Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лезевская А. Э. (аспирант, специальность 05.02.11)
Научный руководитель – д. н., профессор Дымкин Г. Я.
Кафедра "Методы и приборы неразрушающего контроля"
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ
Безопасность на железной дороге ценится прежде всего, а ее залогом является предупреждение аварий путем тщательного контроля качества всех элементов системы.
Одним из самых ответственных и нагруженных элементов вагона является колесная пара, в особенности ось. До пуска в эксплуатацию новая ось проходит полный неразрушающий контроль ультразвуковым и магнитопорошковым методами для выявления всех возможных дефектов во всем объеме оси. Но и этого мало для обеспечения безопасной эксплуатации оси.
Выделяют 4 основные части оси: средняя, подступичная, предподступичная и шейка. Дефекты в подступичной части выявить сложнее всего, так в собранной колесной паре на ней находится колесо. В подступичной части оси возможно появление таких дефектов, как: усталостные поперечные трещины, задиры и риски. Трещины чаще всего возникают с внутренней стороны ступицы колеса.
Зарождение или развитие дефекта возможно: вследствие нарушений при формировании колесной пары, то есть при самой посадке колеса на подступичную часть и при эксплуатации оси из-за неравномерного распределения остаточных напряжений и наличия зон с высокой концентрацией напряжений.
Для улучшения качества контроля осей необходимо повышение выявляемости дефектов поверхностного и подповерхностного слоев подступичной части оси, а также оценка качества прессового соединения колеса и оси. Предложенный метод позволяет реализовать это с помощью поверхностных волн. На данном этапе необходимо провести исследование поведения и распространения поверхностных волн на поверхности оси.
Объект исследования - подступичная часть оси с напрессованным колесом.
Целями исследования ставятся:
1. Оценка качества напрессовки колеса на ось.
2. Поиск дефектов в подступичной части оси.
Контроль поверхностными волнами позволит значительно повысить информативность, так как поверхностные волны дают больше данных о поверхности подступичной части, находящейся под ступицей колеса, которая и является зоной зарождения дефектов этой области.
Согласно нынешним документам, контроль подступичных части осей, собранных и находящихся в эксплуатации колесных пар проводится с помощью ультразвука во время полного и частичного освидетельствования с применением прямых и наклонных датчиков, а также магнитопорошковым методом до сборки колесных пар.
Контроль же натяга колеса на ось при формировании колесной пары ведется только по диаграмме запрессовки, которая представляет собой теоретическую диаграмму зависимости усилия запрессовки от величины продвижения колеса на оси. Процесс напрессовки колеса на ось показан на рисунке 1, а диаграмма запрессовки - на рисунке 2.
|
Рисунок 1 Напрессовка колеса на ось |
Рисунок 2 Диаграмма запрессовки |
Рациональное усилие в конце запрессовки должно находиться в пределах 390 - 580 кН на каждые 100 мм диаметра подступичной части оси. Недопустимы как меньшие, так и большие величины конечных усилий. При выходе конечного усилия за эти рамки колесная пара подлежит расформированию.
Поверхностные волны – это волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред и затухающие с глубиной. Энергия поверхностной волны сосредоточена в узкой окрестности границы раздела сред, примерно на глубине до двух длин волн, поэтому состояние поверхности существенно влияет на их распространение. Эти волны могут являться источником информации о состоянии поверхности и подповерхностного слоя объекта.
Поверхностные волны, в связи с малой глубиной прозвучивания и высоким требованием к качеству поверхности, применяются там, где необходимо оценить состояние поверхностного и подповерхностного слоя объекта.
При исследовании с помощью поверхностных волн, важны характеристики волн, такие как: скорость распространения, затухание, изменение скорости при нанесении различных слоев на поверхность объекта, коэффициенты прохождения и отражения от конструктивных особенностей, структурных неоднородностей и дефектов.
Классически, выделяют 3 типа поверхностных волн: волны Рэлея, Стоунли и Лява.
Волна Рэлея – это волна, распространяющаяся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или достаточно разрежённой газовой средой. Траектория колебаний этой волны эллиптическая, большая ось эллипса направлена по нормали к поверхности. Эта волна обычно поляризована вертикально. Фазовая скорость волн Рэлея примерно на 7-10% меньше фазовой скорости плоской поперечной волны.
Поверхностные волны Рэлея применяются для контроля поверхностного и подповерхностного слоев изделий, уверенно обнаруживая такие дефекты, как трещины, царапины, полости, закаты, расслоения, инородные включения.
Волна Лява – это волна, распространяющаяся на границе твердого упругого полупространства и твердого упругого слоя. Волна Лява - поперечная, с горизонтальной поляризацией.
Скорость распространения волны Лява зависит от параметров полупространства и слоя. Чем толще слой, тем меньше волна проникает в полупространство и больше зависит от параметров слоя. Фазовая скорость волны Лява, как следует из того, что говорилось выше, всегда меньше фазовой скорости поперечных объемных волн в полупространстве и больше скорости поперечных волны в слое.
Волна Стоунли – это волна, распространяющаяся вдоль границы двух твердых полупространств, плотности и модули упругости которых не сильно различаются. Решение довольно сложного дисперсного уравнения для данной волны имеет корни только в определенной области соотношения между параметрами сред. Волны Стоунли будут существовать, например, когда фазовые скорости волн в средах равны или очень близки между собой, а плотности сред не равны. Толщина слоя локализации волн Стоунли находится в пределах длины волны.
Этому типу волн свойственна вертикальная поляризация. Фазовая скорость волн Стоунли всегда меньше фазовых скоростей продольной и поперечных волн в обеих граничных средах.
Исследование поведения поверхностных волн и измерение их характеристик на образцах и на осях колесных пар проводится с помощью дефектоскопа УД4-Т и осциллографа.
Для примера, на рисунках 3 и 4 представлены схема измерений амплитуды и времени распространения поверхностной волны, запущенной с использованием преобразователя с частотой 1,25 МГц, в образце и дефектограмма этой волны. Видны сигналы прошедшей волны от углов образца.
|
Рисунок 3 Схема исследований |
Рисунок 4 Дефектограмма |
Для того, чтобы подобрать оптимальную частоту волны, которая будет использована в дальнейшем при контроле, используются датчиками с разными частотами: от 0,4 МГц до 5 МГц. Проводится измерение амплитуд прошедшей волны и времени прихода. Погрешность измерений, в среднем, составляет 1-3 %.
Качество посадки колеса на ось связано с напряжениями, возникающими при посадке. Эта связь можно проследить благодаря явлению акустоупругости.
Акустоупругость – это явление линейной зависимости скоростей упругих волн в металлах от их напряженно-деформированного состояния.
Коэффициенты этой зависимости строго определяет нелинейная теория упругости твердого тела. А рассчитываемые напряжения, в данном случае, не что иное как математическая зависимость напряженного состояния объекта от безразмерных акустических параметров, констант линейной и нелинейной упругости материала, и измеренных времен распространения волн при начальном и текущем уровне напряжений.
Зависимость напряжений, возникающих в объекте, от времени распространения волны в объекте рассчитывается по формулам, представленным на рисунке 5.
Рисунок 5 Формула расчета двухосных напряжений
Пояснения к рисунку 5:
При проведении измерений времен распространения волны необходима большая точность. Иначе расчет возникающих напряжений будет невозможен.
Основные выводы:
Библиографический список:
1. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах // СПб, «Наука», 1981.
2. Никитина Н.Е Акустоупругость. Опыт практического применения // Н. Новгород, «Талам», 2005.
3. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса «деформация – разрушение». Часть 1 // Москва, «ТИССО», 2007.
4. В.В. Клюев Неразрушающий контроль. Том 3, 4 // Москва, “МАШИНОСТРОЕНИЕ”, 2004.