[05-2014] Контроль натяга бандажей локомотивных колес методом акустоупругости

[poster333]

Контроль натяга бандажей локомотивных колес методом акустоупругости

Посадку бандажа на колесный центр локомотивной колесной пары осуществляют с натягом, обеспечивающим плотное соединение, не допускающее проворот бандажа относительно колесного центра. Однако при эксплуатации наблюдаются случаи ослабления плотности посадки, приводящие к сползанию бандажей, и случаи их разрыва.

Ослабление посадки может происходить по нескольким причинам: из-за неточности определения посадочных диаметров; вследствие перераспределения остаточных напряжений; их релаксации и др.

Разрыв бандажа возможен из-за высоких остаточных напряжений в бандаже в результате суммирования закалочных напряжений, напряжений натяга и пиковых нагрузок при трогании с места, движении и торможении локомотива, а также из-за низкой трещиностойкости и ударной вязкости материала бандажа.

Для обеспечения безопасной эксплуатации подвижного состава предлагается оценивать качество натяга по уровню остаточных напряжений как сразу после посадки бандажей на колесные центры, так и в процессе эксплуатации при плановом техническом обслуживании.

Используемые методы

Для оценки натяга и остаточных напряжений применена акустическая тензометрия, основанная на измерении характеристик упругих волн, которые возбуждаются и принимаются бесконтактными электромагнитно-акустическими (ЭМА) преобразователями [1-5].

Соединение с натягом в зоне контакта бандаж — колесный центр осуществляют согласно нормативно-технической документации № ЦТ-329 с разницей диаметров

Проведенный численный анализ остаточных напряжений в бандажах (окружных напряжений вблизи места посадки) методом конечных элементов показал хорошее совпадение с результатами аналитического расчета (см. таблицу) [5]. Для двух типов диаметров локомотивных колес диапазон изменения напряжений в области регламентируемого натяга составляет 70 — 80 МПа. Из анализа следует, что наибольшие окружные напряжения растяжения возникают у внутренней поверхности бандажа вблизи соединения, при этом радиальные на порядок меньше.

Методика оценки насадочных напряжений

Инструментальная оценка остаточных напряжений в бандаже проведена в соответствии с требованиями РД 32-144-2000 «Контроль неразрушающий приемочный. Колеса цельнокатаные, бандажи и оси колесных пар подвижного состава». Метод основан на измерении скорости распространения сдвиговых акустических волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях, при прозвучивании бандажа по ширине (рис. 1,а) [3, 4]. Для возбуждения и приема волн разработаны специализированные ЭМА-преобразователи [6, 7]. Оценка напряженного состояния в бандажах проведена с использованием разработанного электромагнитно-акустического структуроскопа СЭМА [8] (рис. 1 ,б).

ЭМА-преобразователи [6, 7]. Оценка напряженного состояния в бандажах проведена с использованием разработанного электромагнитно-акустического структуроскопа СЭМА [8] (рис. 1 ,б).

Измерения проводились в нескольких сечениях бандажа с перемещением ЭМА-преобразователя по внутренней боковой поверхности от 10 до 60 мм от поверхности катания.

Напряженное состояние бандажа оценивается по формулам акустоупругости для одноосного напряженного состояния следующего вида [5]:

Результаты оценки остаточных напряжений

Распределение параметра по толщине бандажа определяется особенностями формирования текстуры проката и структуры при термической обработке материала бандажа. Для учета фактора текстурной и структурной анизотропии проката необходимо освободить от связей по окружности фрагмент на свободном бандаже, что позволяет измерить временные задержки без влияния на них остаточных технологических напряжений, присутствующих в целом бандаже.

Распределение фактора по толщине фрагмента в виде сегмента с длиной внешней дуги 200 мм, вырезанного из свободного бандажа после закалки, представлено на рис. 2,а. Величина вблизи поверхности катания составляет -35 МПа, по центру бандажа +45 МПа и уменьшается к месту посадки.

С учетом фактора измерены распределения остаточных окружных напряжений по толщине для отдельного бандажа (№ 34978 84153) до и после горячей посадки на колесный центр (рис. 2,6). Согласно этому рисунку в свободных бандажах вблизи поверхности катания наблюдается акустическая анизотропия Da до -140 МПа. При перемещении ЭМА-преобразователя от гребня к центральной части анизотропия постелено уменьшается и меняет знак на положительный. Максимальная анизотропия до 50 МПа отмечена в центре сечения бандажа. Сравнение полученных остаточных напряжений в свободном бандаже (см. рис. 2,6) и после его натяга показывает, что они имеют отличия порядка 200 МПа.

Результаты оценки натяга бандажей

Техническое решение и методика определения напряженного состояния [2, 4] использованы для инструментальной оценки натяга бандажей после посадки. Измерения, проведенные в нескольких сечениях бандажа, показывают, что в части бандажей остаточные напряжения после закалки распределены неравномерно по сечению. Последующий натяг, как правило, не устраняет неравномерность, увеличивая напряжения растяжения, особенно в средней зоне сечения бандажа [5].

Получение реального распределения остаточных напряжений по сечению бандажа требует учета фактора текстурной анизотропии, экспериментально полученного акустоупругого коэффициента и влияния структуры металла на скорость распространения ультразвуковых волн [4, 5]. Характер изменения в распределении остаточных напряжений по сечению в нескольких бандажах до и после посадки на колесный центр с натягом 1,4 — 1,5 мм показан на рис. 3.

Видно, что характер распределения напряжений по сечению бандажей до и после посадки на колесный центр совпадает, но отличаются абсолютные значения напряжений в бандажах по слоям сечения. При этом значения напряжений в результате натяга вблизи места посадки и вплоть до середины сечения превышают значения напряжений до посадки на 250 — 300 МПа.

Согласно рис. 3, минимальные значения растягивающих окружных напряжений по сечению наблюдаются у поверхности катания, увеличиваясь при удалении от поверхности катания к центральной части сечения бандажа и достигая значений 200 — 380 МПа, что существенно превышает остаточные напряжения в свободных бандажах и расчетные (см. таблицу). При приближении к месту посадки напряжения не изменяются относительно центральной части или несущественно возрастают. Сравнение полученных распределений напряжений в бандажах после посадки с результатами исследований свободных бандажей [4] показывает различие в диапазонах значений оцениваемых напряжений на 200 — 300 МПа, т.е. посадка в большей степени определяется остаточными напряжениями.

Следует отметить, что остаточные окружные напряжения в разных бандажах с одинаковым уровнем натяга (N = 1,4 мм) существенно различаются. Это обусловлено различием закалочных напряжений в разных бандажах [5] и особенностями технологии натяга.

Из рис. 3 видно, что в результате посадки бандажа на колесный центр растягивающие остаточные напряжения растут в среднем от 100 МПа (вблизи поверхности катания) до 350 — 380 МПа (в центральной части и ближе к месту посадки). Следовательно, в процессе реализации натяга на поверхности бандажа вблизи места посадки на колесный центр создаются дополнительные растягивающие напряжения, что в целом повышает уровень напряжений растяжения.

Производственные испытания методики контроля остаточных напряжений с оценкой натяга проведены в локомотивных депо Агрыз, Зуевка, Москва-Киевская и ООО «Уральские локомотивы». На рис. 4 представлена выборка значений натягов, определенных по экспериментально измеренным остаточным напряжениям. Область «А» соответствует недостаточным значениям натягов от 0,4 до 1,2 мм. Низкий уровень напряжений вблизи места посадки на колесный центр в области «А» связан с относительно малым значением напряжений по всему сечению бандажа (максимальные значения напряжений не достигают 250 МПа).

Область «В» соответствует натягам бандажей согласно требованиям № ЦТ-329. В области «С» измеренный натяг 1,6— 1,8 мм и соответствующие ему остаточные напряжения в бандажах превышают регламентируемые. Возможен разрыв бандажа в процессе циклических эксплуатационных нагрузок при наличии концентратора напряжений.

Итак, разработанный на основе явления акустоупругости электромагнитно-акустический метод оценки остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес на различных расстояниях от поверхности катания позволяет оценить величину натяга бандажа, не допустить проворот и сползание бандажа в процессе эксплуатации подвижного состава.

Оценка остаточных напряжений в центральной части бандажа позволяет оценить как уровень остаточных напряжений после на-прессовки, так и их перераспределение в процессе эксплуатации, что позволит не допустить разрыв бандажа.

Работа выполнена при частичной поддержке:

Программы стратегического развития Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова на 2012 — 2016 гг. (ПСР/М2/Н2.5/МВВ);

Программы инициативных проектов фундаментальных исследований, выполняемых в Учреждении УрО РАН в 2012 — 2014 гг. (регистрационный номер 12-У-2-1013).

Библиография

1. Буденков Г.А., Муравьев В.В., Коробейникова О.В. Исследование напряженно-деформированного состояния ободьев цельнокатаных вагонных колес методом акустической тензометрии // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. Том 6, № 3, 2009. С. 111 — 117.

2. Муравьев В.В., Петров С.Ю., Платунов А.В. и др. Распределение остаточных напряжений при электроконтактном упрочнении бандажей локомотивных колес // Технология машиностроения. № 9, 2011. С. 42 — 45.

3. Муравьев В.В., Муравьева О.В., Стрижак В.А. и др. Оценка остаточных напряжений в ободьях вагонных колес электромагнитно-акустическим методом // Дефектоскопия. № 8. 2011. С. 16 — 28.

4. Муравьев В.В., Волкова Л.В., Балобанов Е.Н. Контроль остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес методом акустоупругости. // Дефектоскопия. — 2013. — №7. — С. 22 — 28.

5. Муравьев В.В., Волкова Л.В. Оценка величины натяга бандажей локомотивных колес методом акустоупругости. — Дефектоскопия, 2013, № 9. С. 40 -46.

6. Электромагнитно-акустический преобразователь. Патент РФ на полезную модель № 127931 от 23.11.2012. / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н Балобанов, Л.В. Волкова; опубл. 10.05.2013, Бюл. № 13. — 6 с.

7. Электромагнитно-акустический преобразователь. Патент РФ на полезную модель № 134658 от 31.05.2013. / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н. Балобанов; опубл. 20.11.2013, Бюл. №32.-8 с.

8. Стрижак В.А., Пряхин А.В., Обухов С.А., Ефремов А.Б. Информационноизмерительная система возбуждения, приема, регистрации и обработки сигналов электромагнитно-акустических преобразователей. — Интеллектуальные системы в производстве, 2011, № 1. С. 243 — 250.

В.В. МУРАВЬЕВ, В.А. СТРИЖАК,
Л.В. ВОЛКОВА, А.В. ПРЯХИН,
ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», г. Ижевск

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела xx1.

Перенес: Admin