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
Неисправности колесных пар.
От исправного состояния колесных пар тепловозов зависит безопасность движения поездов. Характерными неисправностями их являются: износ бандажей — прокат, выбоины или ползуны, подрез гребня; ослабление бандажа, колесного центра, зубчатого колеса; трещины, вмятины, отколы зубьев зубчатого колеса; трещины, риски, забоины, вмятины на шейках оси и др. Выбоины или ползуны на поверхности катания бандажа образуются вследствие заклинивания колесных пар при неправильном торможении, разрушении роликоподшипников, заклинивании зубчатой передачи. Вертикальный подрез гребня и остроконечный накат возникают при неправильной установке колесных пар в раме тележки или работе тепловозов на участках с кривыми малого радиуса. При перекосе колесной пары в раме происходит набегание на рельс гребня бандажа отстающего колеса и поперечное скольжение бандажа по рельсу.
При движении тепловоза происходит износ бандажей по кругу катания, называемый прокатом. На поверхности катания бандажей могут быть трещины, плены, раковины и выщербины. Под раковинами понимаются пороки металлургического происхождения в виде неметаллических включений (песка, шлака) внутри металла и пустот от усадки металла при неравномерном остывании, выходящих на поверхность катания колеса по мере его износа.
Выщербины — это выкрашивание кусочков металла на поверхности катания колеса. Ослабление бандажа на колесном центре происходит при недостаточном натяге, нарушении температурного режима при посадке бандажа (неравномерный нагрев, быстрое остывание), а также при заклинивании колесных пар при торможении. Ослабление посадки колесного центра или зубчатого колеса на оси возникает, как правило, при нарушении их напрессовки. Дефекты зубьев в зубчатой передаче возникают вследствие частого боксования колесных пар, износа в зубьях и нарушениях зацепления, загрязнения и недостатка смазки в тяговом редукторе.
Трещины и плены на поверхности оси образуются из-за скрытых пороков металла (пустот, неметаллических включений, микротрещин) и усталости металла от значительной знакопеременной нагрузки, действующей на ось. Риски, забоины, вмятины на оси — результат неосторожного обращения в процессе перемещения, при хранении колесных пар, неправильного монтажа и проворачивания внутренних колец роликоподшипников, загрязнения и недостаточного количества смазки.
Запрещается выпускать в эксплуатацию и допускать к следованию в поездах тепловозы с поперечной трещиной в любой части оси колесной пары или трещиной в ободе, диске и ступице колеса, а также при следующих износах и повреждениях колесных пар, нарушающих нормальное взаимодействие пути и подвижного состава:прокат по кругу катания — более 7 мм при скорости движения до 120 км/ч;то же для тепловозов, включаемых в поезда, обращающиеся со скоростью от 121 до 140 км/ч — более 5 мм;
вертикальный подрез гребня высотой более 18 мм, измеряемый специальным шаблоном;
ползун (выбоина) на поверхности катания у тепловозов с роликовыми буксовыми подшипниками более 0,7 мм и с подшипниками скольжения — более 1 мм;
толщина гребня более 33 мм или менее 28 мм при измерении на расстоянии 20 мм от вершины гребня для тепловозов, включаемых в поезда, обращающиеся со скоростью от 121 до 140 км/ч;
при скоростях движения до 120 км/ч толщина гребня более 33 мм или менее 25 мм. Расстояние между внутренними гранями колес должно быть в пределах (1440±3) мм, а для тепловозов, обращающихся в поездах со скоростью от 121 до 140 км/ч,— в пределах 1440.
Кроме того, запрещается выдавать под поезда тепловозы с колесными парами, имеющими хотя бы одну из следующих неисправностей:
трещину или плену в бандаже;
раковину на поверхности катания;
выщербину на поверхности катания длиной более 25 мм и глубиной более 3 мм;
ослабление бандажа на колесном центре, оси в ступице колеса, ступицы зубчатого колеса — на оси, продольную трещину или плену на средней части оси длиной более 25 мм, а на других обработанных поверхностях оси — независимо от размера;
местное увеличение ширины бандажа в результате раздавливания более 5 мм;
ослабление бандажного кольца в сумме на длине более 30%;
неясности клейм последнего полного освидетельствования;
отсутствие или неясность клейм формирования;
если колесной паре не производилось еще освидетельствования с выпрессовкой оси (при ремонте со сменой элементов);
толщину бандажа колесной пары менее 36 мм.
Конструкция колесных пар.
Колесные пары направляют электровоз или электропоезд по рельсовому пути, передают на автосцепку силу тяги, развиваемую локомотивом, и тормозную силу при торможении, воспринимают статические и динамические нагрузки, возникающие между рельсами и колесами, и преобразуют вращающий момент тягового двигателя в поступательное движение. Колесные пары жестко воспринимают все удары от неровностей пути в вертикальном и горизонтальном направлениях и сами жестко воздействуют на путь, поэтому в эксплуатации необходим тщательный уход за ними.Колесную пару формируют из отдельных элементов: оси / (рис. 14 и 15), двух колесных центров 6 с бандажами или двух безбандажных колес, одного или двух (на электровозах и моторных вагонах) зубчатых колес. Условия работы существенно отличаются для различных элементов колесной пары, вследствие чего для каждого элемента выбирают такой материал, который более всего удовлетворяет этим условиям.
Классификация колесных пар. На электровозах с индивидуальным приводом оси имеют внешние шейки. Шейки осей колесных пар электровозов и электропоездов выполняют под буксы с роликовыми подшипниками
По принципу насадки зубчатого колеса различают колесные пары типа I (рис.14,6), у которых зубчатое колесо непосредственно насажено на ось, и типа II (рис. 14,а, и в, рис. 15,а), у которых зубчатое колесо закреплено на удлиненной ступице. В зависимости от конструкции колесного центра колесные пары делят на спицевые, дисковые и коробчатые. На электровозах и моторных вагонах электропоездов применяют колесные пары с литыми спицевыми (см. рис. 14), коробчатыми и дисковыми центрами, имеющими съемные бандажи. На прицепных вагонах электропоездов и электровозах ЧС200 используют колесные пары со стальными цельнокатаными колесами (рис. 15,6).В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР (ПТЭ) каждая колесная пара электровоза и электропоезда должна иметь четко проставленные знаки о времени и месте ее формирования и полного освидетельствования, а также клейма о приемке ее при формировании. Порядок и расположение знаков и клейма установлены Инструкцией по освидетельствованию и формированию колесных пар локомотивов и электросекций (ЦТ 2306).Колесные пары за время эксплуатации подвергают осмотру под электровозами или вагонами электропоезда, обыкновенному и полному освидетельствованию, а также освидетельствованию с выпрес-совкой оси. Машинист проверяет состояние колесных пар при каждом осмотре, а также после аварии, столкновения поезда или схода с рельсов. Обыкновенное освидетельствование колесных пар производят во всех случаях подкатки их под электровоз или вагон электропоезда, при обнаружении дефектов оси ультразвуком в процессе полного их освидетельствования, необходимости снятия колесных центров, а также в случае отсутствия или неясности клейма и знаков формирования согласно Инструкции по освидетельствованию и формированию колесных пар локомотивов и электросекций (ЦТ 2306).
Оси колесных пар. На оси колесных пар воздействуют большие знакопеременные нагрузки; изготовляют оси ковкой из специальной осевой локомотивной стали ОсЛ, временное сопротивление растяжению которой не ниже 590 МПа.
Рис 14. Колесные пары электровозов ВЛ10, ВЛІО», ВЛ11 ВЛ80\ ВЛ80%ВЛ80\ ВЛ80Р (а), ЧС4 и ЧС4т(б), ЧС2 и ЧС2' (в): / — ось, 2 и 5 — бандажи; 3 и 4 — зубчатые колеса, б — колесный центр коробчатогосечения; 7 — фасонное установочное кольцо, 8 — отверстие для подачи масла на посадочную поверхность ступнцы и оси перед распрессовкой колесного центра, 9 — втулка губчатого колеса; 10—веиец зубчатого колеса; 11— лабиринтное кольцоредуктора
Ось имеет шейки под буксовые и мо-торно-осевые подшипники (при моторно-осевой подвеске тяговых двигателей), предподступичные и подступичные части, среднюю часть. Всю поверхность оси колесной пары электровоза, за исключением торцов, а на электропоезде — за исключением шеек и подступичных час-тей, шлифуют. Оси обрабатывают, доводя до соответствующих размеров, под запрессовку колесных центров (или колес) и посадку буксовых подшипников Переходы между частями различных диаметров выполняют плавно, чтобы не допустить концентрации напряжений. С целью повышения усталостной прочности
Рис. 15. Колесные пары моторного (а) и прицепного (б) вагонов электропоездов ЭР2 и ЭР9М / — ось, 2 — бандаж, 3 — венец зубчатого колеса; 4 — колесо с центром, 5 — фасонное установочное (заводное) кольцо; в—колесный центр спнцевой конструкции с удлиненной ступнцеи, 7—упорная крышка стакана, 8 — стакан для установки редуктора; 9 — упорное кольцо, 10 — подшипник стакана передний; // — лабиринтная крышка стакана; 12 — дистанционное кольцо; 13 — подшипник стаканазадний, 14— цельнокатаное колесоупрочняют накаткой роликами (на специальных токарно-накатных станках) поверхности под буксовые, подступичные части и моторно-осевые подшипники При этом повышается микротвердость поверхностных слоев и меньше вероятность возникновения усталостных трещин на поверхностях, подвергающихся действию высоких динамических напряжений. Чтобы обнаружить скрытые трещины, оси после механической обработки проверяют магнитным дефектоскопом. Оси колесных пар прицепных вагонов изготовляют из осевой вагонной стали ОсВ (см. рис. 15,6).Колесные центры. Они отлиты из углеродистой стали 25 лШ, имеют либо коробчатую (электровозные, см. рис. 14), либо спицевую (моторные вагоны электропоездов, см. рис. 15,а) конструкцию.
Бандажи. При движении по рельсам на поверхности колес в точке контакта с рельсом возникают большие контактные напряжения под действием веса локомотива и передаваемых тяговых усилий; это приводит к большому износу поверхности катания. Из-за этого изнашиваемую часть колеса на электровозах и моторных вагонах выполняют в виде сменного бандажа. Диаметр бандажа для каждого подвижного состава определяют расчетом. При этом учитывают, что увеличение диаметра бандажа улучшает плавность и стабильность хода тележки, условия работы буксовых подшипников. Бандажи изготовляют из специальной бандажной стали с содержанием углерода 0,57—0,65%, временным сопротивлением не менее 850 МПа и твердостью не менее 243 HB. Для предотвращения проворачивания на ободе колесного центра применяют горячую посадку бандажа (температура его нагрева 250— 320 °С) с натягом 1,1 —1,45 (для моторных вагонов) и 1,3—1,7 мм (для электровозов). Затем в канавку бандажа заводят выполненное из специального стального профиля кольцо 7 (см. рис. 14, а), препятствующее его поперечному сдвигу. Буртик канавки обжимают с помощью роликов на специальном прессе.
Профиль поверхности катания колес определен условиями прохождения колесных пар по закруглениям рельсового пути. При движении колесной пары покривому участку пути одно из колес катится по внутреннему рельсу, второе — по наружному. Радиусы закругления наружного и внутреннего рельсов различаются на ширину колеи пути, наружный рельс длиннее внутреннего. Если бы колеса имели цилиндрические поверхности катания, то наружное колесо неизбежно отставало бы от внутреннего, которое катится по более короткому пути. Это привело бы к проскальзыванию колес по рельсам и, следовательно, к повышенному износу бандажей и рельсов, а также к ухудшению сцепления колес с рельсами.
Конический профиль поверхности катания уменьшает проскальзывание колес, так как под действием центробежной силы колесная пара перемещается в поперечном направлении и наружное колесо контактирует с рельсом по большему диаметру конической поверхности, а внутреннее — по меньшему Уклон профиля катания переменный: в основной части рабочей поверхности бандажа 1:20, в конце этой поверхности 1:7 (см. рис. 14,а и 15).
Бандажи с таким профилем при прижатии гребня к наружному рельсу взаимодействуют с ним в двух точках, где в основном возникает трение скольжения. Оно приводит к интенсивному износу гребня, особенно в начальный период эксплуатации бандажа, до образования проката 2—3 мм. Это вызывает необходимость преждевременной обточки бандажей и увеличение расхода металла. Поэтому ВНИИЖТом был предложен новый профиль бандажа (см. рис. 14,в), который введен с 1 января 1988 г. на сети дорог для тягового подвижного состава. Отличиями этого профиля являются: уменьшение до 28 мм высоты гребня против 30 мм по старому профилю, изменение угла наклона гребня с 70 до 65 °, увеличение с 13,5 до 15 мм радиуса перехода от гребня к кругу катания. Введена поверхность радиуса 70 мм, дополнительно включена в средней части круга катания конусность 1:50. При таком профиле бандаж контактирует с рельсом в одной точке, в которой между гребнем и рельсом возникает в основном трение качения. Износ гребня становится менее интенсивным, периоды между обточкамиувеличиваются, потери металла сокращаются.Конический профиль бандажей облегчает проход стрелочных переводов колесами, имеющими значительный прокат. Фаска у наружного торца бандажа, выполненная под углом 45 °, служит для смещения на нее наплывов металла, образовавшихся при прокате поверхности катания.
Акустико-эмиссионный способ диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава и устройство для его осуществления.
Использование: для акустико-эмиссионного диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава. Сущность: акустические преобразователи устанавливаются на диски колес и ось колесной пары, а после последовательного приложения вертикальной нагрузки к оси, горизонтальной нагрузки к дискам колес и совместных нагрузок осуществляется регистрация основных параметров принятых сигналов акустической эмиссии, определяются временные интервалы между приходом каждого сигнала на акустический преобразователь, принявший сигнал первым, и другими акустическими преобразователями, по временным интервалам определяются координаты источников сигналов акустической эмиссии, после чего осуществляется поворот колесной пары на угол , где m - число поворотов, определяемых из условия, что деформации ε в контролируемой зоне колесной пары должны быть не менее 0,87 εmax, где εmax - максимальная деформация в наиболее нагруженном сечении колесной пары, причем местоположение дефекта при повороте колесной пары на угол ϕ будет также смещаться на этот угол, а местоположение сигналов от прикладываемой нагрузки будет оставаться неизменным, кроме того, если при повороте центр кластера в зоне, где колесо опирается о рельс, смещается на угол поворота, то в этой зоне также находится дефект. Технический результат: повышение достоверности контроля, точности локализации дефекта, увеличение быстродействия и расширение функциональных возможностей за счет одновременного контроля колесной пары в сборе. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к неразрушающему контролю колесных пар железнодорожного подвижного состава с использованием метода акустической эмиссии.
Известен способ диагностирования конструкций, включающий регистрацию широкополосных акустических сигналов и их волновой формы, оцифровку волновой формы акустических сигналов, вычисление по ней спектра акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат их источников, анализ параметров акустических сигналов и оценку степени опасности источников этих сигналов как потенциальных дефектов диагностируемой конструкции. Кроме того, регистрацию времени прихода акустических сигналов и определение по нему координат их источников производят по частоте дискретизации быстродействующих аналого-цифровых преобразователей, которую синхронизируют по всем приемным каналам системы, а фильтрацию помех, анализ параметров акустических сигналов и оценку степени опасности источников этих сигналов дополнительно производят по вычисленным спектрам акустических сигналов с учетом одновременно вычисляемых координат их источников, причем операции вычисления спектра акустических сигналов, вычисления координат их источников, предварительной обработки акустических сигналов, фильтрации помех, анализа параметров акустических сигналов и оценки степени опасности источников акустических сигналов выполняют параллельно на распределенных по локально-вычислительной сети процессорах многоканальных модулей регистрации и предварительной обработки акустических сигналов и модулей анализа акустических сигналов под управлением операционной системы реального времени (Патент РФ. №2141655, МКИ 6 G 01 N 29/14, приоритет от 24.11.98, БИ №32, 1999 г, принятый за аналог).
Недостатком данного способа является следующее обстоятельство. Способ предусматривает регистрацию и цифровую обработку широкополосных акустических импульсов в реальном времени. Он совмещает возможности анализа традиционных параметров акустической эмиссии и определения координат дефектов с анализом формы и спектра импульсов и обеспечивает выполнение операций предварительной обработки и критериального анализа акустической информации в режиме экспресс-анализа, т.е. непосредственно в ходе проведения акустико-эмиссионного контроля. Однако данный способ может быть реализован только при небольшой скорости счета. Если же поток регистрируемых сигналов большой, что встречается часто при акустико-эмиссионной диагностике металлических конструкций, то данный способ не реализуем непосредственно в ходе проведения эксперимента.
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и таймер. Кроме того, в устройстве последовательно соединены коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения, выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства, второй выход устройства сопряжения соединен с третьим входом таймера, а третий выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера (Патент РФ №2150698, МПК 7 G 01 N 29/14, 29/04, приоритет от 25.11.97 г., БИ №16, 2000 г., принятый за аналог).
К числу основных недостатков данного устройства относятся:
- низкое быстродействие, обусловленное наличием коммутирующих устройств в блоках. Низкое быстродействие является причиной появления погрешностей при измерении амплитуды, времени прихода, спектра сигналов акустической эмиссии. Это приводит не только к понижению быстродействия всего устройства, но при этом резко повышаются погрешности локализации и уменьшается объем передаваемой информации;
- взаимное влияние каналов, вызванное прохождением паразитных сигналов через коммутирующие устройства на соседний канал;
- невозможность определения в реальном масштабе времени спектральных характеристик сигналов акустической эмиссии, а, следовательно, и типа дефекта, так как вся обработка информации осуществляется в одном центральном процессоре.
Наиболее близким в предлагаемому решению является способ акустико-эмиссионного контроля дисков колесных пар грузовых вагонов, заключающийся в том, что в диагностическом стенде диск колесной пары последовательно нагружают изменяющимися во времени силами, действующими в осевом, в вертикальном направлении и силами, действующими в совместном осевом и вертикальном направлении, принимают возникающие при этом сигналы акустической эмиссии с помощью трех акустических преобразователей, установленных на внешней стороне обода диска через 120° по окружности, измеряют параметры принятых сигналов и временные интервалы между приходом каждого сигнала на акустический преобразователь, принявший сигнал первым, и другие преобразователи, затем последовательно осуществляют три поворота диска колеса, причем на 120° каждый поворот, и нагружают диск колеса в той же последовательности, и также измеряют параметры принятых сигналов и временные интервалы между приходом каждого сигнала на акустический преобразователь, принявший сигнал первым, и другие акустические преобразователи. Кроме того, о наличии трещины судят по возрастанию скорости счета сигналов акустической эмиссии в диапазоне изменения тестовой нагрузки от 60-70% до ее максимального значения. Кроме того, дополнительным признаком наличия трещины является незначительная скорость счета сигналов акустической эмиссии во всем диапазоне изменения повторной испытательной нагрузки от нуля до ее максимального значения, а также по амплитуде сигналов в 70-80 дБ на участке установившегося значения нагрузки, а признаком наличия дефекта служат кластеры, содержащие более десяти событий акустической эмиссии, а местоположение дефекта определяется по местоположению центра кластера (Бородин Ю.П., Ефремов М.И., Зайчук В.И. Акустико-эмиссионный контроль дисков колесных пар грузовых вагонов - // Контроль. Диагностика, 2003, №8, С.28-32, принятый за прототип).
Недостатком данного способа является низкая точность локализации дефектов, поскольку имеется всего три акустических преобразователя. Следует отметить, что однозначное определение координат возможно в пьезоантенне, состоящей из четырех акустических преобразователей. Введение четвертого акустического преобразователя дает возможность измерять три разности времен прихода сигнала, причем третье значение устраняет неоднозначность в определении координат. Четырехточечное размещение акустических преобразователей повышает помехоустойчивость, обеспечивает высокую гибкость при контроле больших поверхностей сложной формы (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Муравьев В.В. и др. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций - М.: Радио и связь, 2000, с.93-97). Схема нагружения диска колеса в прототипе не соответствует нагружению колеса в условиях эксплуатации, поскольку нет нагрузки на поверхность катания колеса. Кроме того, область контроля диска колеса грузового вагона большая и неравномерная по сечению, то есть диск находится в сложно-напряженном состоянии и деформации по его сечениям будут разными, поэтому браковочные критерии тоже должны изменяться в соответствии с изменением деформаций. Однако в способе, принятом за прототип, указывается, что при браковке в любой зоне диска колеса в кластере должно быть более 10 событий акустической эмиссии. При этом не указывается число событий, а также как и от чего браковочный критерий может изменяться, то есть в способе, принятом за прототип, уровень браковки для всех сечений диска колеса выбирается одинаковым.
Достоверность результатов контроля способа, принятого за прототип, низкая, поскольку осуществляется всего три оборота диска колеса. При данном способе нагружения удается в напряженно-деформированном состоянии удерживать лишь небольшой сектор диска колеса, а, следовательно, именно этот сектор и может диагностироваться методом акустической эмиссии. Остальная часть диска колесной пары при этом будет не нагружена, а значит, не может диагностироваться методом акустической эмиссии. Кроме того, данный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку контролируется только один диск колесной пары грузового вагона, а ось колесной пары, ступица и подступичная части в данном способе не контролируются. Однако технологически в условиях депо необходимо осуществлять контроль колесных пар в сборе.
Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностики конструкций, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, каждый из каналов содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, программируемый основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также содержит генератор калибровочных импульсов и последовательно соединенные устройство управления и устройство сопряжения, выход которого соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера. Кроме того, в предварительный усилитель введены два ключа, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя и входом предварительного усилителя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, а первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, первый выход которого соединен со входом оперативного запоминающего устройства, а второй выход - со входом цифрового компаратора кодов, выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом устройства управления, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом цифрового компаратора кодов и первым входом регистра времени прихода, второй вход которого соединен с выходом цифрового компаратора кодов, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с третьим выходом устройства управления (Степанова Л.Н., Тимофеев Д.И., Кареев А.Е. и др. Многоканальная акустико-эмиссионная система с автоматическим контролем качества установки датчиков - Контроль. Диагностика, 2005, №4, с.6-15, прототип).
К числу основных недостатков данного устройства относятся:
- при акустико-эмиссионном контроле железнодорожных колесных пар изменяют режим нагружения, что позволяет акустически проявляться развивающимся дефектам. Поскольку железнодорожная колесная пара является конструктивно сложным и массивным объектом контроля, то при ее нагружении в акустических сигналах присутствуют быстрые моды;
- в устройстве, принятом за прототип, время прихода сигнала акустической эмиссии определяется по срабатыванию цифрового компаратора. Поскольку в данном устройстве в каждом канале отсутствуют фильтры высоких частот, то срабатывание цифрового компаратора происходит по быстрой моде. Это приводит к значительной погрешности при определении координат дефектов.
Известно, что колесная пара является одним из основных элементов вагона и от ее прочности во многом зависит безопасность движения. Долговечность осей во многом зависит от величины напряжений и количества циклов их изменения. К основным факторам, влияющим на долговечность колесных пар, относятся наличие термических трещин и других концентраторов напряжений в осях, дефекты колес по кругу катания (выщербины, ползуны). Данные факторы могут привести к перенапряжениям в различных сечениях осей, что связано с зарождением и развитием усталостных трещин на ранней стадии эксплуатации осей, ведущих к преждевременному выходу их из строя (Виноградов Г.П., Гудков В.Н., Наумов И.В. Исследование прочности элементов вагонных колесных пар
При разработке заявляемого акустико-эмиссионного способа диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава и устройства для его осуществления была поставлена задача повышения достоверности контроля, точности локализации дефекта, увеличение быстродействия и расширение функциональных возможностей за счет одновременного контроля колесной пары в сборе. Для выявления дефектов осуществляют нагружение колесной пары вертикальными, горизонтальными и совместными нагрузками, так как такой вид нагружения позволяет акустически проявить себя развивающимся дефектам.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом акустико-эмиссионном способе диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава, заключающемся в том, что в диагностическом стенде последовательно нагружают диск колесной пары изменяющимися во времени силами, действующими в вертикальном направлении на обод колеса и осевом направлении - на ступицу, совместными силами, действующими одновременно в вертикальном и осевом направлении, принимают возникающие при этом сигналы акустической эмиссии акустическими преобразователями, установленными на диске колесной пары, измеряют параметры принятых сигналов акустической эмиссии, определяют кластеры, а местоположение дефекта определяют по местоположению центра кластера, после чего осуществляют поворот колесной пары. Кроме того, согласно изобретению акустические преобразователи устанавливаются на диски колес и ось колесной пары, а после последовательного приложения вертикальной нагрузки к оси, горизонтальной нагрузки к дискам колес и совместных нагрузок осуществляется регистрация основных параметров принятых сигналов акустической эмиссии, определяются временные интервалы между приходом каждого сигнала на акустический преобразователь, принявший сигнал первым, и другими акустическими преобразователями, по временным интервалам определяются координаты источников сигналов акустической эмиссии, после чего осуществляется поворот колесной пары на угол
, где m - число поворотов, определяемых из условия, что деформации ε в контролируемой зоне колесной пары должны быть не менее 0,87 εmax, где εmax - максимальная деформация в наиболее нагруженном сечении колесной пары, причем местоположение дефекта при повороте колесной пары на угол ϕ будет также смещаться на этот угол, а локализация сигналов от прикладываемой нагрузки будет оставаться неизменной, если при повороте центр кластера в зоне, где колесо опирается о рельс, смещается на угол поворота, то в этой зоне находится дефект.
Поставленная задача решается также за счет того, что вводится кластеризация по форме сигнала и осуществляется контроль подобия сигналов по корреляционной функции (где cov - ковариация двух сигналов акустической эмиссии; Xi(t) - оцифрованное значение i-го сигнала; Yk(t-τ) - оцифрованное значение k-го сигнала акустической эмиссии; τ - смещение одного сигнала относительно другого; σXi, σYi - средние квадратические отклонения сигналов; n - число сигналов в файле; Р - коэффициент корреляции; Рj - пороговый коэффициент корреляции, установленный для j-го кластера; j - номер кластера; Nj - число сигналов, образующих данный кластер, и если коэффициент корреляции сигналов акустической эмиссии из одного сечения при различных поворотах колесной пары удовлетворяет данному условию, то сигнал относится к кластеру выбранного сигнала и добавляется единица к счетчику сигналов данного кластера Nj, а число сигналов счетчика соответствует степени опасности дефекта, и если Nj>Nкрит, (где Nкрит - критическое число сигналов для выбранного сечения), то колесная пара бракуется.
Поставленная задача решается также за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя и предварительного усилителя, фильтра, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит генератор калибровочных импульсов и последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, устройство управления, выход которого соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера, два ключа, причем, первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, с выхода предварительного усилителя через замкнутые второй и двухпозиционный ключи сигналы акустической эмиссии поступают на вход фильтра, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления. Кроме того, согласно изобретению, выход программируемого усилителя соединен с узкополосным перестраиваемым фильтром, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого соединен с соответствующим входом счетчика времени прихода, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены с третьим управляющим входом устройства управления, а управляющие входы программируемых усилителей объединены и соединены с четвертым входом устройства управления.
Предлагаемая система по сравнению с существующими акустико-эмиссионными системами (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Муравьев В.В. и др. Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии / Под ред Л.Н.Степановой, В.В.Муравьева - М. Машиностроение, 2004, с.24-57) позволяет с более высокой точностью определять время прихода сигналов АЭ, а, следовательно, и с более высокой точностью определяет координаты дефектов. Для этого в предлагаемом устройстве исключаются из акустического сигнала быстрые моды, что достигается включением в тракт обработки узкополосного высокочастотного фильтра. При этом сигнал акустической эмиссии записывается в оперативное запоминающее устройство без искажения, что позволяет производить дальнейшую обработку сигналов.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего акустико-эмиссионный способ диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава. На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие изменения горизонтальной, вертикальной и совместных нагрузок, действующих на колесную пару. На фиг.3 изображена схема расстановки акустических преобразователей на ось и диски колес колесной пары. На фиг.4 приведена зависимость деформации от угла поворота колесной пары. На фиг.5 показано изменение деформации колеса от допустимого угла поворота колесной пары. На фиг.6 изображена временная диаграмма циклического нагружения дисков колес в способе, принятом за прототип. На фиг.7 показано изменение области локализации дефекта при трех положениях колесной пары.
Устройство, реализующее акустико-эмиссионный способ диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава (фиг.1) содержит:
1...n - блоки;
2 - акустический преобразователь;
3 - предварительный усилитель;
4 - фильтр;
5 - программируемый основной усилитель;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - генератор калибровочных импульсов;
8 - оперативное запоминающее устройство;
9 - устройство управления;
10 - сигнальная шина компьютера;
11 - компьютер;
12, 13 - ключи;
14 - двухпозиционный ключ;
15 - цифровой мультиплексор;
16 - узкополосный перестраиваемый фильтр;
17 - компаратор;
18 - счетчик времен прихода.
Практическое исполнение предлагаемого устройства, реализующего акустико-эмиссионный способ диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава, выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:
- сигнальный процессор TMS 320 LC 548; программируемая логическая интегральная схема семейства МАХ 7000 ЕРМ 7192 SOC 160-7;
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава (фиг.1) состоит из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя 2 и предварительного усилителя 3, фильтра 4, программируемого основного усилителя 5, аналого-цифрового преобразователя 6, а также содержит генератор калибровочных импульсов 7 и последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство 8, устройство управления 9, выход которого соединен с шиной компьютера 10, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера 11, два ключа 12, 13, причем первый вход первого ключа 12 соединен с выходом акустического преобразователя 2, а второй вход первого ключа 12 соединен со вторым входом второго ключа 13 и входом двухпозиционного ключа 14, первый вход второго ключа 13 соединен с выходом предварительного усилителя 3, с выхода предварительного усилителя 3 через замкнутые второй 13 и двухпозиционный 14 ключи сигналы акустической эмиссии поступают на вход фильтра 4, при этом первый выход двухпозиционного ключа 14 соединен с последовательно соединенными фильтром 4, программируемым основным усилителем 5, аналого-цифровым преобразователем 6, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора 15, а второй выход двухпозиционного ключа 14 соединен с выходом генератора калибровочных импульсов 7, вход которого соединен с первым выходом устройства управления 9. Кроме того, выход программируемого усилителя 5 соединен с узкополосным перестраиваемым фильтром 16, выход которого соединен со входом компаратора 17, выход которого соединен с соответствующим входом счетчика времени прихода 18, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления 9, а управляющие входы двухпозиционных ключей 14 объединены и соединены с третьим управляющим входом устройства управления 9, а управляющие входы программируемых усилителей 5 объединены и соединены с четвертым входом устройства управления 9.
Предложенная система и способ работают следующим образом. Вначале, перед диагностированием колесной пары, производится ее тестирование, состоящее в измерении скорости звука на той части колесной пары, где осуществляется диагностика (ось, диски колесных пар, подступичные области). Каждый измерительный канал блока может работать в двух основных режимах - излучения и приема сигналов акустической эмиссии. При этом все измерительные каналы каждого блока системы поочередно переводятся в режим излучения. Оставшиеся три канала каждого блока при этом работают в режиме приема. Центральный процессор компьютера 11 через шину PCI 10 подает на устройство управления 9 команду, по которой устройство управления 9 формирует сигнал управления для ключа 14 выбранного канала, при котором ключ 14 подключается на выход генератора калибровочных импульсов 7. При этом с предварительного усилителя 3 снимается напряжение питания и ключи 12, 13 переключаются в режим тестирования, когда ключ 12 замкнут, ключ 13 разомкнут. Затем центральный процессор компьютера 11 через шину PCI и устройство управления 9 формирует сигнал запуска генератора калибровочных импульсов 7, по которому он формирует высоковольтный импульс напряжения, поступающий на вход акустического преобразователя 2 через замкнутые ключи 12,13. Акустический преобразователь 2 выбранного измерительного канала блока работает в режиме излучения, излучает акустический сигнал, который распространяется по выбранной зоне колесной пары (диск колеса, ось или под ступичная часть). Остальные акустические преобразователи 2 блока при этом работают в режиме приема и преобразуют акустические сигналы, распространяющиеся в выбранной зоне колесной пары от акустического преобразователя 2, работающего в режиме излучения, в электрические сигналы. Затем электрические сигналы поступают на входы предварительных усилителей 3. Система измеряет время распространения акустического сигнала по колесной паре и вычисляет скорость распространения акустического сигнала как
где а' - расстояние от акустического преобразователя, работающего в режиме излучения, до акустического преобразователя, работающего в режиме приема; t - время распространения акустического сигнала от акустического преобразователя, работающего в режиме излучения, до акустического преобразователя, работающего в режиме приема.
После проведения тестирования колесной пары и определения скорости звука осуществляют ее последовательное нагружение в диагностическом стенде сначала вертикальными Рy, затем горизонтальными Pz и далее совместными (вертикальными и горизонтальными) нагрузками. На одно колесо прикладывалась вертикальная сила, равная 14 тс, разгрузка осуществлялась при 3,85 те (фиг.2). Нагружение горизонтальной (осевой) силой осуществлялось от 0 до 12 тс. Разгрузка при этом производилась при 0 тс. На фиг.3 показана расстановка акустических преобразователей на колесной паре. В процессе исследования определялся максимально возможный дискретный угол поворота колесной пары вокруг своей оси. Исследования деформаций, возникающих в различных сечениях колеса при разных углах поворота (от некоторого произвольно выбранного положения колеса) показали, что закон изменения деформаций от угла поворота подчиняется синусоидальному закону
где а - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранного сечения и уровня прикладываемой нагрузки Рy, Pz; ϕ - угол поворота; θ - смещение угла, зависящее от выбранного сечения колесной пары.
На фиг.4 показана зависимость деформации от угла поворота колеса. Деформации, возникающие в колесе, являются следствием прикладываемых нагрузок, то есть ε=f(Py, Рz). Поэтому возникает необходимость определения максимально допустимого угла поворота колеса, при котором все сечения в колесе испытывали бы деформации, удовлетворяющие условию:
где εmax, ε'max - максимальные деформации во взаимно противоположных направлениях. Поскольку в (1) функция периодическая, то εmax=-a при ϕ+θ=90° и ε'max=а при угле поворота ϕ+θ=270°. Обозначим угол поворота ϕ+θ=ϕ1 и из уравнений (1), (2) перейдем к уравнениям
Следовательно,
Условию (3) удовлетворяют значения угла ϕ1 на отрезке от 65° до 115° и от 245° до 295°. На фиг.5 приведены результаты расчета деформаций колеса в зависимости от угла поворота.
В условиях депо, когда колесные пары диагностируются на потоке, важно уменьшить время диагностирования. На фиг.6 показан график циклического нагружения дисков колес в способе, принятом за прототип. Если предположить, что длительности тестового нагружения в способе, принятом за прототип, и в предлагаемом способе равны, то есть t1=t2=t, (где t1 - длительность тестового нагружения в способе, принятом за прототип; t2 - длительность тестового нагружения (фиг.2) в предлагаемом способе), то два диска колесной пары в способе, принятом за прототип, диагностируются за время, равное
T1=[2(ξ·t)·m1]·k=2(3·3 мин)·3=54 мин,
где ξ=3 - число циклов в одном нагружении; m1=3 - число поворотов диска колесной пары в способе, принятом за прототип; k - количество типов прикладываемых сил (осевая, вертикальная, совместная). В предлагаемом способе вся колесная пара, включающая два диска колес, ось, две ступицы и две подступичные части нагружается одновременно, а следовательно, диагностируются за время, равное
T2=(t·m2)·k=(1 мин·6)·3=18 мин,
где m2=6 - число поворотов колесной пары в предлагаемом способе.
Таким образом, в предлагаемом способе (по сравнению со способом, принятым за прототип) имеется выигрыш по времени диагностирования в Следует также подчеркнуть, что в предлагаемом способе удается в три раза быстрее продиагностировать всю колесную пару в сборе, а в способе, принятом за прототип, диагностируются только диски колес. Таким образом, предлагаемый способ диагностирования колесных пар позволяет не только сократить время диагностирования, но и расширить функциональные возможности способа.
Появляющиеся при нагружении колесной пары акустические сигналы от дефектов преобразуются в электрические сигналы акустическими преобразователями 2, работающими в режиме приема. С выхода акустических преобразователей 2 электрические сигналы поступают на входы предварительных усилителей 3, в которых ключи 12 разомкнуты, а ключи 13, 14 замкнуты. С выходов предварительных усилителей 3 через замкнутые ключи 13, 14 сигналы акустической эмиссии поступают на входы полосовых фильтров 4, обеспечивающих фильтрацию паразитных сигналов за пределами их полосы пропускания. С выходов фильтров 4 сигналы поступают на входы основных усилителей 5, обладающих программируемым коэффициентом усиления. Далее сигналы проходят на входы аналого-цифровых преобразователей 6, которые осуществляют дискретизацию аналоговых сигналов. Кодовые эквиваленты сигналов акустической эмиссии с выхода аналого-цифровых преобразователей 6 поступают на входы цифрового мультиплексора 15 и последовательно записываются в оперативное запоминающее устройство 8. Центральный процессор 11 компьютера считывает из оперативного запоминающего устройства 8 измерительную информацию через шину PCI 10 и устройство управления 9. Одновременно сигналы с выходов основных усилителей 5 с программируемым коэффициентом усиления поступают на вход узкополосных фильтров 16, предварительно настроенных на главную резонансную частоту акустических преобразователей 2. С выхода узкополосных фильтров 16 очищенные сигналы поступают на входы компараторов 17. При превышении сигналом акустической эмиссии порогового уровня компаратор 17 вырабатывает сигнал управления, поступающий на вход счетчика времен прихода 18, в котором регистрируются времена прихода. С выхода счетчика времен прихода 18 зарегистрированные времена прихода акустических сигналов поступают на управляющее устройство 9 и далее через шину PCI 10 поступают в центральный процессор компьютера 11, где осуществляется расчет координат источников сигналов акустической эмиссии колесной пары (фиг.7, а) (Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии / А.Н.Серьезнов, Л.Н.Степанова, В.В.Муравьев и др. / Под ред. Л.Н.Степановой, В.В.Муравьева - М.: Машиностроение, 2004, с.62-107). Зона локализации при повороте колесной пары на угол ϕ будет также смещаться на этот угол, а локализация сигналов от прикладываемой нагрузки будет оставаться неизменной. Если при повороте локализация в зоне, где колесо опирается о рельс, смещается на угол поворота, то в этой зоне находится дефект (фиг.7, б, в).
Через устройство управления 9 и шину PCI 10 центральным процессором компьютера 11 из оперативного запоминающего устройства 8 выбираются данные о форме сигналов акустической эмиссии и рассчитываются их основные параметры. Поскольку диск железнодорожного колеса имеет сложную форму значительной толщины, то в нем распространяются быстрые моды акустических сигналов, которые искажают значения времен прихода основной моды на акустический преобразователь 2. Быстрая мода по частоте отличается от основной моды, поэтому узкополосные фильтры 16 отфильтровывают быструю моду от основной. Это позволяет повысить точность локализации сигналов акустической эмиссии от дефектов в колесной паре железнодорожного подвижного состава.
1. Акустико-эмиссионный способ диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава, заключающийся в том, что в диагностическом стенде последовательно нагружают диск колесной пары изменяющимися во времени силами, действующими в вертикальном направлении на обод колеса и осевом направлении на ступицу, совместными силами, действующими одновременно в вертикальном и осевом направлениях, принимают возникающие при этом сигналы акустической эмиссии акустическими преобразователями, установленными на диске колесной пары, измеряют параметры принятых сигналов акустической эмиссии, определяют кластеры, а местоположение дефекта определяют по местоположению центра кластера, после чего осуществляют поворот диска колесной пары, отличающийся тем, что акустические преобразователи устанавливаются на диски колес и ось колесной пары, а после последовательного приложения вертикальной нагрузки к оси, горизонтальной нагрузки к дискам колес и совместных нагрузок осуществляется регистрация основных параметров принятых сигналов акустической эмиссии, определяются временные интервалы между приходом каждого сигнала на акустический преобразователь, принявший сигнал первым, и другими акустическими преобразователями, по временным интервалам определяются координаты источников сигналов акустической эмиссии, после чего осуществляется поворот колесной пары на угол , где m - число поворотов, определяемых из условия, что деформации ε в контролируемой зоне колесной пары должны быть не менее 0,87 εmax, где εmax - максимальная деформация в наиболее нагруженном сечении колесной пары, причем местоположение дефекта при повороте колесной пары на угол ϕ будет также смещаться на этот угол, а местоположение сигналов от прикладываемой нагрузки будет оставаться неизменным, если при повороте центр кластера в зоне, где колесо опирается о рельс, смещается на угол поворота, то в этой зоне находится дефект.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вводится кластеризация по форме сигнала и осуществляется контроль подобия сигналов по корреляционной функции
(где cov - ковариация двух сигналов акустической эмиссии; Xi(t) - оцифрованное значение i-го сигнала; Yk(t-τ) - оцифрованное значение k-го сигнала акустической эмиссии; τ - смещение одного сигнала относительно другого; σXi, σYi - средние квадратические отклонения сигналов; n - число сигналов в файле; Р -коэффициент корреляции; Pj - пороговый коэффициент корреляции, установленный для j-го кластера; j - номер кластера; Nj - число сигналов, образующих данный кластер) и если коэффициент корреляции сигналов акустической эмиссии из одного сечения при различных поворотах колеса удовлетворяет данному условию, то сигнал относится к кластеру выбранного сигнала и добавляется единица к счетчику сигналов данного кластера Nj, а число сигналов счетчика соответствует степени опасности дефекта и если Nj>Nкрит, (где Nкрит- критическое число сигналов для выбранного сечения), то колесная пара бракуется.
3. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования колесных пар железнодорожного подвижного состава, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя и предварительного усилителя, фильтра, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит генератор калибровочных импульсов и последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, устройство управления, выход которого соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера, два ключа, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, с выхода предварительного усилителя через замкнутые второй и двухпозиционный ключи сигналы акустической эмиссии поступают на вход фильтра, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления, отличающееся тем, что выход программируемого усилителя соединен с узкополосным перестраиваемым фильтром, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого соединен с соответствующим входом счетчика времени прихода, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены с третьим управляющим входом устройства управления, а управляющие входы программируемых усилителей объединены и соединены с четвертым входом устройства управления.