной составляющей, величина которой достигает значения технического насыщения стали.

Показано, что основной вклад в ЭМА преобразование при заданной форме излучателей и параметрах магнитного поля поляризации, вносит электродинамический механизм.

Проанализированы основные закономерности распространения акустических волн в объекте контроля. На основе полученных результатов предложено выбрать частоту 2,5 МГц (рис. 2) в качестве рабочей. Указанным частотам соответствует наименьшее ослабление амплитуды сигнала, а также меньшее искажение амплитудночастотной характеристики сигнала.

а) П-образная магнитная система б) Ш-образная магнитная система Рисунок 1 - Магнитная индукция (_) ЭМА преобразователя для магнитных систем на базе постоянных магнитов (а) и электромагнита (б): (….) – нормальная составляющая, Рисунок 2 - Амплитуда первого донного Рисунок 3 - Диаграмма направленности отражения при различных рабочих частотах ЭМА преобразователя на частоте 2.5 МГц:

Рассчитаны диаграммы направленности ЭМА преобразователей для обоих вариантов конструкций для частоты 2,5 МГц (рис. 3). Ширина раскрытия основного лепестка для ЭМА с П-образной магнитной системой -5,8°, для ЭМА с Ш-образной магнитной системой – 9°. Таким образом, ультразвуковой луч для данных частот сосредоточен в узком телесном угле.

По результатам моделирования рассчитаны амплитуды сигналов, приведенных к входу усилителя, в зависимости от рабочей частоты преобразователя, размера апертуры и значения импульсной силы тока в индукторе. В таблице приведены результаты расчета для индуктора с 20 витками.

Таблица - Величина электрического сигнала приведенного к входу усилителя Импульсный ток в Полученные зависимости и рекомендации позволили произвести оценку основных параметров и требований к используемой аппаратуре: полоса пропускания усилителя, коэффициент усиления, отношение сигнал/шум усилителя, импульсная сила тока в катушке индуктивности.

В третьей главе описана экспериментальная исследовательская установка, позволяющая реализовать акустическую тензометрию одноосного напряженного состояния; предложен способ определения коэффициента упругоакустической связи одноосного напряженного состояния для ферромагнитных сталей; обосновано применение метода многократных отражении при измерении временных параметров ультразвуковых волн; описан алгоритм выделения и обработки результатов измерений, заключающийся в анализе формы регистрируемых импульсов сдвиговых волн с помощью функции взаимной корреляции.

Рисунок 4 - Внешний вид экспериментальной установки Измерительный блок экспериментальной установки состоит из ЭМА преобразователя, генератора зондирующих импульсов, широкополосного усилителя и персонального компьютера с платой АЦП. Основные технические характеристики:

• амплитуда с генератора-2,0 кВ;

• рабочая частота – 2,5 MHz;

• полоса пропускания усилителя – 0,6 - 6,6 МГц по уровню -6 дБ;

• коэффициент усиления – 66 дБ;

• плата АЦП – разрешение 8 бит, частота дискретизации 500 МГц, ширина полосы пропускания 250 МГц.

С целью определения коэффициента упругоакустической связи одноосного напряженного состояния для ферромагнитных сталей разработан лабораторный стенд (рис. 5). Нормированное усилие обеспечивалось гидравлической испытательной машиной нагружения с максимальной нагрузкой 4000 кН. Возбуждение и регистрация ультразвуковых сдвиговых волн производилась с помощью экспериментальной установки и двух ЭМА преобразователей с П-образной магнитной системой на постоянных магнитах, включенных по раздельно-совмещенной схеме.

Воздействие внешних механических нагрузок на объект приводит к изменению скорости акустических волн. Различная степень изменения скорости сдвиговых волн с взаимно-перпендикулярными поляризациями при приложенных механических напряжениях позволяет записать систему уравнений:

где V1 - скорость сдвиговой волны с поляризацией в плоскости действия напряжений в объекте 1; V2 - скорость сдвиговой волны с поляризацией, перпендикулярной к плоскости действия напряжений 1; V01, V02 - начальные значения скорости волн в материале объекта; k1, k2 - коэффициенты акустоупругой связи, характеризующие степень влияния напряжений 1 на скорости сдвиговых волн.

Рисунок 5 - Функциональная схема лабораторного стенда (а) Регистрируемым информативным параметром при измерениях является время распространения ультразвуковых волн, что при известных размерах образца для испытаний позволяет определить значение скорости.

Прикладываемое усилие к образцу приводит к изменению базы прозвучивания при проведении измерений, что следует учитывать при анализе результатов (рис. 5).

Изменение протяженности пути сдвиговых волн можно найти с помощью коэффициента Пуассона :

где коэффициент Пуассона = 0,3.

Применение серии многократных отражений предоставляет возможность регистрации малых изменений времени распространения сдвиговых ультразвуковых волн, вызванных воздействием внешних механических напряжений в виду кратного увеличения времени распространения волны к номеру используемого отражения (рис. 6).

Коэффициенты k1, k2 могут быть получены из системы (1):

где V1, V2 - изменения скорости сдвиговых волн, вызванные действием напряжения Рисунок 6 - Регистрируемая эхограмма с многократными отражениями при проведении измерений для определения коэффициента упругоакустической связи Расчет изменения скорости с учетом увеличения пути ультразвукового сигнала при сжатии образца проводится по формуле:

где n=1,2… - номер донного отражения, l- база прозвучивания, l – изменение базы прозвучивания, t – время регистрации.

Экспериментально найденные значения коэффициентов акустоупругой связи k1 и k2 позволяют рассчитать коэффициент упругоакустической связи для одноосного напряженного состояния по формуле:

В качестве испытуемого образца использовался параллелепипед из стали 65Г с основанием в форме квадрата с размерами ll=4848 мм и высотой h=80 мм.

В результате эксперимента получены зависимости от нагрузки изменения скорости сдвиговых волн с взаимно-перпендикулярной поляризацией (рис. 7).

Анализ характера изменения скоростей показал, что для волны с поляризацией, совпадающей с направлением действия напряжений, эффект акустоупругости на порядок выше, чем для волны с поляризацией перпендикулярной направлению действия напряжений. Среднее расчетное значение k1 составило 7,43·10-12 Па-1, а для коэффициента k2 значение равно 5,48·10-13 Па-1. Коэффициент акустоупругости D (145±5) ГПа.

Рисунок 7 - Изменения скоростей сдвиговых волн V1, поляризованных вдоль нагрузки (1), и V2, поляризованных поперек нагрузки (2), на девятом отражении На практике, при реализации методики оценки остаточных напряжений, процедура измерения сводится к определению времени распространения двух сдвиговых волн, плоско-поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Векторы смещений сдвиговых волн лежат в плоскости действия напряжений. Связь регистрируемых временных параметров сигналов с величиной напряженного состояния представлена в формуле:

напряженного состояния, определенный экспериментально, a 1 2, a 0 - параметры акустической анизотропии материала после и до возникновения оцениваемой величины напряженного состояния.

задержки волн в напряженном состоянии.

Из формулы (7) можно получить формулу для расчета:

где t - разница времен распространения импульсов сдвиговых волн, плоско поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях относительно действующих напряжений. Параметр a0 характеризуется текстурой и структурой металла обода и может быть принят за постоянную величину.

Применение взаимной корреляционной функции (ВКФ) позволяет определить взаимное расположение двух сигналов относительно друг друга по временной оси.

ВКФ дискретных сигналов определяется по формуле:

где N – общее число отсчетов в массиве данных, описывающих каждый из сигналов, n – временной сдвиг между дискретными сигналами f i и g i.

Координата максимума ВКФ по оси абсцисс соответствует временному сдвигу одного сигнала относительно другого, при котором перекрытие площадей сигналов будет максимальным, что однозначно дает возможность определения временной разницы между сдвиговыми волнами с взаимно перпендикулярной поляризацией.

Применение корреляционного анализа и метода многократных отражений положено в основу программного алгоритма обработки и выделения информативных параметров (рис. 8).

Разработанный алгоритм состоит из следующих шагов:

1.Определение порогового уровня шума U шум в зарегистрированной серии многократных отражений.

2.Определение числа пар донных сигналов, где оба импульса превышают уровень шума не менее чем на 12 дБ.

3.Выделение окнами обрабатываемых пар импульсов из серии многократных отражений 4.Определение по максимуму ВКФ временного сдвига между сигналами обеих волн.

5.Построение таблицы коэффициентов ВКФ. Отбрасывание значений временных задержек для пар сигналов, чьи значения отличаются от максимума ВКФ для первых донных отражений более чем на 30 %.

6.Нахождение среднего значения временного сдвига для пар донных отражений, удовлетворяющих условию (2).

7. Определение времени t1 распространения сдвиговой волны.

8.Расчет величины остаточных напряжений по формуле (8).

Рисунок 8 - Алгоритм обработки и выделения информативных параметров При использовании пар донных отражений с максимумом ВКФ не менее 70 % от уровня максимума ВКФ для первой пары донных отражений стандартные отклонения результатов определения временного сдвига не превышают инструментальную ошибку регистрации платы АЦП ±2 нс. Анализ формулы (8) показал, что инструментальная погрешность измерения t ±2нс позволяет оценивать напряжение с точностью не ниже ±3 МПа при использовании серии донных отражений, состоящей из трех импульсов.

В качестве порогового уровня шума U шум выбрано среднее арифметическое значение среднеквадратических величин шумов каждого канала вне зоны донных импульсов. Уровень 12 дБ позволяет надежно обнаруживать информативные сигналы на фоне шума при автоматической программной обработке эхограмм.

В четвертой главе рассмотрена методика измерений; представлены результаты исследований по учету фактора акустической анизотропии стали обода колеса; приведены результаты металлографического анализа структурного состояния металла обода колеса; описаны результаты исследований остаточных напряжений в новых и бывших в эксплуатации железнодорожных колесах.

При контроле остаточных напряжений необходимо учитывать фактор акустической анизотропии материала объекта. Акустическая анизотропия обусловлена необратимыми структурно-фазовыми превращениями в процессе производства, в результате обработки давлением и термической обработки. Фактор анизотропии, выражается в единицах напряжения и учитывается в виде дополнительного слагаемого при расчете.

Временные задержки сигналов, получаемые при контроле, определяются действием как поля остаточных напряжений, так и акустической анизотропией a 0, характеризуемой структурой и текстурой металла обода. Для учета фактора анизотропии необходимо освободить от связей границ фрагмент обода, что позволит измерить временные задержки t01, t02.

достигать 0,9938 (-50 МПа).

Рисунок 9 - Распределение остаточных напряжений в ободе цельнокатаного колеса:

1- остаточные напряжения с учетом анизотропии; 2- вклад фактора анизотропии;

Анизотропия в значительной степени зависит от структуры, сформированной в результате закалки. Поскольку обод колеса не прокаливается на всю глубину, это вызывает немонотонное по толщине формирование анизотропии свойств и структуры, что сказывается на значениях скоростей ультразвуковых волн, а как следствие - на результатах акустической тензометрии (рис. 9 кривая 2). Вычитание фактора анизотропии из кривой 3 (рис. 9) приводит к распределению остаточных напряжений по толщине обода близкому к линейному.

Проведенные металлографические исследования подтвердили, что вблизи поверхности катания наблюдается структура мелкозернистого сорбита, а по мере приближения к галтельному переходу структура стали состоит из крупных ферритоперлитных зерен (рис. 10).

Рисунок 10 - Структура: а) вблизи поверхности катания;

Исследование показало, что структура металла обода колеса обуславливает уменьшение скорости сдвиговых волн обоих поляризаций при движении от поверхности катания к галтельному переходу (рис. 11).

Рисунок 11 - Влияние структурного состояния металла фрагмента обода колеса № 91 2 8255 8 1463 43 на скорость распространения ультразвуковых волн:

1- плоскость поляризации волны параллельна окружным напряжениям;

2 - плоскость волны перпендикулярна окружным напряжениям По результатам исследования более чем 40 цельнокатаных колес выработаны рекомендации по (рис. 12) подготовке и проведению контроля остаточных напряжений. Произведена оценка характера распределения остаточных напряжений для разных видов колес (новых и бывших в эксплуатации марки 2 и марки Т).

Разработанное оборудование прошло испытания на заводах изготовителях (ОАО «Выксунский металлургический завод», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат»), а также в производственных условиях вагонных и локомотивных депо (депо Киевское г. Москва, вагонные депо г. Арзамас и г. Нижний Новгород).

Исследование остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных вагонных колес показало, что для новых колес максимальные значения сжимающих напряжений у поверхности катания не превышают допустимые и находятся в диапазоне от -50 до -190 МПа. Характерной закономерностью распределения остаточных напряжений является постепенное снижение абсолютной величины напряженного состояния по мере удаления от поверхности катания по направлению к галтельному переходу. Для большинства колес, изготовленных на Выксунском металлургическом заводе, переход от сжимающих напряжений в растягивающие (переход через ноль) происходит на расстоянии 50-60 мм от поверхности катания (рис. 13), что соответствует предъявляемым требованиям нормативных документов.

Рисунок 13 - Распределение остаточных напряжений по толщине обода Особенностью колес, изготовленных на Нижнетагильском металлургическом комбинате, является отсутствие явного перехода через ноль: величина остаточных напряжений снижается с удалением от поверхности катания, но при этом не происходит смены знака, т.е. напряжения остаются сжимающими вблизи галтельного перехода, что удовлетворяет требованию о толщине слоя сжимающих напряжений не менее чем в 40 мм. Колеса, бывшие в эксплуатации, в целом не отличаются по характеру распределения остаточных напряжений от новых колес.

Экспериментально обнаружена неравномерность распределения остаточных напряжений по окружности ободьев исследованных колес. Для новых колес разница значений может достигать 40 МПа (рис. 14), а для колес, бывших в эксплуатации 60 МПа. Асимметрия по окружности обода наиболее существенно проявляется при удалении от поверхности катания.

Опробованная экспериментальная методика позволяет с необходимой точностью оценить уровень остаточных напряжений в ободьях колес, определить глубину зоны перехода сжимающих напряжений в растягивающие по толщине обода, измерить ширину обода.

Результаты исследований и разработанное оборудование используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 200100. «Приборостроение» и магистров по направлению 200100.68-2 «Приборы, и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».

Рисунок 14 - Распределение остаточных напряжений по окружности обода на различных расстояниях от поверхности катания для колеса № 10-2- 6061-18-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Разработана модель возбуждения, распространения и приема сдвиговых ультразвуковых волн электромагнитно-акустическим преобразователем при реализации метода контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес, объединяющая закономерности формирования акустического поля в зависимости от конструктивных параметров преобразователя с результатами аналитического расчета величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания. На основании результатов расчета выбрана оптимальная частота в 2,5 МГц для работы преобразователя; рекомендована величина импульсного тока в индукторе в 20 – 25 А;

обоснован коэффициент усиления не ниже 66 дБ для усилителя.

2.На основе результатов моделирования разработаны конструкции накладных электромагнитно-акустических преобразователей сдвиговых волн с магнитными системами на базе постоянных магнитов и электромагнита, предназначенных для контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес и позволяющих реализовать способ многократных отражений.

3.Впервые предложен алгоритм обработки и выделения результатов измерений, позволяющий определять разницу времен распространения сдвиговых волн по массивам точек сигналов и с учетом их формы за счет применения элементов теории корреляционного анализа, что существенно снижает инструментальную погрешность измерений до ±3 МПа при работе с серией донных отражений из трех сигналов.

4.Разработан способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием электромагнитно-акустических преобразователей и метода многократных отражений, заключающийся в определении изменения скорости ультразвуковых волн в объекте, находящемся под действием внешних механических напряжений, по времени распространения дальних отражений из серии регистрируемых сигналов при известной базе прозвучивания.

Экспериментально определен коэффициент упругоакустической связи стали 65 Г для одноосного напряженного состояния – (145±5) ГПа.

5.Экспериментально показано, что акустический метод контроля остаточных напряжений чувствителен к формирующимся структурным слоям стали в ободе колеса, полученным в результате его термической обработки при изготовлении, что выражается в значениях скорости распространения ультразвуковых сдвиговых волн в соответствующих структурных слоях от 3115 до 3125 м/с. Величина вклада фактора акустической анизотропии может достигать -50 МПа. Экспериментально обнаружено, что характер распределения остаточных напряжений по окружности обода может носить неравномерный характер. Разница между максимальным и минимальным значениями напряжений на исследуемом радиусе по окружности обода может достигать 60 МПа.

6.Оборудование и методика, реализующие акустическую тензометрию остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес, апробированы и прошли производственные испытания в условиях вагонных депо (Арзамас, Нижний Новгород, Киевская г. Москва) и на заводах изготовителях (Выксунский металлургический завод, Нижнетагильский металлургический комбинат).

Перспективой развития темы является разработка переносного варианта оборудования, внесение его в государственный реестр средств измерений с последующим внедрением на заводы изготовители и в вагонные ремонтные заводы с целью мониторинга уровня напряженного состояния колес.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Издания, рекомендованные ВАК 1. Муравьев, В.В. Оценка остаточных напряжений в ободьях вагонных колес электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова // Дефектоскопия. 2011. №8. С. 16-28.

2. Муравьев, В.В. К расчету параметров системы намагничивания электромагнитноакустического преобразователя / В.В. Муравьев, В.А. Стрижак, Е.Н. Балобанов // Интеллектуальные системы в производстве. 2011. №1. С. 197-205.

3. Муравьев, В.В. Распределение остаточных напряжений при электроконтактном упрочнении бандажей локомотивных колес / В.В. Муравьев, С.Ю. Петров, А.В. Платунов, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова, А.А. Рябов, О.В. Соколов, Т.П. Печенова, В.В. Костюк // Технология машиностроения. 2011. №9. С. 42-45.

4. Муравьев, В.В. Электромагнитно-акустический преобразователь / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова // Патент на полезную модель № 127931 от 23.11.2012.

5. Муравьев, В.В. Определение коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов / В.В. Муравьев, Е.Н. Балобанов, Е.А. Печина // Вестник Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова. 2013. №2. С. 108-112.

6. Муравьев, В.В. Оценка остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес методом акустоупругости / В.В. Муравьев, Л.В. Волкова, Е.Н. Балобанов // Дефектоскопия.

2013. №7. С. 22-28.

7. Муравьев, В.В. Электромагнитно-акустический преобразователь / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н.Балобанов. // Заявка на полезную модель № 2013125370/28(037419) от 31.05.2013 (Решение о выдаче патента от 24.06.2013).

8. Budenkov, G. Residual Stresses Detection in Rolling Stock Wheel sets by means of Electromagnetic Acoustic Method / G. Budenkov, V.V. Muraviev, V. Strizhak, A. Pryahih, E. Balobanov // 10th European Conference on Non-Destructive Testing. Moscow. June 7-11, 2010.

Part 2. 2nd edition. M.: Publishing house Spectr., 2010. P. 31- 9. Муравьев, В.В. Разработка метода контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес вагонов с помощью электромагнито-акустического преобразователя / В.В. Муравьев, О.В. Коробейникова, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова // Тезисы докладов VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение».

Екатеринбург: Изд-во ИМАШ УрО РАН, 2010. С.160.

10. Григорьев, А.В. Разработка электромагнитно-акустического преобразователя поперечных волн для контроля массивных стальных объектов/ А.В. Григорьев, Е.Н. Балобанов, И.Л. Микрюков // Труды I Всерос. НТК студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика». Глазов: Изд-во Глазовского экономического института, 2010. С. 20-24.

11. Муравьев, В.В. Разработка метода контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес вагонов с помощью электромагнито-акустического преобразователя / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова // Тезисы докладов VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение».

Екатеринбург: Изд-во ИМАШ УрО РАН, 2010. С.160.

12. Балобанов, Е.Н. Исследование акустического тракта электромагнитноакустического преобразователя при контроле массивных стальных объектов / Е.Н. Балобанов // XVI Всерос. конфер. студентов-физиков и молодых ученых: Материалы конференции.

Екатеринбург; Волгоград: Изд-во АСФ России, 2010. С. 609-610.

13. Балобанов, Е.Н. Ультразвуковой контроль остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес [Электронный ресурс] / Е.Н. Балобанов, А.В. Григорьев // Сборник инновационных проектов выставки сессии ИжГТУ, проходящей в рамках II Республиканского инновационного форума. Ижевск, 2010. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

14. Муравьев, В.В. Оценка напряженно-деформированного состояния вагонных, локомотивных колес и рельсов электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова // Тез. докл. XXV Уральской конф. «Физические методы неразрушающего контроля». Екатеринбург: Изд-во ИФМ УрО РАН, 2011. С 27.

15. Муравьев, В.В. Определение остаточных напряжений в цельнокатаных колесах, бандажах и рельсах электромагнитно-акустическим способом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова // Тезисы докладов XIX Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике. М.: Издательский дом «Спектр», 2011. С. 209-211.

16. Муравьев, В.В. Измерение остаточных напряжений в бандажах и ободьях цельнокатаных железнодорожных колес после их упрочения / В.В. Муравьев, Е.Н. Балобанов, Л.В. Волкова, А.В. Платунов, И.А. Чувашов // Сб. матер. VII Всерос. НТК с междунар. участием «Приборостроение в XXI веке – 2011. Интеграция науки, образования и производства». Ижевск:

Изд-во ИжГТУ, 2012. С. 172 – 175.

17. Балобанов, Е.Н. Электромагнитно-акустический метод оценки напряженодеформированного состояния элементов колесной пары вагонов / Е.Н. Балобанов, А.В. Григорьев, И.В. Булдакова, И.А. Чувашов // Сб. матер. II Всерос. НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика – 2012». Ижевск: А4, 2012.

С. 21-24.

18. Балобанов, Е.Н., Повышение точности определения времени распространения ультразвуковых импульсов при контроле остаточных напряжений в металлоизделиях / Е.Н. Балобанов, И.В. Булдакова // Сб. матер. II Всерос. НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика – 2012». Ижевск: А4, 2012. С. 24-29.

19. Стрижак, В.А. Особенности построения датчика для излучения и приема акустических импульсов электромагнитно-акустическим способом для контроля напряженодеформированного состояния обода колеса / В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н. Балобанов, С.А. Обухов, А.Б. Ефремов // Магнитные явления: сб. статей / под ред. проф. Г.В. Ломаева.

Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. Вып. 4. С. 164-177.

20. Муравьев, В.В. Особенности реализации метода акустической тензометрии в металлоизделиях / В.В. Муравьев, Е.Н. Балобанов // Сборник трудов XIII Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества. Екатеринбург:

Изд-во ИФМ УрО РАН, 2012. С. 190.

21. Муравьев, В.В. Учет фактора акустической анизотропии при контроле остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес / В.В. Муравьев, Е.Н. Балобанов // Приборостроение в XXI веке - 2012. Интеграция науки, образования и производства: материалы VIII Всерос. НТК с междунар. участием. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. С.86-89.

22. Муравьев, В.В. Определение коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов / В.В. Муравьев, Е.Н. Балобанов, Е.А. Печина // Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов.

В 2 томах / под ред. В.Е. Громова. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ. 2013. Т. 2. С. 257-263.

Подписано в печать 07.11.2013 г.

Печать офсетная усл. печ.л.1, Отпечатано в ИМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной,