Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля напряженного состояния ободьев вагонных колес на основе электромагнитно-акустического метода

• Автор: Балобанов, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

1 ОБОД ЦЕЛЬНОКАТАНОГО ВАГОННОГО КОЛЕСА КАК ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ

1.1 Влияние остаточных напряжений на эксплуатацию цельнокатаных железнодорожных колес

1.2 Формирование напряжений при производстве вагонных цельнокатаных колес

1.3 Экспериментальные методы определения остаточных напряжений

1.4 Методы контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес

1.4.1 Разрушающий метод оценки остаточных напряжений в цельнокатаных колесах

1.4.2 Рентгеновский метод

1.4.3 Акустическая тензометрия

1.5 Метод акустоупругости
1.6 Подходы к построению и проектированию ЭМА преобразователей
1.7 Выводы по 1 главе
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА_ЭМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СДВИГОВЫХ ВОЛН
2.1 Электроакустический тракт ЭМА преобразователя
2.2 Моделирование электроакустического тракта ЭМА преобразователя
2.3 Моделирование магнитной системы ЭМА преобразователя
2.4 Выбор оптимальной рабочей частоты
2.5 Акустическое поле ЭМА преобразователя
2.6 Расчет электроакустического тракта
2.7 Выводы по 2 главе

3 РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБОДЬЯХ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕС
ЗЛ Экспериментальное оборудование
3.2 Генератор зондирующих импульсов
3.3 Усилитель
3.4 Плата регистрации и программное обеспечение
3.5 Определение коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов
3.6 Алгоритм обработки акустических сигналов на базе корреляционного анализа
3.7 Выводы по главе
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБОДЬЯХ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
4.1 Методика измерений остаточных напряжений
4.2 Учет вклада фактора акустической анизотропии при оценке величины остаточных напряжений в ободе цельнокатаного колеса
4.3 Результаты испытания разработанного оборудования для оценки остаточных напряжений в новых и бывших в эксплуатации железнодорожных колесах
4.4. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Обод цельнокатаного железнодорожного колеса является наиболее ответственным элементом, воспринимающим нагрузки от вагона и взаимодействующим с рельсом. Надежность этого элемента определяется не только качеством металла, его прочностью, но и остаточными напряжениями.
Внутренние напряжения в ободе колеса формируются при изготовлении и перераспределяются вследствие значительных ударных и циклических нагрузок. Высокий уровень технологических остаточных напряжений совместно с эксплуатационными факторами приводят, при наличии концентраторов напряжений, к зарождению и ускоренному росту трещин.
Таким образом, необходимым условием повышения безопасности движения на железной дороге является контроль остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес как на предприятиях-изготовителях, так и на вагоноремонтных заводах (депо), осуществляющих плановые работы по техническому обслуживанию подвижного состава.
Перспективный вариант оценки напряженного состояния связан с эффектом акустоупругости, который заключается в установленной зависимости упругих свойств материала от величины напряженного состояния. В связи с этим разработка способов, алгоритмов и устройств для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес является актуальной научно-технической задачей.
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту №2.1.2/12069; Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» на 2012—2016 гг., гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ мероприятия 2 «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности»; ГТ-1-12 в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация научно-

чальной волны между их колебаниями возникает угол рассогласования по фазе, что равносильно приобретению первоначальной волной в процессе распространения эллиптической траектории колебания частиц среды и, как следствие - повороту ее начальной плоскости поляризации. Эксперимент показал, что величина поворота пропорциональна напряжениям, длине пути и частоте колебания, и, кроме того, зависит от среды, в которой распространяется волна.
Разработанная Д. Хьюзом и У. Келли теория распространения ультразвуковых волн в среде, подвергнутой действию одноосной или гидростатической нагрузки, легла в основу работы Р. Тулина и Б. Бернштейна, которая подвела теоретическую базу под экспериментальные результаты Бенсона и Рилсона. В частности, было показано, что при малых величинах одноосного напряжения разность скоростей волн, поляризованных вдоль и поперек действия напряжения, пропорциональна его величине, и найдено значение коэффициента акустического дву-лучепреломления. Дальнейшее теоретическое исследование акустоупругого эффекта связано с именами Р. Тэрстона, К. Браггера, М. Хейеса, Р. Ривлена, М. Рейнольдса, Т. Токуока, Ю. Ивашимицу, М. Сайто [86].
Развитие теории и практики акустоупругости в отечественной науке (в СССР, а позже в Российской Федерации) связано с именами А. Н. Гузя, Ф. Г. Ма-хорта, О. И. Гущи, Г. А. Буденкова, В. М. Бобренко, Н. Е. Никитиной, В. В. Муравьева, Н. П. Алешина, Г. Я. Дымкина и др.
Накопленный к середине 60-х годов XX века опыт теоретических и экспериментальных исследований продемонстрировал возможность практического применения эффекта акустоупругости в технике как техническую основу метода диагностики. Большую работу по созданию акустических методов оценки напряжений провели сотрудники Института механики и электросварки им. Е. О. Патона АН Украины, работавшие под руководством А. Н. Гузя. Результаты исследования научного коллектива легли в основу теории распространения упругих волн в сжимаемых и несжимаемых телах, построенной на основе линеаризованной теории упругости для конечных и малых деформаций. Предложен метод определения одно- и двухосного напряженного состояния по известным значениям скоростей