Разработка методики и системы диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот с применением тарированного излучателя

Десятников, Валерий Евгеньевич

Разработка методики и системы диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот с применением тарированного излучателя тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Десятников, Валерий Евгеньевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Разработка методики и системы диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот с применением тарированного излучателя»

Автореферат диссертации на тему "Разработка методики и системы диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот с применением тарированного излучателя"

На правах рукописи

003466276 Десятников Валерий Евгеньевич г-

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ОСЕЙ И КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ МЕТОДОМ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТАРИРОВАННОГО

ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Специальность: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и

аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

„А А Г р

Нижний Новгород - 2009

003466276

Работа выполнена при кафедре Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Волков Вячеслав Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор Ерофеев В.И. доктор технических наук, профессор Звягин А.Д.

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта нижегородского отделения (ГУЛ НО ВНИИЖТ, г. Н.Новгород)

Защита состоится 29 апреля 2009 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.165.08 в Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.24, корп.1, ауд. 1258.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя Ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан марта 2009 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук /Аа / /^-М. Грамузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Колесная пара — одна из самых ответственных деталей вагона, от исправной работы ее зависит безопасность движения поездов. При этом замена колесной пары, или одного из ее элементов - буксы с роликовыми подшипниками, цельнокатаного колеса или оси - приводит к внеплановым ремонтам и, как следствие, к большим экономическим затратам. Наиболее опасны в эксплуатации изломы и разрушения элементов колесных пар. В 30-60 годы к основным причинам изломов относили трещины обода, ступицы и диска в зоне отверстия под ось из-за нарушения технологии производства.

Начиная с 60-х годов, в эксплуатации стали выявляться трещины в цельнокатаных колесах в зоне перехода диска к ободу. Можно констатировать тот факт, что дефекты колес и осей, наблюдавшиеся в 1930 — 1970-х годах, в редких случаях встречаются и по сегодняшний день. И, тем не менее, эти немногочисленные дефектные колеса и оси, могут привести к катастрофическим последствиям.

Применение средств и методов входного, межоперационного и выходного неразрушающего контроля технического состояния колёсных пар при выполнении ремонтных работ является в современных условиях неотъемлемой частью обеспечения безопасности движения. Такие факторы, как существенный процент износа эксплуатируемого подвижного состава, ужесточение требований к качеству ремонта с одной стороны, и необходимость увеличения производительности труда с другой стороны, требуют разработки новых эффективных методов неразрушающего контроля элементов колёсных пар, узлов и деталей подвижного состава.

В настоящее время при дефектоскопии элементов колесных пар железнодорожных вагонов используются магнитопорошковый, вихретоковый, ультразвуковой методы контроля. Но при существующем многообразии различных методов неразрушающего контроля пропуски опасных дефектов элементов колесных пар (трещины в диске, гребне и ободе колеса, трещины в средней части, шейки и подступичной части оси) при проведении дефектоскопии все еще имеют место быть.

К основным причинам пропуска дефектов относятся отсутствие специалистов соответствующей квалификации и низкий уровень автоматизации процесса контроля. Кроме того, эти методы, при проведении контроля, требуют предварительной подготовки поверхности контроля, сканирование всей контролируемой поверхности датчиками, и больших затрат времени.

Из сказанного следует, что создание новых, современных систем неразрушающего контроля является весьма актуальным. Поэтому возникла необходимость разработать новую систему диагностики, в частности, основанной на методе собственных частот.

Таким образом, исследования, направленные на разработку системы автоматического контроля железнодорожных колес и осей, основанной на

методе собственных частот, в настоящее время являются актуальной научной задачей.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методики и системы неразрушающего контроля для диагностики осей и колес железнодорожных вагонов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- выбрать метод неразрушающего контроля и усовершенствовать его применительно к локальной задаче - выявление дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов;

- разработать методику проведения диагностирования и выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот;

- разработать и апробировать образцы устройств, основанные на методе собственных частот, для выявления дефектов в осях и колёсах в условиях ремонтного депо;

- разработать алгоритм и программное обеспечение для проведения диагностики осей и колес методом собственных частот;

- провести эксперименты: в лаборатории на моделях и в условиях ремонтного предприятия на реальных объектах, как на бездефектных, так и дефектных осях и колесах.

Методы исследования. Методы математической статистики, математическое моделирование упругих колебаний в твёрдых телах методом конечных элементов. Теоретические исследования базируются на методе конечных элементов и непараметрических критериях сравнения амплитуд в спектрах (в разработанной методике диагностирования), которые имеют дело не с численными значениями измеренных величин, а с их рангами. В экспериментальных исследованиях использованы, помимо метода собственных частот, методы неразрушающего контроля, используемые на ремонтных предприятиях железнодорожной отрасли (ультразвуковой и магнитопорошковый). Обработка экспериментальных и теоретических результатов выполнена на персональном компьютере с применением разработанных в диссертационной работе и типовых программ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана система и методика диагностирования методом собственных частот с автоматической постановкой диагноза о техническом состоянии осей и колес железнодорожных вагонов;

- обоснован выбор и использование тарированного излучателя акустических сигналов для возбуждения собственных колебаний в объектах контроля во время проведения диагностики;

- разработаны алгоритм и программное обеспечение системы неразрушающего контроля осей и колес железнодорожных вагонов, на основе метода собственных частот;

- получено, что результат диагностики выдается непосредственно по каждому конкретному объекту контроля без привязки к другим однотипным изделиям и без обязательного накопления статистической выборки по однотипным осям и колесам.

Практическая значимость работы определяется:

- методикой выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот;

- анализом сдвига частот по методу конечных элементов для первых 25 форм колебаний моделей колес и осей, как с измененной геометрией, так и с внесением в них искусственных дефектов;

- созданием и работой программного обеспечения для проведения диагностики осей и колес железнодорожных вагонов по методу собственных частот;

- результатами лабораторных экспериментов для макетных моделей с наличием искусственных дефектов, а так же для бездефектных осей и колес;

- результатами экспериментальных исследований для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;

- предельными (пороговыми) значениями для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;

- сокращением времени проведения диагностики, упрощением технологического процесса диагностики, по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, применительно к железнодорожному транспорту;

- исключение человеческого фактора при вынесении диагноза объекту контроля.

которых пять бездефектные и три с дефектами. Все объекты контроля, участвовавшие в исследованиях, предварительно проходили технический контроль существующими в депо методами неразрушающего контроля (ультразвуковой и магнитопорошковый).

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Разработка системы, основанной на методе собственных частот, для обнаружения дефектов в колесах и осях вагонов железнодорожного подвижного состава.

2. Методика выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот.

3. Алгоритм и программное обеспечение выявления неисправностей в объектах контроля.

4. Результаты экспериментальных исследований выявления дефектов в колесах и осях методом собственных частот, с предварительно проверенным их техническим состоянием другими методами неразрушающего контроля.

Внедрение результатов исследования. Разработанная в диссертации система по определению технического состояния осей и колес железнодорожных вагонов может быть использована на заводах изготовителях осей и колес, например, на ОАО «Выксунский металлургический завод», а так же на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта, в частности -вагонно-ремонтное депо «Горький-Сортировочный» (вагонно-колесные мастерские).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на конференциях: Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве», 23-26 октября 2006 г., г. Н.Новгород; VI Международной молодежной научно -технической конференции "Будущее технической науки", посвященной 90-летию НГТУ, 16-17 мая 2007 г., г. Нижний Новгород; Второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций, 29-30 октября 2007 г., г. Нижний Новгород; VII Международной молодежной научно - технической конференции "Будущее технической науки", май 2008 г., г. Нижний Новгород; 18-ой Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», сентябрь-октябрь 2008 г., г. Нижний Новгород. А так же публикация в журнале «Контроль. Диагностика» - «Комплекс диагностики осей и колес колесных пар железнодорожных вагонов методом собственных частот с пьезоизлучателем тарированных акустических сигналов», Выпуск 8,2008 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Общий объем диссертации составляет 162 стр., включая 74 рисунка, 8 фотографий и 26 таблиц. Список литературы состоит из 102 наименований.

Публикации. Общее число работ по результатам исследований, представленных в диссертации, составляет 8 публикаций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность выбранной темы, цель, задачи, научная новизна, практическое значение и апробация работы.

Глава 1. В первой главе затронуты вопросы теории колебаний применительно к стержням и стержневым системам; анализ отечественных и зарубежных аналогов применения методов акустической дефектоскопии в различных объектах; основ теории по анализу Фурье. А так же вопросы определения критериев обработки сигналов; выбор статистических информативных признаков, определение параметров процесса колебаний при ударно-динамическом воздействии, выбор способа возбуждения собственных колебаний в исследуемых объектах и построение решающего правила распознавания дефектов.

Исследованию выявления дефектов в различных объектах методами акустической дефектоскопии (на основе метода собственных частот) посвящены труды многих Российских и зарубежных ученых и фирм: A.JI. Фогеля в государственном унитарном предприятии всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта Нижегородского отделения (ГУЛ НО ВНИИЖТ); Ю.В. Ванькова в научно-исследовательской лаборатории Казани; американской фирмы PCB P'ezotronics.

В работах И.М. Рабиновича, СЛ. Соколова, Ю.А. Нилендера, А.К. Бируля, Т.К. Паузрса, Б.Лонга, Г. Курца, Т. Санденава, А. Лесли, В. Чизмена, Ж. Шефдевиля, Г. Дауанса и многих других использовались акустические методы для определения прочностных, упругих, пластических свойств материалов, с начала прошлого века.

А в настоящий момент в области пассивных и активных акустических методов контроля, теорией и практическим использованием, занимаются такие видные ученые как: Ерофеев В.И., Звягин А.Д., Мишакин В.В., Хлыбов A.A., Тамаров В.А., Демидик С.Д., Углов А.Л., Ваганов А.О., Быстрое В.Ф., Григорьев А.Н.

Проведенный анализ показал, что существующие системы основанные, так или иначе, на методе собственных частот (свободных колебаний) не в

полной мере соответствуют тем требованиям, предъявляемым в настоящее время к новым системам неразрушающего контроля. Все существующие системы на основе метода собственных частот, обладая рядом преимуществ, не могут быть применены для контроля осей и колес железнодорожных вагонов из-за того, что обладают рядом недостатков, это наличие в них: 1) механического ударника маятникового типа (ударный молоточек), что приводит к низкой достоверности обнаружения дефектов при воздействии на изделия; 2) микрофона при съеме сигналов с объекта контроля, что в условиях депо недопустимо из-за наличия посторонних шумовых факторов, которые, так или иначе, будут искажать и затруднять процесс диагностики. В связи с этим и возникла необходимость разработки системы автоматической диагностики, основанной на методе собственных частот, которая удовлетворяла бы наибольшему числу требований, предъявляемых к системам, основанных на неразрушающих методах контроля. Кроме того, в первой главе приведены теоретические сведения по методу собственных колебаний тела. Частота собственных колебаний тела определяется формой тела (шириной, высотой, толщиной) и физическими постоянными тела (модулем упругости первого рода, плотностью и коэффициентом Пуассона), а так же частота собственных колебаний зависит от неоднородности материала, наличия дефектов, несплошностей и т.п.

Глава 2. Во второй главе произведены расчеты методом конечных элементов типовых колеса и оси, как бездефектных и с измененной геометрией, так и с наличием искусственных дефектов в них. Существующие программы, основанные на методе конечных элементов и предназначенные для расчета собственных значений, используют следующее матричное уравнение:

(С - рМ)Х = 0, (1)

где С - матрица жесткостей;

М - матрица масс;

р - собственные значения модели динамической системы (колеса или

оси);

X - собственные вектора, характеризующие собственные формы колебаний).

В п. 2.1 проводилась работа по моделированию объектов контроля и расчету собственных мод колебаний с помощью ориентированных для этих задач программ. Сначала бездефектные колесо и ось были рассчитаны методом конечных элементов. Потом изменялся посадочный диаметр для оси (место, на которое происходит напрессовка колеса, при формировании колесной пары) и внутренний и наружный диаметры для колеса, все данные размеры брались в разрешенных, нормативно-технической документацией допусках. И только затем моделировались всевозможные дефекты в них.

Были произведены расчеты для оси и колеса без дефектов с наиболее типовыми геометрическими размерами элементов колесной пары. Геометрические размеры колеса принимались следующими: посадочный диаметр - 185 мм; внешний диаметр колеса - 870 мм. Количество конечных элементов - 35567. В расчетах использовалась сталь с физическими постоянными: модуль упругости первого рода - Е = 2,0* 105 МПа, коэффициент Пуассона - v = 0,3, плотность металла - р = 7,8*103 кг/мЗ. Посадочный диаметр для оси принимался следующим - 190 мм. Количество конечных элементов -39426. Число рассматриваемых мод собственных колебаний для оси и колеса было равно 25.

При расчете применялся следующий тип конечного элемента - Solid 92. Он представляет собой объемный четырехгранник с десятью узлами, расположенных в углах и серединах сторон, рисунок 1. Элементы данного типа лучше всего использовать в нерегулярных сетках. Данный тип элементов позволяет использовать изотропные пластичные и другие нелинейные виды материалов, за исключением гиперэластичных.

Рисунок 1. Вид конечного элемента Solid 92

Следующим этапом исследования было создание моделей с измененной геометрией (п. 2.2). Было построено 4 модели колеса и 2 модели оси с разной геометрией. Ось для расчета методом собственных колебаний бралась типа РУ-1Ш-950. После произведенных расчетов были построены графики изменения собственных частот для колес и осей с наиболее типовыми геометрическими размерами, а так же с измененной их геометрией (изменения касались внутренних посадочных диаметров и внешнего диаметра колеса).

В п. 2.3 и п. 2.4 была поставлена задача - а можно ли в качестве основного критерия - брак/годен, в разрабатываемой методике, использовать сдвиг собственных частот объектов контроля при внесении в них искусственных дефектов с различными поперечными сечениями? Были смоделированы следующие объекты контроля с неисправностями: 1) Модели осей с дефектами: • OS1D1 - Продольный дефект («пропил») в центральной части оси, в виде параллелепипеда, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина х высота х глубина) - 10x32,35x50.

• 05_1_Б2 - Дефект типа - «пропил» в области посадки внутреннего кольца буксовых подшипников, прямоугольного сечения, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина х высота х глубина) - 10x8,42x45.

2) Четыре модели колес с дефектами:

• Ко1езо_2.2_01 - Дефект на внутренней поверхности ступицы, треугольного сечения, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина у основания х высота х глубина) - 4x14,05x195.

• Ко1езо_2.2_В2 - Дефект в виде вертикального сквозного отверстия в диске колеса, сечения в виде эллипса, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина х длина) - 20x108.

• Ко1езо_2.2_БЗ - Дефект в виде сквозного отверстия по радиусу в диске колеса, шириной 3 мм и с угловым сектором 56,65°.

• Ко1еБО_2.2_04 - Дефект в виде сквозного отверстия в реборде колеса по радиусу шириной 1,5 мм и с угловьм сектором 49,51°.

Произведеные расчеты методом конечных элементов собственных колебаний типовых колес и осей железнодорожных вагонов с имитацией искусственных дефектов показали, что наличие в объекте контроля дефекта вызывает изменение собственных частот колеса и оси. Но следует заметить, что данные сдвиги частот у колес и осей колеблются в Герцах от единиц до нескольких сотен. В результате проведеного анализа влияния различного рода дефектов на собственные частоты колебаний колеса и оси железнодорожного вагона получены следующие результаты:

• установлено влияние различного рода дефектов на частоты и формы колебаний оси и колеса;

• размер дефекта влияет на величину сдвига частот относительно «бездефектной оси» и «бездефектного колеса»;

• местоположение дефекта также влияет на сдвиг частот;

• сдвиг частот нельзя принимать в качестве основного признака по выявлению неисправностей в осях и колесах, так как в некоторых случаях наблюдается, что при существенном «дефекте» сдвиг незначителен.

В Главе 3 п. 3.1 рассмотрена задача выбора способа возбуждения собственных колебаний в исследуемых объектах. В контрольно измерительной аппаратуре, использующей метод собственных частот, обычно производят возбуждение колебаний в изделии с помощью удара. При этом необходимо обеспечить такие параметры удара, при котором в изделии будут наилучшим образом возбуждаться колебания в необходимом для измерения частотном диапазоне. В случае выбора удара с помощью ударного молоточка,

как способа возбуждения собственных частот в исследуемых объектах, повышается влияние человеческого фактора на результаты диагностики.

Были произведены эксперименты с целью подтверждения или опровержения данного предположения о возникновении человеческого фактора и как следствие понижения качества диагностики при использовании устройства возбуждения колебаний через ударный молоточек. Эксперименты проводились в лаборатории ООО «ДиаТех» г. Н.Новгород.

За объект исследования были приняты макетные экземпляры колес и осей железнодорожных вагонов небольших размеров (например, для колеса в масштабе 1:2,5 к полноразмерному колесу). Размеры данных образцов следующие: колесо — Б = 350 мм; ось - Ь = 500 мм.

Так же эксперименты проводились и для двух макетов колес и осей с привнесенными в них искусственными дефектами. Образцы устанавливались на резиновую прокладку с целью уменьшения влияния посторонних вибраций. Возбуждение собственных колебаний в испытуемых образцах осуществлялось механическим устройством маятникового типа (ударный молоточек). Удар производился с фиксированной высоты и по возможности с отсутствием первоначального ускорения со стороны проводившего эксперимент человека.

Результаты лабораторных экспериментов для макетных образцов (двух колес и двух осей) получились с достоверностью 50%. То есть из двух осей было определено, что дефектная ось является бездефектной, а в случае с бездефектной осью диагноз о фактическом состоянии поставлен был правильно. Аналогичные - результаты были получены для макетов колес. Это могло быть вызвано использованием механического ударника в качестве источника возбуждения собственных колебаний в колесах и осях.

Поэтому было решено отказаться от возбуждения при помощи механического ударника. В качестве элемента возбуждения собственных колебаний в объекте контроля было решено применить электронный пьезоизлучатель акустических сигналов тарированного воздействия (далее излучатель).

В п. 3.2. был определен состав, устройство^ работа системы диагностики методом собственных частот. В состав системы входят устройства, представленные на рисунке 2.

Было определено, что конструктивно система диагностики колес и осей колесных пар методом собственных частот должна включать в себя резиновые опоры, на которых размещаются ось или колесо. Излучатель на контролируемом объекте будет крепиться с помощью электромагнита, а приемник сигнала - пьезоакселерометр (далее датчик) - на контролируемом объекте с помощью магнита (датчик соединен с магнитом посредством металлической шпильки). Перед установкой датчика и излучателя поверхности соприкосновения на объектах контроля должны смазываться смазкой Литол-24.

Система диагностики

1 - Пьезоакселерометр АР-57;

2 - Тарированный излучатель;

3 - Ось;

4 - Колесо;

5 - Усилитель заряда; 6-Плата АЦПЕ-440;

7 - ПК и ПО для записи и обработки сигналов;

8 - Монитор;

9 — Источник бесперебойного питания; 10-Принтер.

Рисунок 2. Состав аппаратуры и технологического оборудования диагностической системы

В состав системы, кроме излучателя и датчика, также входят усилитель заряда, внешняя плата АЦП и ноутбук с программным обеспечением (возможно применение и персонального компьютера с внутренней платой АЦП типа Ь-791). Установка осей и колес на опоры (установку) должна производится с помощью кран-балки. А время диагностики одного объекта должно составлять не более 10 минут (от постановки объекта контроля на место диагностики до выдачи результата).

Программное обеспечение включает в себя следующие основные части:

- программу регистрации акустических сигналов;

- программу формирования спектров;

- программу сравнения спектров с диагностируемого объекта.

Блоки системы соединяются кабелями согласно структурной

блок-схемы, которая приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная блок-схема диагностической системы

На рисунке 4 (а, б) показана схема установки объектов контроля при проведении диагностики.

т.

а) ^ б)

1 - прокладка (резиновая); 2 - опора; 3 - ось; 4 - излучатель; 5 -приемник (пьезоакселерометр); 6 - колесо. Рисунок 4 - Схема установки объектов контроля

Укрупненная блок-схема алгоритма работы системы диагностики приведена для оси и колеса на рисунке 5.

Начало

Запись 1.1

Запись 1.2

Запись 1.3

«Эталонный» спектр

Запись 2.1

Запись 2.3

Номер колеса

Запись 1.1 —► Запись 2.1 Запись 3.1

* *

Запись 1.2 Запись 2.2 Запись 3.2

Запись 1.3 Запись 2.3 Запись 3.3

Спектр 1 Спектр 2 Спектр 3

1 4 !

Запись 4.1

Запись 4.2 + ~

Спектр 4

Рисунок 5. Укрупненная блок-схема алгоритма работы системы диагностики

В четвертой главе п. 4.1 рассмотрены эксперименты с колесом. Они проводились в вагонно-ремонтном депо ВЧД-3 Горьковской железной дороги (ВКМ). Объектами контроля являлись колеса железнодорожных грузовых вагонов. Первоначально данные объекты контроля подвергались плановой дефектации, предусмотренной технологическими картами для вагонно-ремонтных депо.

Для подтверждения разработанной методики браковки по методу собственных частот с тарированным излучателем были проведены испытания с пятью колесами без дефектов (рекомендованных к сбору в колесную пару и постановку под вагон) и тремя колесами с наличием, как поверхностных (видимых), так и внутренних дефектов.

Колесо устанавливалось на резиновую прокладку размером 500x500x100 мм (см. рисунок 46). Установка излучателя и датчика осуществлялась на гребень колеса с внутренней стороны. Далее производился удар, съем сигнала и затем формировался программой диагностики спектр собственных частот объекта контроля. Преобразование Фурье - математическая основа спектрального анализа:

х{1) = -- "^(иОе^ = > (2)

—00 -оо

где х{1) - непрерывный сигнал; ы - частота; j - мнимая единица; 5(н') - спектральная плотность сигнала

Первое выражение в (2) называется прямым интегральным преобразованием Фурье, а второе - обратным преобразованием Фурье.

Современные цифровые средства спектрального анализа сигналов используют быстрое преобразование Фурье в дискретной форме. В настоящей работе использовался алгоритм быстрого преобразования Фурье. Прямое и обратное дискретные преобразования Фурье можно представить в виде:

*('.), = = А^хЮе'^", (3)

-¿Я" /=0 л=0

где - *(?„) - отсчеты входного сигнала в дискретные моменты времени

/„ = АШ; N - объем выборки, хранящейся в памяти цифровой измерительной системы; А/ - шаг дискретизации; п е [0, N -1] - целые числа; м>1 = Ди<г - частоты

анализа; г" е [0, ЛГ — 1] - целые числа; З'О^)- коэффициенты вещественного сигнала х„.

Для вещественного сигнала х„, коэффициенты являются эрмитово сопряженными, что позволяет разбить матрицу размером 7У=2М на матрицы меньшего размера с их максимальным количеством М=1о£2Л^ причем в каждой из них отличными от нуля оказываются всего два элемента. Такое преобразование Фурье и называется быстрым преобразованием Фурье.

Далее программой после трех записанных сигналов в одном направлении формируется один усредненный спектр.

Выбор в пользу трех записываемых сигналов с последующим по ним усреднениям принимался из-за того, что если производить удар и съем информации только по одному замеру, то возможен ряд ошибок. Наличие данных ошибок приведет к резкому снижению качества диагностики.

Съем информации происходил в четырех взаимно перпендикулярных направлениях. Данное предположение о необходимости производить замеры и обработку именно таким образом вызвано следующими моментами:

• нет привязки к идентичности геометрических форм от одного объекта контроля к другому. То есть результаты диагностики выдаются программой по одному, установленному в данный момент на стенд, колесу;

• в случае наличия какого-либо дефекта в одном из четырех направлений съема информации, автоматически приведет к изменению частотного и амплитудного распределения прямого спектра по отношению к трем другим направлениям. Это будет вызвано изменением интенсивности приходящего на датчик колебаний, их искажений, вследствие затрат энергии на преодоление дефекта, а так же огибания волнами данного дефекта;

• контроль всего объема металла;

• удобство постановки и съема датчика и излучателя.

В случае сравнения одновременно более двух спектров вычисляется относительный коэффициент корреляции спектров (повторяемости значений величин амплитуд по первым семи собственным частотам сравниваемых спектров). В данном случае определение относительного коэффициента корреляции выглядит следующим образом:

где 5 - сумма квадратов разности между полученной суммой рангов и ожидаемой суммой рангов:

сравниваемых спектров; п - число взятых первых гармоник из спектра для дальнейшего сравнения (собственные частоты объекта контроля);

(5)

ожидаемое значение суммы рангов; т - число

X, = £ Л'.ч - фактическое значение суммы рангов для ¿-ой гармоники и

ти рассматриваемых спектров. Здесь Ми - текущее значение ранга для /-ой гармоники и к-то спектра; /=1 ...п — количество рассматриваемых гармоник; т=\..Л.

В выражении (4) Бт» - максимальное значение квадрата разности между полученной суммой рангов и ожидаемой суммой рангов (это достигается при полном совпадении т спектров, и когда суммы рангов столбцов будут равны ш, 2т, Зт,..., пш):

! 2

т(п +1) . пт--. (6)

После преобразований правой части формулы (6), можно представить

т\п}-п)

в виде: =--—-. (7)

Если спектры полностью совпадают, то относительный коэффициент корреляции \У=1, если нет, то '№=0.

Для примера работоспособности системы диагностики методом собственных частот, выявления дефектов в колесах железнодорожных вагонов, приведем сигнал во временной области и спектр (рисунки 6,7). На рисунках 8,9 представлены результаты диагностики по разработанной программе контроля технического состояния осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот, для бездефектного колеса (рисунок 8) и для дефектного колеса (рисунок 9).

На данных рисунках в левой нижней части отображаются ранги гармоник контролируемых спектров (соответственно для четырех положений датчика и излучателя). В правой нижней части рисунков показаны предельные и рассчитанный для конкретного испытуемого колеса коэффициент корреляции идентичности спектров колеса ([\У] = 0,85 - пороговое значение коэффициента, = 0,884 - полученное значение для бездефектного колеса, = 0,625 - для дефектного колеса). В левой верхней части рисунков происходит отображение результата диагностики по каждому конкретному объекту контроля, либо «В норме», либо «В данном узле имеется дефект».

с; М о в** «¡»1

Ж «Л

Р 3 Я

^ 3«

........1..............................................

и^жЛ ,1 и ,„ 1

X Время (с)

Рисунок 6. Сигнал бездефектного колеса (для положения 1 излучателя и датчика)

1Ш ;м

X Время (Гц)

Рисунок 7. Спектр бездефектного колеса (для положения 1 излучателя и датчика)

Проведенная диагностика (в соответствие с рисунком 8, где ш=4; п=7) для бездефектного колеса дала следующие результаты: 8=396, 8шах=448, . \¥=0,884.

Проведенная диагностика (в соответствие с рисунком 9, где т=4; п=7) для дефектного колеса дала следующие результаты: 8=280, 8ПМХ=448,\¥=0,625.

В ходе проведенных экспериментов на восьми колесах, из которых три дефектные и пять бездефектные (техническое состоянии колес определено с помощью ультразвукового и магнитопорошкового методов контроля) было установлено, что значение порога (браковочного параметра) должно составлять

Рисунок 8. Окно программы диагностики по методу собственных частот результатами для бездефектного колеса

[\У] = 0,85. В случае если: > - колесо бездефектное, при W < -дефектное колесо. В дальнейшем по накоплению выборки при проведении экспериментов на других колесах данное значение =0,85 может уточняться.

Вь««

Ситда) Слеетр! СпектрРю»гьт«гы

Рисунок 9. Окно программы диагностики по методу собственных частот с результатами для дефектного колеса

Результаты по проведенным экспериментам для опытных колес 1-8. Распределение полученных значений относительного коэффициента корреляции представлено на рисунке 10.

Экспер имент -"шлесо"

0.884

♦ 0,929

Пороговое знамение

0.853

Дефектные объекты

0.625

таг

Объекты контроля

Рисунок 10. Распределение относительного коэффициента корреляции для бездефектных колес (первые пять точек на графике) и с дефектами (последние три точки)

В п.4.2 рассмотрены эксперименты с осью, которые проводились в вагонно-ремонтном депо ВЧД-3 Горьковской железной дороги (ВКМ), филиала ОАО «РЖД». Объектами контроля являлись оси железнодорожных грузовых вагонов. Первоначально данные объекты контроля подвергались плановой дефектации, предусмотренной технологическими картами для вагонно-ремонтных депо. Для подтверждения разработанной методики браковки по методу собственных частот с тарированным излучателем были проведены испытания с шестью осями без дефектов (рекомендованных к сбору в колесную пару и постановку под вагон) и тремя осями с наличием, как поверхностных (видимых), так и внутренних дефектов.

Ось устанавливалась на стенд (см. рисунок 4а), датчик и излучатель располагались в плоскости оси симметрии объекта контроля (вдоль оси симметрии объекта контроля на торцах оси), на противоположных концах оси. Тарированный удар производится из условного положения 1, и съем информации происходит в этом же направлении, исходя из плоскости чувствительности датчика, но на другой стороне испытуемого объекта.

Затем производится перестановка, как излучателя, так и датчика на угол 180°, меняются местами излучатель и датчик (условное положение 2) и производится повторный удар и съем информации. Методика возбуждения и съема механических колебаний аналогична условному положению 1 (после трех раз возбуждения и съема информации, формируется усредненный «эталонный» спектр) дальше происходит сравнение двух усредненных сигналов условных точек положения излучателя и датчика 1 и 2. Сравнение двух усредненных спектров для условного положения 1 и 2 происходит в программном обеспечении системы, основанной на методе собственных частот, посредством коэффициента ранговой корреляции Спирмена R, согласно формуле:

где Я - коэффициент ранговой корреляции Спирмена, п - число частот в спектре, (1 - разность рангов. Используя эту формулу можно выявить наличие или отсутствие корреляции двух спектров.

Коэффициент ранговой корреляции Спирмена (8) равен +1, когда два спектра полностью совпадают, и -1, когда они взаимно обратны.

Для примера приведем результаты диагностики, см. рисунок 11 и 12 (в обоих приведенных случаях п=10), для осей с дефектом и без дефекта. На рисунке 11, в правой нижней части, приведен результат диагностики по программе методом собственных частот для бездефектной оси. [Я] = 0,4 -пороговое значение при проведении диагностики методом собственных частот для осей. В случае если К > [Я] — бездефектная ось, где II - полученное значение коэффициента ранговой корреляции Спирмена для конкретной

продиагкостированной оси. Для рисунка 11 (бездефектная ось) значение К 0,758, для рисунка 12 (дефектная ось) К = 0,358.

Рисунок 11. Окно программы диагностики по методу собственных частот с результатами для бездефектной оси

На рисунке 10 в правой нижней части приведен результат диагностики по программе методом собственных частот для дефектной оси.

Дяя(одмйфи&^АёрпмегОДсЪяЗД йорп^н .ст'йЦф»«

Ордрм;___________________ г. м ____________гарв4ои»«__.....__....

Спектр Ь» г.4- Г «С, 4-а7м 5-я , V 6-* ( V. 7-*»V (х 3-я * V щ«

,Г/ Результат измерений ,

■ М ' &

г-......Ъ " ¡в 8 1С 1 3 2

10Г 1 12 ¡4 8 3 5 Б ? 10

раэность| 6 4 ¡1 1 0 1 -4 •3 -5 Ы

Кмярлт 36 |1в 11 ¡1 0 1 16 9 25 ¡1

а ; а

¡Число атсчотое: 131072

Рисунок 12. Окно программы диагностики по методу собственных частот с результатами для дефектной оси

Результаты по проведенным экспериментам для опытных осей 1-9. Распределение полученных значений коэффициента ранговой корреляции представлено на рисунке 13.

Эксперимент - "Ось"

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 О

-од -0.2 -0.3 -0,4

- Бездефектные оси

И 0.758 _ о 697

и 0.806 Д 0.830

■ 0,661

Пороговое значаще

____^_

Дефектные оси

, -0.091

И -0.261

3 4 5

Объекты контроля

Рисунок 13. Распределение коэффициента ранговой корреляции Спирмена для бездефектных осей (первые шесть точек на графике) и с дефектами (последние три)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Здесь приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы, которые сводятся к следующему:

1. Разработана методика проведения диагностики и выявления внутренних, подповерхностных и поверхностных дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов. Данная методика основывалась на том, что результат диагностики выдается непосредственно по каждому конкретному объекту контроля без привязки к другим однотипным изделиям. Это позволило избежать таких затруднений при выдаче результатов диагностики, как допустимая нормативно-техническими документами в железнодорожном транспорте разность геометрии от одного объекта к другому, невозможность абсолютно точного повторения постановки объекта контроля на стенд (то есть разные начальные условия проведения диагностики).

2. Разработаны и апробированы образцы устройств, позволяющие выявлять дефекты в осях и колёсах методом собственных частот, таким образом, чтобы данный процесс позволял выявлять дефекты, и при этом соблюдалась технологичность процесса диагностики в условиях ремонтного предприятия.

3. Разработан алгоритм и программное обеспечение выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов по методу собственных частот.

4. Составлено руководство по эксплуатации работы системы для персонала, работающего в области неразрушающего контроля на предприятиях изготавливающих колеса и оси для железнодорожных вагонов, а так же на ремонтных предприятиях данной отрасли.

5. В ходе проведенных расчетов для моделей колес и осей по методу конечных элементов построены зависимости собственных колебаний, для 10-ой, 20-ой и 25-ой форм, от геометрии объекта контроля, а так же при внесении в модель различных искусственных дефектов.

6. В разработанной системе сделан и обоснован выбор использования электронного пьезоизлучателя акустических сигналов для тарированного воздействия на объект диагностики для повышения качества диагностики.

7. Установлены пороговые значения браковки для колеса и оси железнодорожных вагонов 0,85 и 0,4 соответственно.

8. Результаты экспериментов в депо опытной системы для обнаружения дефектов в колесах и осях по методу собственных частот с использованием излучателя тарированных акустических сигналов показали, что предлагаемая методика и система в целом показывают достоверные результаты.

9. При работе системы на основе метода собственных частот не требуется сканирование всей поверхности объекта контроля, при этом достигается существенная экономия времени, а так же не требуется в разработанной системе производить подготовку (очистку) всей поверхности колес и осей, проходящих контроль.

10. В разработанной системе, основанной на методе собственных частот, от оператора, производящего диагностику колес или осей не требуется высокой квалификации, что в существующих реалиях ремонтных предприятий это является весьма актуальным.

11. Работа созданной системы неразрушающего контроля позволяет с минимально возможным человеческим фактором ставить диагноз объекту контроля.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Десятников В. Е. Разработка проекта установки для диагностирования осей и колес колесных пар методом собственных частот // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве», 23-26 октября 2006 г. с.404-406.

2. Ваганов А.О., Десятников В.Е. Информационные технологии диагностики подвижного грузового железнодорожного состава // Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы машиноведения: новые технологии и материалы», посвященная 20-летию Нижегородского филиала Института машиноведения РАН 29-30 ноября 2006 г. с. 67.

3. Десятников В. Е. Обнаружение дефектов типа трещины при моделировании осей колесных пар железнодорожных вагонов с помощью ANSYS // Труды VI Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", посвященной 90-летию НГТУ. 2007 г. с. 101-102.

4. Десятников В. Е. Обнаружение дефектов типа трещины при моделировании колес железнодорожных вагонов с помощью ANSYS // Труды второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций, 29-30 октября 2007 г с. 132

5. В.Е. Десятников Разработка программного обеспечения для диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот // Труды VII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". 2008 г. с. 79.

6. Ваганов А.О., Быстров В.Ф., Десятников В.Е. Универсальные комплексы вибродиагностики ответственных узлов всех типов железнодорожного подвижного состава // Журнал «Вибрация машин измерение снижение защита» Выпуск №2(13). Изд-во «КОМПРО». Украина. 2008 г. с. 19-21.

7. Десятников В.Е., Ильинский Д.И., Григорьев А.Н. Комплекс диагностики осей и колес колесных пар железнодорожных вагонов методом собственных частот с пьезоизлучателем тарированных акустических сигналов // Журнал «Контроль. Диагностика». Выпуск. 8..- Москва: Изд-во ООО "Издательство Машиностроение" 2008. - с. 29-33.

8. Карелин A.B., Леньков C.B., Молин С.М., Ваганов А.О., Григорьев А.Н., Десятников В.Е. Мобильная система вибродиагностики подвижного тягового состава железнодорожного транспорта// Журнал «Контроль. Диагностика». Выпуск. 11. - Москва: Изд-во ООО "Издательство Машиностроение" 2008. - с. 23-28.

Подписано в печать 18.03.09. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 177.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Десятников, Валерий Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 12 Вводные замечания

1.1 .Историческая справка

1.2.Основы теории колебаний стержней и стержневых систем

1.2.1. Общие сведения по свободным колебаниям стержней и стержневых систем

1.2.2. Общие сведения по свободным колебаниям стержней и стержневых систем

1.2.3. Изгибные колебания стержней

1.2.4. Принцип метода собственных частот

1.3.Анализ отечественных и зарубежных аналогов применения методов акустической дефектоскопии в различных объектах

1.4.Анализ Фурье

1.4.1. Преобразование Фурье

1.4.2. Быстрое преобразование Фурье

1.5.Выбор информативных признаков 35 1.6.Определение параметров процесса колебаний при ударнодинамическом воздействии '

1.7.Построение решающего правила распознавания дефектов

ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ ТЕЛ

И ДЕФЕКТОВ НА ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ОСЕЙ И КОЛЕС

Вводные замечания 51 2.1.Расчет методом конечных элементов собственных колебаний типовых колес и осей грузового железнодорожного вагона

2.2.Расчет методом конечных элементов собственных колебаний колеса и оси с измененной геометрией

2.3.Расчет методом конечных элементов собственных колебаний типовой оси грузового железнодорожного вагона с различными дефектами

2.4.Расчет методом конечных элементов собственных колебаний типового колеса с различными дефектами

ВЫВОДЫ

3. ВЫБОР СПОСОБА ВОЗБУЖДЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ. СОСТАВ, УСТРОЙСТВО И РАБОТА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ МЕТОДОМ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ

Вводные замечания

3.1.Выбор способа возбуждения собственных колебаний в исследуемых объектах

3.1.1. Описание эксперимента 8 О

3.2.Состав, устройство и работа системы диагностики методом собственных частот

ВЫВОДЫ

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА НАТУРНЫХ ОСЯХ И КОЛЕСАХ

Вводные замечания

4.1 .Эксперимент с колесом

4.2.Эксперимент с осью

ВЫВОДЫ

Введение диссертация по механике, на тему "Разработка методики и системы диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот с применением тарированного излучателя"

Актуальность темы.

Колесная пара - одна из самых ответственных деталей вагона, от исправной работы которой зависит безопасность движения поездов. При этом замена колесной пары, или одного из его элементов — буксы с роликовыми подшипниками, цельнокатаного колеса или оси — приводит к внеплановым ремонтам и, как следствие, к большим экономическим затратам. Наиболее опасны в эксплуатации изломы и разрушения элементов колесных пар. В 30-60 годы к основным причинам изломов относили трещины обода, ступицы и диска в зоне отверстия под ось из-за нарушения технологии производства.

Начиная с 60-х годов, в эксплуатации стали выявляться трещины в цельнокатаных колесах в зоне перехода диска к ободу. Можно констатировать тот факт, что дефекты колес и осей, наблюдавшиеся в 1930 — 1970-х годах, в редких случаях встречаются и по сегодняшний день [22-25,28]. И, тем не менее, эти немногочисленные дефектные колеса и оси, могут привести к катастрофическим последствиям.

Применение средств и методов входного, межоперационного и выходного неразрушающего контроля технического состояния объектов контроля [10-12,83] при выполнении ремонтных работ является в современных условиях неотъемлемой частью обеспечения безопасности движения [56]. Такие факторы, как существенный процент износа эксплуатируемого подвижного состава, ужесточение требований к качеству ремонта с одной стороны, и необходимость увеличения производительности труда с другой стороны, требуют разработки новых эффективных методов неразрушающего контроля элементов колёсных пар, узлов и деталей подвижного состава.

В настоящее время при дефектоскопии элементов колесных пар железнодорожных вагонов используются магнитопорошковый, вихретоковый, ультразвуковой методы контроля [2,13,20,26,29,38,62-63]. Но при существующем многообразии различных методов неразрушающего контроля пропуски опасных дефектов элементов колесных пар (трещины в диске, гребне и ободе колеса, трещины в средней части, шейки и подступичной части оси) при проведении дефектоскопии все еще имеют место быть.

К основным причинам пропуска дефектов относятся отсутствие специалистов соответствующей квалификации и низкий уровень автоматизации процесса контроля [25,30,53,84]. Кроме того эти методы, при проведении контроля, требуют предварительной подготовки поверхности контроля, сканирование всей контролируемой поверхности датчиками, и больших затрат времени.

Из сказанного следует, что создание новых, современных систем неразрушающего контроля, при использовании современных компьютеров для анализа акустических сигналов [48,71,76], является весьма актуальным. Поэтому и возникла необходимость разработать новую систему диагностики, в частности, основанной на методе собственных частот.

Таким образом, исследования, направленные на разработку системы автоматического контроля железнодорожных колес и осей, основанной на методе собственных частот, в настоящее время являются актуальной научной задачей.

Цель и задачи исследования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- выбрать метод неразрушающего контроля и усовершенствовать его применительно к локальной задаче — выявление дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов;

- разработать методику проведения диагностирования и выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов;

- разработать и апробировать образец устройства, основанный на методе собственных частот, для выявления дефектов в осях и колёсах в условиях ремонтного депо;

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана система и методика диагностирования методом собственных частот с автоматической постановкой диагноза о техническом состоянии объектов контроля;

- разработаны алгоритм и программное обеспечение системы неразрушающего контроля осей и колес железнодорожных вагонов, на основе метода собственных частот

- получено, что результат диагностики выдается непосредственно по каждому конкретному объекту контроля без привязки к другим однотипным изделиям и без обязательного накопления статистической выборкц по однотипным осям и колесам.

Практическая значимость работы включает:

- методику выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот;

- анализ сдвига частот по методу конечных элементов для первых 25 форм колебаний моделей колес и осей, как с измененной геометрией, так и с внесением в них искусственных повреждений;

- создание и работа программного обеспечения для проведения диагностики осей и колес железнодорожных вагонов по методу собственных частот;

- результаты экспериментальных исследований для макетных (лабораторных) моделей с наличием искусственно внесенных «повреждений», а так же бездефектных осях и колесах;

- результаты экспериментальных исследований для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;

- предельные (пороговые) значения для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;

- сокращение времени проведения диагностики, упрощение технологического процесса диагностики, по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, применительно к железнодорожному транспорту.

- исключение человеческого фактора при вынесении диагноза объекту контроля.

Достоверность разработанной автоматизированной системы диагностики методом собственных частот осей и колес подтверждена моделированием и проведёнными расчётами методом конечных элементов, а так же экспериментами, проведенными в депо Горький-Сортировочный (ВКМ) Горьковской железной дороги - филиала ОАО «РЖД». Общее испытанное количество осей - девять, из которых шесть бездефектные и три с дефектами. Количество колес участвовавших в экспериментах составило восемь штук, из которых пять бездефектные и три с дефектами. Все объекты контроля, участвовавшие в исследованиях, предварительно проходили технический контроль существующими методами неразрушающего контроля (ультразвуковой и магнитный), предназначенные для этих целей.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

2. Методика выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот.

3. Алгоритм и программное обеспечение выявления неисправностей в объектах контроля.

Внедрение результатов исследования. Разработанная в диссертации система по определению технического состояния осей и колес железнодорожных вагонов может быть использована на заводах изготовителях осей и колес, например, на ОАО «Выксунский металлургический завод», а так же на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта, в частности - вагонно-ремонтное депо «Горький-Сортировочный» (вагонно-колесные мастерские).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на конференциях: Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве», 23-26 октября 2006 г., г. Н.Новгород; VI Международной молодежной научно - технической конференции "Будущее технической науки", посвященной 90-летию НГТУ, 16-17 мая 2007 г., г. Нижний Новгород; Второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций, 29-30 октября 2007 г., г. Нижний Новгород; VII Международной молодежной научно - технической конференции "Будущее технической науки", май 2008 г., г. Нижний Новгород; 18-ой Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», сентябрь-октябрь 2008 г., г. Нижний Новгород. А так же публикация в журнале «Контроль. Диагностика» - «Комплекс диагностики осей и колес колесных пар железнодорожных вагонов методом собственных частот с пьезоизлучателем тарированных акустических сигналов», Выпуск 8, 2008 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Общий объем диссертации составляет 162 стр., включая 73 рисунка, 8 фотографий и 26 таблиц. Список литературы состоит из 102 наименований.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Здесь приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы, которые сводятся к следующему:

5. В ходе проведенных расчетов для моделей колес и осей по методу конечных элементов построены зависимости собственных колебаний, для 10-ой, 20-ой и 25-ой форм, от геометрии объекта контроля, а так же > при внесении в модель различных искусственных дефектов.

7. Установлены пороговые значения браковки для колеса и оси железнодорожных вагонов 0,85 и 0,4 соответственно.

128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автор надеется, что полученные в результате выполненных исследований результаты представляют интерес для специалистов и окажутся полезными для дальнейших теоретических разработок и практического использования.

Автор считает приятным долгом выразить глубочайшую благодарность руководителю работы доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.М.Волкову, а также всему коллективу кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева за помощь и поддержку в процессе написания работы.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Десятников, Валерий Евгеньевич, Нижний Новгород

1. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций. Учебное пособие / М.: Изд. АСВ, 2000. — 152 с.

2. Акустические методы и средства контроля./ В кн.: Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий./ Справочник. Т2. — М.: Машиностроение, 1986. С.189.

3. Батуев Г.С. Инженерные методы исследования ударных процессов. М: Машиностроение, 1969 г., 248 с.

4. Бабаков И.М. Теория колебаний.- М.: Наука, 1968.

5. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний.- М.: Высш. школа, 1980.

6. Вавилов А.А., Солодовников А.И. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем. М.: Госэнергоиздат, 1963 г., 252 с.

7. Ваньков Ю. Неразрушающий контроль колес грузового вагонаметодом свободных колебаний. Отчет о НИОКР № 281. Казань. 2003г.

8. Веричев Н.Н., Веричев С.Н., Ерофеев В.И. Порядок и хаос в динамике ротаторов. М.; Н.Новгород: «Университетская книга», 2008.- 132 с.

9. Волков В.М. Разрушение, прочность и надежность материалов и элементов судовых конструкций. Горький: ГПИ им А.А. Жданова, 1985. 100 с.

10. Волков В.М., Миронов А.А., Жуков А.Е. Предельная прочность, надежность и остаточный ресурс тонкостенных конструкций с повреждениями. Вестник ВГАВТ. Выпуск 16. Надежность и ресурс в машиностроении. — Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2006.- 184 с.

11. Волков В.М., Миронов А.А. Объединенная модель образования и роста усталостных трещин в концентраторах напряжений. Межвузовский сборник. Выпуск 67. Проблемы прочности и пластичности. Н.Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2005.212 с.

12. Воронкова JI.B.: Ультразвуковой контроль чугунных отливок, Москва, Типография МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1998, 40 с.

13. Вибрация в технике: Справочник. Т.1. Колебания линейных систем.-М.: Машиностроение, 1986.

14. Глаговский Б.А. Таблицы и графики для расчетов реакций линейных систем на импульсное возбуждение. Новосибирск: Наука, 1971 г., 192 с.

15. Глаговский Б.А., Московенко И.Б.: Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении, Л., Машиностроение, 1977, 208с.

16. Гордов А.Н., Азиров A.M. Точность измерительных преобразователей. JI: Энергия, 1975 г., 256 с.

17. Голованов А.И, Бережной Д.Н. Метод конечных элементов в механике деформируемых твердых тел. Казань: Издательство ДАС, 2001 г., 300 с.

18. Горенбург Л.И., Шелачева Е.Г., Манунин В.П. Разработка конструкции механизма ударно-динамического возбуждения колебаний в стержнях .//Труды ВНИИАШ №8, М: Машиностроение, 1968 г., с 89-97.

19. ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.

20. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения.

21. ГОСТ 4835-80 Колесные пары для вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524) мм. Технические условия.

22. ГОСТ 9036-88 Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры

23. ГОСТ 10791 -89 Колеса цельнокатаные. Технические условия

24. ГОСТ 15467-79 Управление качеством продукции. Основные понятия". Термины и определения

25. ГОСТ 20415-82 Контроль неразрушающий. Методы акустические. Общие положения

26. ГОСТ 20799-88 Масла индустриальные. Технические условия

27. ГОСТ 22780-93 Оси для вагонов железных дорог колеи 1520 (1524) мм. Типы, параметры и размеры

28. ГОСТ 23829-85 Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения

29. ГОСТ 30489-97 (EN 473-92) Квалификация и сертификация персонала в области неразрушающего контроля. Общие требования

30. Гренандер У. Случайные процессы и статистические выводы. М: Изд. Иностранной литературы, 1961 г., 167 с.

31. Григорьян А.Т. История механики Т1, 1971, 298 с.

32. Григорьян А.Т. История механики Т2, 1972, 417 с.

33. Григорьян А.Т. Механика от античности до наших дней, 1971, 312 с.

34. Диментберг Ф.М. Колебания машин, 1964, 308 с.

35. Джонс Р., Фокозару. Неразрушающие методы испытания бетонов. — М.: Стройиздат, 1974. 278с.

36. Дуровкйн В.Р. Определение модуля упругости на кольцевых образцах // Заводская лаборатория, 1969, №2, с.218-219.

37. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. 240с.

38. Ермолин В.И., Саламатин М.Е. Приборы для автоматизации измерения основных параметров при резонансных вибрационных испытаниях. В книге Виброметрия. М.:МДНТП, 1973 г., с.158-160.

39. Ерофеев В.И. Волновые процессы в твердых телах и микроструктурой. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999 328 с.

40. Ерофеев В.И., Кажаев В.В., Семерикова Н.П.Волны в стержнях. Дисперсия. Диссипация. Нелинейность. М.: Наука, Физматлит, 2002. 208 с.

41. Измерительный комплект для измерения модуля Юнга, тип.3325. Краткий каталог фирмы «Брюль и Къер». М: Машприборинторг, 1961 г., 24 с.

42. Иориш Ю.И. Измерение вибраций. М.: Машгиз. 1956 г., 403 с.

43. Ишлинский А.Ю. Колебания и устойчивость многосвязных тонкостенных систем, 1984, 313 с.

44. Кандидов В.П., Чесноков, С.С., Выслоух В.А. Метод конечных элементов в задачах динамики. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. — 165 с.

45. Копелович К.П. Динамические характеристики промышленных объектов регулирования. // Приборостроение, 1960 г. № 7, с. 5-9.

46. Макино Т., Окаси М., Докэ X., Макино К. Контроль качества с помощью персональных компьютеров. Пер. с яп. М., Машиностроение, 1991, 224 с.

47. Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний.- М.: Наука, 1972.

48. Московенко И.Б., Коварская Е.З., Славина Л .Я. "Применение низкочастотного акустического метода для контроля качества изделий и конструкций из металла", Сборник докладов конференции "УЗДМ-98", Санкт-Петербург, 3-5 июня 1998 г., с. 217-220.

49. Наговицин B.C. Неразрушающий контроль и направления его развития. // Железнодорожный транспорт №3, 2002 г., с.20-23.

50. Норри Д., Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов.- М.: Издательство «Мир», 1981.- 299 с.

51. Основы автоматического регулирования. Под. ред. В.В. Солодовника. М: Машгиз, 1954, 1118 с.

52. Панченков А.Н. Теория мониторинга. В кн. Вестник Нижегородского отделения Российской Академии естественных наук. Н.новгород: Издательство ННГУ. 1998. 219 233 с.

53. Пеллинец B.C. Измерение ударных ускорений. М:Издателство Стандарт, 1975 г., 288 с.

54. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики / Пер. с англ.-М.-:Финансы и статистика, 1982.- 344с.

55. Прочность, устойчивость колебания. Справочник в трех томах. М.: Машиностроение, 1991.

56. Рандалл Р.Б. Частотный анализ, Дания, 1989 г., 389 с.

57. Романов В.А., Слива O.K. Аналитическая механика и теория колебаний. (Контрольные задания и примеры выполнения): Учебное пособие. Челябинск: ЧГТУ, 1996. .59 с.

58. РД 07.09-97 Руководство по комплексному ультразвуковому контролю вагонных колесных пар

59. РД 32 ЦВ 078-2003 Руководство по визуальному контролю колесных пар грузовых вагонов при эксплуатации и ремонте

60. Сборник Н.Т. Колебания и уравновешивание роторов, 1973, 144 с.

61. Сборник Н.Т. Колебания и балансировка роторных систем, 1974,112с.

62. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов.— Пер. с англ.— М.: Мир, 1979.— 392 с.

63. Сабоннадьер Ж., Кулон Ж. Метод конечных элементов и САПР/Пер. с фр. В.А.Соколова и М.Б. Блеер. М.: Мир, 1989. - 230 с.

64. Сергейкин О. А. Расчет силовых смещений корпуса шпиндельной бабки токарного станка с помощью программы DesignSpace//C6opHHK трудов 1-ой международной конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH. М., 2002. - С. 269-274.

65. Сергейкин О. А. Наложение взаимосвязей на параметры при оптимизации конструкций//Сборник трудов 2-ой международной конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH. М., 2002. - С. 335-337.

66. Сергейкин О. А. Настройка графического интерфейса программы ANSYS/УСборник трудов' 2-ой международной конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH. М., 2002.-С. 338-341.

67. Сираиси А., Яги Я. Машиностроительное проектирование с использованием ЭВМ в примерах и задачах/Пер. с японского С.Л.Масленникова. М.: Машиностроение, 1982. — 204 с.

68. Слива O.K. Теория колебаний. Учебное пособие к лабораторным работам Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 69 с.

69. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х ч. / Пер. с англ. — М.: Мир, 1988.

70. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов / Перевод с английского В. И. Агошкова, В. А. Василенко, В. В. Шайдурова / Под редакцией Г. И. Марчука. — М.: Мир, 1977. — 350 с.

71. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле.- М.: Наука, 1967.-444с., ил.

72. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере. М: Издательство ИНФРА-М, 1998 г., 528 с.

73. Фролов К.В. Колебания и устойчивость приборов, машин и элементов систем управления, 1968,224 с.

74. Харкевич. А.А. Спектры и анализ. М.: Госэнрегоиздад, 1962 г., 236 с.

75. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. Пер. с англ.-М., Мир, 1973 г., 958 с.

76. Хаффмен Д.А. Исследование сигналов эквивалентных импульсу // Радиотехника, 1964 г., т.19, № 8, с.3-8.

77. Холлендер М., Вулф Д.А. Непараметрические методы статистики / Пер. с англ. -М.: Финансы и статистика, 1983.- 518 с.

78. Хлыбов А. А. Обеспечение эксплуатации крупногабаритных конструкций по техническому состоянию. Монография. -Н.Новгород. Изд-во НГТУ. 2008. 132 с.

79. Цюренко В.Н. Эксплуатационная надежность колесных пар грузовых вагонов.// Железнодорожный транспорт №3, 2002 г., с.24-28.

80. Шабров Н. Н. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей. — JL: Машиностроение, 1983. — 212 с.

81. Andrews С. W., Effect of temperature on the modulus of elasticity. Metal Progr., 1950.

82. Baab K. A. and Kramer H. M., Sonic method for determining Young's modulus of elasticity, J. Am. Ceram. Soc., 1948.

83. Collacott R.A. Structural integrity monitoring/ London: Chapmen and Hall Ltd. 1985

84. Colonna-Ceccaldi J., L'essai au son des meules ceramiques (Sound tests of ceramic grindstones), Mecanique, 1946.

85. Decker A. R., Note regarding the sonic Determination of modulus of elasticity vising round-section bars, J. Am. Ceram. Soc., 1950.

86. Dorn J. E. and Teitz T. E.,The modulus of elasticity—a review of metallurgical factors. Metal Progr., 1950.

87. Forgue S. V. and Loomis G. A., Modulus of elasticity of dinnerware bodies by a sonic-vibration method. Bull. Am. Ceram. Soc., 1941.

88. Grime G., Determination of Young's modulus for building materials by a vibration method, Phil. Mag. 1935.

89. Grime G. and Eaton J. E., Determination of Youngs modulus by flexural vibrations, Phil. Mag., 1937.

90. Hornibrook F. B„ Discussion on sonic method of determining for modulus of elasticity, Am. Soc. Testing Materials Proc., 1939.

91. Obert L., Sonic method of determining modulus of elasticity of building materials under pressure, Am. Soc. Testing Materials Proc., 1939.

92. Prigge R. E., Correlation of modulus of rupture and modulus of elasticity, B. S. Thesis, New York State College of Ceramics, May 1951.

93. Rowe R. F. (to the Carborundum Co.), Vibration apparatus for testing articles, U. S. Patent1 2486984, Nov. 1, 1949.

94. Rowe R. G„ Sonic tests grade abrasive wheels, Steel, 1950.

95. Rowe R. G„ Testing abrasive wheels with the sonic comparator, Nondestructive Testing, 1951.101. www.pcb.com/techsupport/docs/pcb/RAMNDTTotalQualityfor%20 MetalParts.pdf.

96. Williams R. I., Sonic apparatus for measuring modulus of elasticity ofлresin bonded abrasives, I. S. Thesis, New York State College of Ceramics, May 1951.

97. Методика проведения диагностики для колеса

98. Назначение и область применения

99. Настоящая методика распространяется на диагностику колес железнодорожного подвижного состава системой диагностики основанной на методе собственных частот с применением тарированного излучателя (в дальнейшем Система).

100. Цель диагностики обеспечение безопасности движения поездов.

101. При проведении диагностики должны соблюдаться следующие требования и условия:

102. К работе с Системой допускается персонал с навыками работы на персональном компьютере и знанием правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок до 1000 В, прошедшие обучение по работе с Системой.

103. Запрещается привлекать к проведению диагностирования лиц, которые не входят в список работников, ответственных за правильное проведение диагностирования и сохранность оборудования.

104. Работу производить только с применением исправного оборудования (кран-балки, тросов, стендов, электрических кабелей).

105. Порядок проведения диагностирования колес

106. Перед началом работы (диагностики) на установке проверить уровнем его положение, он должен быть выставлен по уровню горизонта.

107. Система после года эксплуатации обязана пройти поверку.

108. Методика проведения диагностики для оси

109. Назначение и область применения

110. Настоящая методика распространяется на диагностику осей железнодорожного подвижного состава системой диагностики основанной на методе собственных частот с применением тарированного излучателя (в дальнейшем Система).

111. Цель диагностики — обеспечение безопасности движения поездов.

112. При проведении диагностики должны соблюдаться следующие требования и условия:

113. Работу производить только с применением исправного оборудования (кран-балки, тросов, стендов, электрических кабелей).

114. Порядок проведения диагностирования осей

115. Перед началом работы (диагностики) на установке проверить уровнем его положение, он должен быть выставлен по уровню горизонта.

116. Система после года эксплуатации обязана пройти поверку.

117. Устройство и работа составных частей системы диагностики методом собственных частот колес и осей грузовых железнодорожных вагонов

118. Устройство и работа излучателя

119. Рисунок 1. Состав излучателя

120. Рисунок 2. Внешний вид излучателя

121. Устройство и работа датчика АР-57 фирмы ООО «ГлобалТест» г. Саров.

122. В данной работе в качестве датчика вибрации использовался пьезометрический датчик АР-57 (далее датчик). Он имеет небольшие размеры и массу, высокую вибропрочность и термостойкость, работает в широком диапазоне частот до 15 кГц.

123. Устройство и принцип действия: Общий вид датчика приведен на рисунке 3.

124. Рисунок 3. Общий вид пьзометрического датчика АР-57 1 основание; 2 - пьезоэлектрические пластины; 3 - масса; 4 - пружина; 5 -разъем электрический; 6 — нейлоновый изолятор; 7 - уплотнение; 8 - верхняя крышка; 9 - контактный вывод.