Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля напряженного состояния ободьев вагонных колес на основе электромагнитно-акустического метода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Балобанов, Евгений Николаевич

• Балобанов, Евгений Николаевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Балобанов, Евгений Николаевич

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

3.1 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 3

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 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля напряженного состояния ободьев вагонных колес на основе электромагнитно-акустического метода»

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-

исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».

Степень разработанности темы

Значительный вклад в изучение общих вопросов теории и практики аку-стоупругости внесли сотрудники ИЭС HAH Украины под руководством А. Н. Гузя. В работах В. М. Бобренко рассматривается решение задач по созданию ультразвуковых методов и аппаратуры контроля механических напряжений в элементах металлоконструкций. Значимыми для практической реализации акустической тензометрии являются исследования Н. Е. Никитиной (ИПМ Нижегородского НЦ РАН), направленные на разработку методов контроля напряженного состояния в металлоконструкциях и деталях машин, в том числе в ободьях цельнокатаных колес. Работы В. В. Муравьева посвящены исследованию влияния структурного и напряженно-деформированного состояния металлов на скорость распространения ультразвуковых волн. Под руководством Э. С. Горкунова (ИМАШ УрО РАН) развивается научное направление по определению напряженно-деформированного состояния металлопроката, деталей машин и механизмов магнитными методами контроля. Исследованиями закономерностей изменения коэрцитивной силы ферромагнитных сталей при двухосной деформации занимается В. А Захаров (ФТИ УрО РАН).

В работах Ю. М. Шкарлета, Ю. И. Сазонова, С. Н. Шубаева, В. А. Комарова, И. В. Ильина рассмотрена связь параметров акустических колебаний и полей физических сил при электромагнитно-акустическом преобразовании, порождающих эти колебания. Вопросами влияния конструктивных особенностей электромагнитно-акустических преобразователей на эффективность их работы занимались Н. А. Глухов, А. Ф. Маскаев, В. Н. Квятковская, Ю. В. Петров, А. В. Малинка, Аббакумов К. Е.. Существенный вклад в развитие акустических методов контроля материалов и изделий с использованием электромагнитно-акустического преобразования внесли С. Ю. Гуревич, Р. С. Ильясов, Б. А. Буден-ков, В. Ф. Мужицкий, С. Э. Бабкин, Г. М. Сучков.

Акустическая методика контроля остаточных напряжений в ободьях колес применяется в зарубежной практике начиная с 90-х годов XX века, что отражено в работах западных исследователей: R. Е. Schramm, J. Kristan, J. Gordon, V. Del Fabbro, E. Schneider. Исследования и разработка средств контроля остаточных напряжений в ободьях колес ведутся в Петербургском государственном университете путей сообщения (руководитель Г. Я. Дымкин).

Цель работы

Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием электромагнитно-акустического преобразования и эффекта акустоупругости.

Цель работы соответствует следующим областям исследования по паспорту специальности 05.11.13: п. 1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п. 3. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»; п. 6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Задачи, решаемые в диссертации

1. Выбор и обоснование оптимальных параметров электроакустического тракта и конструкции электромагнитно-акустического преобразователя сдвиговых волн, позволяющего реализовать метод многократных отражений при акустической тензометрии ободьев цельнокатаных колес.

2. Разработка способа определения коэффициента упругоакустической связи для колесных сталей.

3. Определение величины вклада акустической анизотропии, обусловленной структурой металла, при контроле напряженного состояния в ободьях цельнокатаных колес вагонов.

4. Разработка алгоритма выделения и обработки информативных параметров импульсов ультразвуковых сдвиговых волн для повышения точности методики контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.

5. Экспериментальное исследование распределения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием электромагнитно-акустического преобразования совместно с методом многократных отражений и выработка рекомендаций к методике контроля.

Научная новизна диссертационной работы

1. Впервые разработан алгоритм обработки и выделения информативных параметров, включающий анализ формы сигнала и времени распространения сдвиговых волн, позволяющий повысить точность результатов измерений при проведении контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.

2. Разработана модель возбуждения и приема сдвиговых ультразвуковых волн электромагнитно-акустическим преобразователем, объединяющая аналитические исследования основных закономерностей формирования акустического поля в зависимости от конструктивных параметров преобразователя с результатами аналитического расчета величины и характера распределения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля систем подмагничивания.

3. Разработан способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием метода многократных отражений, позволяющего регистрировать изменение скорости сдвиговых волн с необходимой точностью.

4. Впервые экспериментально обнаружена неравномерность распределения остаточных напряжений в ободе колеса, заключающаяся в отличии величины контролируемых напряжений по окружности на одинаковом расстоянии от поверхности катания.

5. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены рекомендации к проведению акустической тензометрии методом акустоупругости остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью электромагнитно-акустического способа возбуждения и приема волн в совокупности с методом многократных отражений.

Теоретическая и практическая значимость

Созданная модель электроакустического тракта накладных ЭМА преобразователей обладает теоретической значимостью для исследования чувствительности ЭМА метода возбуждения и приема ультразвуковых волн в зависимости от формы и размеров апертуры преобразователя, рабочей частоты, силы тока и количества витков в индукторе, величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.

Практической значимостью обладают разработанные конструкции ЭМА преобразователей сдвиговых волн, предназначенные для контроля крупногабаритных металлоизделий (подтверждено двумя патентами на полезную модель), и оценка вклада фактора акустической анизотропии в результаты контроля остаточных напряжений ободьев цельнокатаных колес.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при обосновании рекомендаций к проведению контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью ЭМА метода (подтверждено актом об использовании результатов ОАО «Выксунский металлургический завод»).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 200100.62 «Приборостроение» и магистров по направлению 200100.68-21 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (акт об использовании ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».

Объект исследования

Параметры распространения акустических волн в структурно неоднородных средах, характеризующихся напряженным состоянием.

Предмет исследования

Способы, алгоритмы и устройства для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений методом акустоупругости в ободьях цельнокатаных колес.

Методология и методы исследования

Методы исследования, использованные в настоящей работе, включали элементы теории упругости, акустики твердого тела, электромагнитного поля. Обработка акустических сигналов проводилась при помощи математического аппарата Фурье-преобразования и корреляционного анализа. Моделирование осуществлено на базе вычислительной техники с использованием пакетов программ МаШсас!, Е1сЩ, Ма1;1аЬ. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием электромагнитно-акустического метода возбуждения и приема ультразвуковых волн, метода многократных отражений, включающего эхо-импульсный метод и эхо-сквозной метод, метода акустоупругости, металлографии и рентгеновской дифрактометрии.

Достоверность и обоснованность

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории акустоупругости, теории акустики твердого тела, теории упругости, теории электромагнитного поля, теории спектрального анализа сигналов, заданием корректных начальных условий при моделировании методом конечных элементов, проведением исследований на реальных объектах контроля в производственных условиях, согласованностью экспериментальных данных с результатами моделирования, воспроизводимостью экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель электроакустического тракта сдвиговых волн при электромагнитно-акустическом преобразовании, объединяющая закономерности формирования акустического поля в зависимости от формы и размеров апертуры преобразо-

вателя, рабочей частоты, силы тока в индукторе с результатами моделирования величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.

2. Алгоритм обработки и выделения результатов измерений, заключающийся в анализе формы регистрируемых импульсов сдвиговых волн с помощью функции взаимной корреляции, позволяющей определять разницу времен распространения сигналов при проведении акустической тензометрии ободьев цельнокатаных вагонных колес.

3. Способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием электромагнитно-акустического преобразования и метода многократных отражений.

4. Экспериментально выявленные закономерности распределения остаточных напряжений по толщине и окружности обода цельнокатаного вагонного колеса.

5. Рекомендации к реализации контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес, заключающиеся в использовании научно обоснованных рабочих параметров электромагнитно-акустического преобразователя сдвиговых волн, алгоритма выделения и обработки информативных сигналов в совокупности с экспериментальными данными о вкладе акустической анизотропии в результаты контроля.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всерос. НТК студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика» (г.Ижевск, 2010 г.); XVI Всерос. НК студентов-физиков и молодых ученых (г. Волгоград, 22-28 апреля 2010 г.); VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2010 г.); 10 Европейской конф. по неразрушающему контролю (г. Москва, 7-11 июня 2010 г.); VI Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2010 г.); XXV Уральской конф. «Физические методы неразру-шающего контроля» (г. Екатеринбург, 16-18 мая 2011 г.); VI Всерос. НТК аспи-

рантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15-18 марта 2011 г.); XIX Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 6-8 сентября 2011 г.); VII Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15-17 ноября 2011 г.); II Всерос. НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерение, контроль и диагностика» (г. Ижевск, 14-16 мая 2012 г.); XIII Всерос. школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Верхняя Пышма, 7-14 ноября 2012 г.); VIII Всерос. НТК с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 14-16 ноября 2012 г.); XXVI Уральской конф. «Физические методы неразрушающего контроля»; II Между-народной конф. «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов» (с. Ольгинка, г. Туапсе , 2330 сентября 2013 г.).

Публикации

Материалы диссертации достаточно полно изложены в 22 печатных работах, опубликованных соискателем, среди которых 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, получен 1 патент на полезную модель и получено положительное решение на выдачу патента на полезную модель.

Личный вклад автора

Модели, методики проведения исследований, алгоритмы, результаты численных и экспериментальных исследований, представленные в диссертации, получены автором лично. Электромагнитно-акустические преобразователи и экспериментальная установка, использованные при исследованиях, разработаны при активном участии автора. Постановка цели и задач исследований, определение методов их решения, интерпретация и анализ результатов выполнены совместно с научным руководителем. Вклад автора в совместных публикациях состоит в про-

ведении теоретических и экспериментальных исследований, которые определяют основу диссертации и новизну полученных результатов.

1 ОБОД ЦЕЛЬНОКАТАНОГО ВАГОННОГО КОЛЕСА КАК ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ

1.1 Влияние остаточных напряжений на эксплуатацию цельнокатаных железнодорожных колес

Железнодорожное цельнокатаное колесо - крупногабаритное стальное изделие, технология изготовления которого основана на штампованно-катаном способе, включающем в себя процессы подготовки заготовок, их нагрева, горячей деформации, термической и механической обработки, контроля и испытания.

Обод цельнокатаного железнодорожного колеса является наиболее ответственным элементом, воспринимающим нагрузки от вагона и взаимодействующим с рельсом. В процессе эксплуатации железнодорожных колес в месте контакта колеса и рельса возникают значительные напряжения, которые могут достигать более 500 МПа [53].

Износ колеса, в общем виде определяемый через уменьшение толщины обода, можно рассматривать как результат прерывистого процесса, включающего этапы «чистого» эксплуатационного износа и репрофилирования (обточки). Срок службы колеса по износу определяется главным образом обточками, при которых снимается значительно большее, чем в эксплуатации, количество металла. Обточки выполняют для восстановления исходного профиля и, следовательно, поддержания должных ходовых характеристик по динамике тележек и всего экипажа, а также для обеспечения минимального уровня безопасности путем устранения поверхностных дефектов механического или термического происхождения. Невысокая твердость обода колеса при высокой твердости рельсов способствует повышению износа обода. Наибольшее влияние на повышение твердости обода колеса и, как следствие, сопротивление износу является термическая обработка при производстве [29].

Скорость износа поверхности катания, изменение ее профиля и предрасположенность обода к появлению усталостных дефектов определяется физико-

механическими характеристиками стали колеса. Известно, что процесс разрушения материалов начинается с локализации пластической деформации вблизи металлургических и эксплуатационных дефектов. Закономерности формирования и размер зоны деформации зависят от структуры материала и локального напряженного состояния. Условиями зарождения дефекта и его развития являются концентрация механических напряжений и их высокий градиент.

Ежегодно имеют место единичные случаи изломов колес в эксплуатации. Основная причина изломов колес - трещины обода, ступицы и диска, а также трещины в зоне перехода диска к ободу. Исследования показывают, что их возникновение носит усталостный характер. При отсутствии явных металлургических дефектов определяющую роль играет наличие в колесе внутренних остаточных напряжений. Повышенные значения остаточных напряжений в ободе и неравномерность их распределения по окружности и сечению могут приводить к снижению эксплуатационных характеристик и, как следствие, к низкой надежности колеса.

На колесо в эксплуатации воздействуют статические, динамические и тепловые нагрузки. Взаимодействие напряжений от этих нагрузок с остаточными технологическими напряжениями, и прежде всего растягивающими, может привести к возникновению усталостных трещин или хрупкому излому. По результатам исследований разрушенных колес установлено, что случаи изломов из-за возникновения усталостных трещин могут возникнуть при перегрузе вагонов, при неблагоприятном сочетании минимальной толщины обода и наличии на его поверхности катания дефектов, превышающих нормируемые значения и приводящих, особенно в зимнее время года, к ударному характеру прикладываемых вертикальных нагрузок [92].

Величина остаточных технологических напряжений в ободе цельнокатаного колеса вагона регламентируется нормативными документами [95, 99] и Европейским стандартом EN 13262-2004. В соответствии с нормативными документами для колес диаметром 957 мм максимальное значение остаточных напряжений вблизи круга катания должно быть отрицательным (сжимающим) и не должно

превышать значения 190 МПа в окружном направлении на глубине 10 мм от поверхности катания колеса.

В процессе движения подвижного состава наиболее опасными являются окружные растягивающие напряжения [55], возникающие при значительных тепловых нагрузках в результате действия сил трения в области взаимодействия колеса и рельса. В связи с этим технологический цикл производства колес предусматривает формирование слоя окружных сжимающих напряжений вблизи поверхности катания толщиной не менее 40 мм для компенсации тепловых и механических воздействий. В свою очередь чрезмерные окружные сжимающие напряжения, взаимодействуя с ударными нагрузками, могут приводить к появлению усталостных повреждений структуры металла, которые со временем могут стать очагами развития трещин.

Таким образом, для гарантии безопасной работы колес требуется не только ультразвуковая дефектоскопия обода, констатирующая наличие дефекта, но и оценка локальных внутренних напряжений, позволяющая предупредить появление дефектов на ранней стадии. Для контроля напряженного состояния в ободе достаточно произвести оценку окружной составляющей напряжений, что условно позволяет считать напряженное состояние в ободе одноосным.

1.2 Формирование напряжений при производстве вагонных цельнокатаных колес

При больших нагрузках и высоких скоростях происходит нагрев поверхности обода до температур выше критических точек и при последующем охлаждении образование мартенсита, что приводит поверхностные слои к растрескиванию, обуславливающему разрушения усталостного характера. Таким образом, к стали для производства железнодорожных колес предъявляются следующие требования [53]:

• высокая прочность;

• усталостная прочность;

• хладостойкость.

Цельнокатаные колеса изготавливаются из стали в соответствии с ГОСТ 10791-2011 [37]. Сталь для изготовления железнодорожных колес имеет следующий состав (табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав стали колес

Марка стали Массовая доля элементов, %

Углерод Марганец Кремний Ванадий Сера Фосфор

1 0,44-0,52 0,80-1,20 0,40-0,65 0,08-0,15 <0,020 <0,030

2 0,55-0,63 0,50-0,90 0,22-0,45 <0,10 <0,025 <0,030

Т 0,62-0,7 0,50-1,00 0,22-0,65 <0,15 0,005-0,025 <0,030

Л 0,48-0,54 0,80-1,20 0,42-0,65 0,08-0,15 <0,20 <0,030

В качестве окончательной термообработки железнодорожных колес применяют закалку и отпуск. Закалка позволяет увеличить твердость обода железнодорожного колеса. Закалку обода проводят либо путем спрейерного охлаждения одновременно всей поверхности обода (рис. 1, а), либо методом прерывистого охлаждения обода (рис. 1, б).

вода ^

ролик

а

Рисунок 1 - Закалка обода железнодорожных колес: а - путем спрейерного охлаждения; б - путем прерывистого охлаждения Внутренние напряжения при закалке возникают в результате неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия, увеличения объема и неоднородности мартенситного превращения по объему обода колеса. Неодинаковое распределение температуры по сечению изделия при быстром охлаждении сопро-

вождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Напряжения, которые возникли и сохранились в детали в результате охлаждения, называют остаточными. По происхождению различают три рода остаточных напряжений [41].

Напряжения 1-го рода (термические напряжения) возникают в результате неравномерности охлаждения деталей при закалке. Поверхностные слои металла охлаждаются быстрее, внутренние - медленнее; тонкие части детали охлаждаются быстрее, массивные - медленнее.

Напряжения 2-го рода вызываются структурными изменениями при закалке. Различные структуры стали имеют различный удельный объем: мартенсит -максимальный, аустенит - минимальный, перлит - средний между ними.

Напряжения 3-го рода возникают в атомной решетке. В атомной решетке по различным причинам могут возникать искажения с нарушением правильного порядка расположения атомов, например дислокации. Атомы, расположенные в прилегающих к дислокации плоскостях, сдвигаются из своего нормального (равновесного) положения в данной решетке. Стремление этих атомов к упорядоченному расположению вызывает появление внутренних межатомных напряжений. Например, мартенситная структура, возникающая в стали после закалки, характеризуется большим числом дислокаций. Кроме того, мартенсит имеет атомную решетку, в которой между атомами железа расположены атомы углерода. Это приводит к распиранию решетки, к ее искажению, следовательно, также вызывает внутренние межатомные напряжения.

При закалке обода колеса наружная поверхность обода охлаждается быстро и уменьшается в объеме. Внутренняя же зона охлаждается замедленно и потому препятствует сжатию наружного слоя. В результате внутренняя зона металла окажется сжатой, а наружная - растянутой. В последующий период внутренняя зона, охлаждаясь, уменьшится в объеме и потянет к центру наружный кольцевой слой, стремясь уменьшить его диаметр. Но металл снаружи уже остыл и потому утратил пластичность. Теперь наружная зона играет роль жесткого каркаса, который уже не может уменьшиться по диаметру. Поэтому в заключительный период

охлаждения в наружных слоях металла возникнут сжимающие напряжения. Внутренняя же зона металла, будучи связана с наружными слоями, не сможет уменьшиться в объеме, хотя и будет стремиться к этому. В результате в ней возникнут растягивающие внутренние напряжения. Растягивающие напряжения являются более опасными, чем сжимающие. При закалке массивных деталей, когда различие в температуре внутренних и наружных слоев достигает значительной величины, такие напряжения могут вызвать трещины или даже привести к полному разрушению металла.

Обод железнодорожного колеса имеет большие габариты, поэтому не может прокаливаться полностью при внешнем охлаждении. После закалки около поверхности будет мартенситная структура, а в центральной части - перлитная. При образовании мартенсита объем стали возрастает, и поэтому наружное мартенсит-ное кольцо будет стремиться увеличиться в диаметре. Но этому препятствует центральная зона, стремясь стянуть кольцо к центру. В результате в наружном мар-тенситном слое металла возникнут сжимающие напряжения ос, а в центральной зоне наоборот - растягивающие ар (рис. 2).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Балобанов, Евгений Николаевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аббакумов, К. Е. К вопросу об оптимизации параметров электромагнитно-акустических излучателей и приемников / К. Е. Аббакумов // Известия ЛЭ-ТИ. - 1975. - Вып. 168. - С. 19-26.

2. Антонов, А. А. Оперативное исследование напряженно-деформированного состояния сварных соединений объектов нефтегазового комплекса / А. А. Антонов // Сварочное производство. - 2010. - № 5. - С. 23-27.

3. Бабкин, С. Э. О возможности использования параметров ЭМАП для оценки предела упругости и остаточных деформаций ферромагнитных материалов / С. Э. Бабкин, Р. С. Ильясов // Дефектоскопия. - 2010. - С. 83-90.

4. Бархатов, В. А. Расчет ультразвукового поля преобразователя в импульсном режиме / В. А. Бархатов // Дефектоскопия. - 2005. - № 7. - С. 3-13.

5. Безлюдько, Г. Я. Портативные электромагнитно-акустические толщиномеры (ЭМАТ) / Г. Я. Безлюдько, Е. В. Долбня, Н. Г. Лещенко, В. Ф. Мужицкий, В. Б. Ремезов // Дефектоскопия. - 2004. - № 4. - С. 28-35.

6. Бергман, Л. Ультразвук : пер. с нем. - М. : Изд-во ин. лит., 1956. -

726 с.

7. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / ред. В. В. Быстрицкая. - М. : МАШГИЗ, 1963.-233 с.

8. Бобренко, В. М. Ультразвуковой метод определения напряжений в деталях резьбовых соединений / В. М. Бобренко, И. И. Авербух, А. А. Чичугов // Дефектоскопия. - 1974. - № 1. - С. 72-80.

9. Бобренко, В. М. Акустическая тензометрия. Ч. I. Физические основы / В. М. Бобренко, А. Н. Куценко, А. С. Шереметиков // Дефектоскопия. - 1980. -№ 2. - С. 70-87.

10. Бобренко, В. М. Акустическая тензометрия. Ч. II. Методы и устройства / В. М. Бобренко, А. Н. Куценко, А. С. Шереметиков // Дефектоскопия. -1980.-№ 12.-С. 59-73.

11. Бобренко, В. М. Расчетные соотношения методов акустической тензометрии / В. М. Бобренко, А. Н. Куценко // Дефектоскопия. - 1982. - № 6. -С. 27-31.

12. Бобренко, В. М. Общий вид уравнений акустоупругости для главных напряжений / В. М. Бобренко, А. Н. Куценко, А. С. Шереметиков // Дефектоскопия. - 1982. - № 6. - С. 23-27.

13. Бобренко, В. М. Акустоупругие коэффициенты объемных ультразвуковых волн при наклонном прозвучивании / В. М. Бобренко, А. Н. Куценко, В. П. Лесников // Дефектоскопия. - 1987. - № 12. - С. 3-6

14. Бобренко, В. М. Матричная теория акустоупругости в приложении к задачам тензометрии / В. М. Бобренко, А. Н. Куценко // Дефектоскопия. - 1988. -№8.-С. 21-28.

15. Буденков, Б. А. Бесконтактный ввод и прием ультразвука / Б. А. Бу-денков, Г. А. Буденков, Н. А. Глухов, А. М. Бенько // Дефектоскопия. - 1969. -№ 1.-С. 121-124.

16. Буденков, Б. А. Определение коэффициентов преобразования электромагнитно-акустических датчиков / Б. А. Буденков, Г. А. Буденков, П. Ф. Шаповалов, Л. А. Попова // Дефектоскопия. - 1969. - № 6. - С. 108-110.

17. Буденков, Г. А. Использование поляризованного ультразвука для определения внутренней упругой анизотропии материалов / Г. А. Буденков, Ж. Г. Никифоренко // Дефектоскопия. - 1967. - № 3. - С. 59-63.

18. Буденков, Г. А. Определение коэффициентов преобразования электромагнитно-акустических датчиков / Г. А. Буденков, С. Н. Бедов, А. Ф. Маскаев // Дефектоскопия. - 1972. - № 5. - С. 113-115.

19. Буденков, Г. А. Механизм возбуждения и регистрации ультразвуковых волн в железе и в железо-никелевом сплаве в районе температуры Кюри / Г. А. Буденков, А. Ф. Маскаев // Дефектоскопия. - 1973. - № 1. - С. 109-114.

20. Буденков, Г. А. Электромагнитно-акустический способ приема ультразвуковых колебаний / Г. А. Буденков, 3. Д. Головочева, Ю. В. Петров // Дефектоскопия. - 1974. - № 4. - С. 20-23.

21. Буденков, Г. А. Электромагнитное возбуждение ультразвука в углеродистых сталях при высоких температурах / Г. А. Буденков, А. Ф. Маскаев // Дефектоскопия. - 1979. - № 4. - С. 66-70.

22. Буденков, Г. А. Современное состояние бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля / Г. А. Буденков, С. Ю. Гуревич // Дефектоскопия. - 1981.-№ 5. - С. 5-33.

23. Буденков, Г. А. Динамические задачи теории упругости в приложении к проблемам акустического контроля и диагностики / Г. А. Буденков, О. В. Недзвецкая. - М. : ФИЗМАТ ЛИТ, 2004. - 136 с.

24. Буденков, Г. А. Влияние химического состава и температуры металлов на эффективность электромагнито-акустического преобразования / Г. А. Буденков, О. В. Коробейникова // Дефектоскопия. - 2009. - № 4. - С. 40-49.

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

26. Васенов, Ю. Г. Проблемы дефектоскопии деталей колесных пар подвижного состава / Ю. Г. Васенов, В. Е. Ермолов, В. И. Мельник // Дефектоскопия -2006.-№8.-С. 48-53.

27. Васильков, С. Д. Разработка и исследование метода неразрушающего контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение : автореф. дис. ... канд. техн. наук / С. Д. Васильков ; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики. - СПб., 2010. - 24 с.

28. Вест, Ч. Голографическая интерферометрия / Ч. Вест. - М. : Мир, 1982.-502 с.

29. Воробьев, А. А. Исследование напряженного состояния пятна контакта колеса и рельса / А. А. Воробьев, П. Г. Сорокин // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. -Брянск : БГИТА, 2004. - Вып. 3. - С. 8-18.

30. Глухов, Н. А. О направленности электромагнитного акустического датчика сдвиговых волн / Н. А. Глухов // Дефектоскопия. - 1971. - № 1. - С. 13-19.

31. Глухов, Н. А. Некоторые параметры электромагнитного датчика сдвиговых ультразвуковых колебаний в токопроводящих материалах / Н. А. Глухов // Дефектоскопия. - 1971. - № 4. - С. 69-74.

32. Глухов, Н. А. Определение оптимальных параметров электромагнитно-акустических датчиков для контроля ферромагнитных листов / Н. А. Глухов, В. Н. Колмогоров // Дефектоскопия. - 1973. - № 1. - С. 74—81.

33. Говорков, В. А. Электрические и магнитные поля / В.А. Говорков. -М. : Энергия, 1968.-488 с.

34. Влияние упругой и пластической деформации на коэрцитивную силу пористых ферромагнитных металлов / Э. С. Горкунов, В. А. Захаров, В. Ф. Мужицкий, А. И. Ульянов, А. А. Чулкина // Дефектоскопия. - 2005. - № 10. - С. 5.

35. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. - М. : Изд-во стандартов, 1994. - 16 с.

36. ГОСТ 9036-88. Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры. - М. : Изд-во стандартов, 1989. - 14 с.

37. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия. -Введ. 2011-03-15. - М. : Изд-во стандартов, 2011. - 32 с.

38. ГОСТ Р 54093-2010. Колеса железнодорожного подвижного состава. Методы определения остаточных напряжений. - М. : Стандартинформ, 2011. -20 с.

39. Грошев, В. Я. Анализ влияния конструктивных параметров на чувствительность электромагнитно-акустических преобразователей // Дефектоскопия. -1997.-№4.-С. 32-41.

40. Гузь, А. Н. Введение в акустоупругость / А. Н. Гузь, Ф. Г. Махорт, О. И. Гуща. -Киев : Наук. Думка, 1977. - 152 с.

41. Гуляев, А. П. Металловедение : учеб. для вузов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1986. - 544 с.

42. Гуревич, С. Ю. К теории электромагнитной генерации акустических волн в ферромагнитной среде при высокой температуре / С. Ю. Гуревич // Дефектоскопия. - 1993. - № 3. - С. 37-50.

43. Данилов, В. Н. Исследование расчетной модели акустического тракта дефектоскопа для отражателя в виде плоскости / В. Н. Данилов// Дефектоскопия. - 1997. - № 1.-С. 12-24.

44. Данилов, В. Н. Расчет электроакустического тракта дефектоскопа с совмещенным наклонным преобразователем / В. Н. Данилов // Дефектоскопия. - 1998. - № 8. - С. 28-39.

45. Данилов, В. Н. Модель электроакустического тракта дефектоскопа с раздельно-совмещенным преобразователем / В. Н. Данилов // Дефектоскопия. -2000,-№5.-С. 12-20.

46. Данилов, В. Н. Исследование расчетной модели акустического тракта дефектоскопа для отражателя в виде плоскости / В. Н. Данилов // Дефектоскопия. - 1997. -№ 1. - С. 12-24.

47. Детков, А. Ю. Бесконтактный портативный электромагнитно-акустический толщиномер ЭМАТ-100. Трехмерное представление акустических полей однофазного излучателя / А. Ю. Детков, В. Ф. Мужицкий, В. Б. Ремезов // Дефектоскопия. - 2005. - № 6. - С. 38-46.

48. Дымкин, Г. Я. Определение остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес при изготовлении / Г. Я. Дымкин, С. А. Краснобрыжий, А. В. Шевелев // Сварка и диагностика. - 2012. - № 6. - С. 24—26.

49. Дымкин, Г. Я. Ультразвуковой метод измерения остаточных напряжений механических напряжений в ободьях цельнокатаных колес с учетом собственной анизотропии материала / Г. Я. Дымкин, С. А. Краснобрыжий, А. В. Шевелев // Дефектоскопия. - 2013. - № 1. - С. 12-19.

50. Духанин, А. М. Развитие электромагнитно-акустических методов и средств контроля (по зарубежным патентным материалам и публикациям) / А. М. Духанин, Н. И. Бражников, В. Г. Касоев // Дефектоскопия. - 1974. - № 2. -С. 70-73.

51. Захаров, В. А. Закономерности изменения коэрцитивной силы при двухосном асимметричном деформировании стали СтЗ / В. А. Захаров, А. И. Ульянов, Э. С. Горкунов // Дефектоскопия. - 2010. - № 3. - С. 55.

52. Ильин, И. В. К вопросу о возбуждении объемных волн в ферромагнитных металлах электромагнитно-акустическим преобразователем / И. В. Ильин // Дефектоскопия. - 1987. - № 12. - С. 13-21.

53. Ильин, С. И. Технология термической обработки сталей / С. И. Ильин, Ю. Д. Корягин. - Челябинск : ЮУрГУ, 2009. - 120 с.

54. Краус, Иво. Метод рентгеновской тензометрии в технической диагностике металлических изделий / Иво Краус, В. В. Тимофеев // Современное машиностроение. Наука и образование. - 2011. - № 1. - С. 273-279.

55. . Термическое упрочнение ободьев цельнокатаных колес: новая технология / С. Н. Кисилев, А. В. Саврухин, А. Н. Неклюдов, Г. Д. Кузьмина, А. С. Кисилев // Транспорт Российской Федерации. - 2009. - № 5. - С. 64-66.

56. Клокова, Н. П. Тензорезисторы / Н. П. Клокова. - М. : Машиностроение, 1990.

57. Колмогоров, Г. Л. Технологические остаточные напряжения и их влияние на долговечность и надежность металлоизделий : монография / Г. Л. Колмогоров, Е. В. Кузнецова, В. В. Тиунов. - Пермь : Изд-во Перм. нац. ис-след. политехи, ун-та, 2012. - 226 с.

58. Комаров, В. А. Квазистационарное электромагнитно-акустическое преобразование в металлах / В. А. Комаров. - Свердловск : УНЦ АН СССР,

1986.-235 с.

59. Комаров, В. А. Закономерности ЭМА-трансформации объемных волн, возбуждаемых в металлах накладными преобразователями. Ч. I. Прямое ЭМА преобразование / В. А. Комаров, Н. Н. Зверев, В. П. Ломаева // Дефектоскопия. -

1987.-№ 10.-С. 73-81.

60. Комаров, В. А. ЭМА преобразование волн горизонтальной поляризации в магнитоупругих материалах / В. А. Комаров, С. Э. Бабкин, Р. С. Ильясов // Дефектоскопия. - 1993. - № 2. - С. 11-17.

61. Комаров, В. А. Закономерности двойного неоднородного ЭМАП в магнитострикционной среде / В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 1997. - № 12. -С. 3-11.

62. Комаров, В. А. Теория физических полей. Т. III. Связанные поля / В. А. Комаров, В. Ф. Мужицкий, С. Ю. Гуревич. - Челябинск ; Ижевск : Изд-во ЮУрГУ, 2000. - 627 с.

63. Комаров, В. А. Прямое ЭМАП в ферромагнитных пластинах при произвольном отношении длин волн акустических и электромагнитных волн / В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 2000. - № 11. - С. 83-97.

64. Комаров, В. А. Обратное и двойное ЭМАП в ферромагнитных пластинах при произвольном отношении длин волн акустических и электромагнитных колебаний / В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 2001. - № 8. - С. 11-25.

65. Комаров, В. А. Магнитострикционное электромагнитно-акустическое преобразование в нормальном поляризующем поле / В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 2004. - № 3. - С. 43-55.

66. Комаров, В. А. Акустическое поле ближней зоны однофазных излучателей при ЭМАП в металлах / В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 2005. - № 7. - С. 31-38.

67. Круглов, Л. Д. Возбуждение ультразвуковых колебаний в металлах при высоких температурах электромагнитно-акустическим преобразователем / Л. Д. Круглов, Ю. М. Шкарлет, А. А. Вертман , Г. Д. Шнырев // Дефектоскопия. -1972.-№4.-С. 31-37.

68. Курдюмов, Г. В. Явления закалки и отпуска стали / Г. В. Курдюмов. -М. : Металлургиздат, 1960. - 64 с.

69. Лещенко, Н. Г. Исследование эффективности возбуждения акустических колебаний однопроводным излучателем под действием силы Лоренца. Разработка ЭМА преобразователя. Приборная реализация / Н. Г. Лещенко, В. Ф. Мужицкий, В. Б. Ремезов // Дефектоскопия. - 2005. - № 7. - С. 13-22.

70. Малинка, А. В. Излучение и прием ультразвуковых колебаний под заданным углом при электромагнитно-акустическом методе / А. В. Малинка // Дефектоскопия. - 1970. - № 5. - С. 16-20.

71. Михеев, М. Н. Магнитные методы структурного анализа и неразру-шающего контроля / М. Н. Михеев, Э. С. Горкунов ; отв. ред. В. Е. Щербинин. -М. : Наука, 1993.-252 с.

72. Мужицкий, В. Ф. Особенности электромагнитно-акустического преобразования при наличии механических напряжений. Ч. I. Приложенные напряжения; экспериментальные данные / В. Ф. Мужицкий, В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 2005. - № 10. - С. 81-93.

73. Мужицкий, В. Ф. Особенности электромагнитно-акустического преобразования при наличии механических напряжений. Ч. II. Моделирование влияния приложенных напряжений на ЭМАП / В. Ф. Мужицкий, В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 2005. - № 11. - С. 58-70.

74. Мужицкий, В. Ф. Особенности электромагнитно-акустического преобразования при наличии механических напряжений. III. Внутренние напряжения / В. Ф. Мужицкий, В. А. Комаров // Дефектоскопия. - 2005. - № 11. - С. 70-80.

75. Муравьев, В. В. О возможности оценки напряжений в металлах с помощью измерений частоты автоциркуляции поверхностных волн / В. В. Муравьев, В. JI. Комаров, Е. М. Сухарев // Актуальные проблемы прочности. - Новгород : Новгор. гос. ун-т, 1994. - Ч. 2. - С. 22.

76. Муравьев, В. В. Влияния внутренних напряжений на скорость ультразвука в сталях / В. В. Муравьев, JI. Б. Зуев, 3. И. Ермолаева // Актуальные проблемы прочности. - Новгород : Новгор. гос. ун-т, 1994. - Ч. 1. - С. 39.

77. Муравьев, В. В. О возможности оценки напряженно-деформированного состояния металла деталей подвижного состава по измерению скорости ПАВ / В. В. Муравьев, А. Н. Курбатов, Е. М. Сухарев, 3. И. Ермолаева // Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций. - Репино ; С.-Петербург, 1995.-С. 119-122.

78. Муравьев, В. В. О разделении влияния напряжений I и II рода на скорость ультразвука в сталях / В. В. Муравьев, 3. И. Ермолаева, А. Г. Васильев // Проблема безопасности труда, экологии и чрезвычайных ситуаций на ж.-д. транспорте. -Новосибирск : Сиб. гос. акад. путей сообщ., 1995. - С. 141.

79. Муравьев, В. В. Об оценке остаточных напряжений в металлах ультразвуковым методом / В. В. Муравьев, Е. М. Сухарев, К. Л. Комаров // Проблема безопасности труда, экологии и чрезвычайных ситуаций на ж.-д. транспорте. -Новосибирск : Сиб. гос. акад. путей сообщ., 1995. - С. 143.

80. Оценка остаточных напряжений в ободьях вагонных колес электромагнитно-акустическим методом / В. В. Муравьев, О. В. Муравьева, В. А. Стри-жак, А. В. Пряхин, Е. Н. Балобанов, Л. В. Волкова // Дефектоскопия. - 2011. -№8.-С. 16-28.

81. Муравьев, В. В. К расчету параметров системы намагничивания электромагнитно-акустического преобразователя / В. В. Муравьев, В. А. Стрижак, Е. Н. Балобанов // Интеллектуальные системы в производстве. - 2011. - № 1. -С. 197-205.

82. Муравьев, В. В. Распределение остаточных напряжений при электроконтактном упрочнении бандажей локомотивных колес / В. В. Муравьев, С. Ю. Петров, А. В. Платунов, Е. Н. Балобанов, Л. В. Волкова, А. А. Рябов, О. В. Соколов, Т. П. Печенова, В. В. Костюк // Технология машиностроения. - 2011. -№ 9. - С. 42—45.

83. Муравьев , В. В. Электромагнитно-акустический преобразователь : патент на полезную модель № 127931 от 23.11.2012 / В. В. Муравьев, О. В. Муравьева, В. А. Стрижак, А. В. Пряхин, Е. Н. Балобанов, Л. В. Волкова.

84. Муравьев, В. В. Определение коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов / В. В. Муравьев, Е. Н. Балобанов, Е. А. Печина // Вестник Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова. - 2013. - № 2. - С. 108-112.

85. Неразрушающий контроль и диагностика : справочник / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, А. В. Ковалев [и др.]; под ред. В. В. Клюева. - 3-е изд., испр. и доп. -М. : Машиностроение, 2005.

86. Неразрушающий контроль : справочник : в 7 т. / под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 4, Кн. 1. Акустическая тензометрия / В. А. Анисимов, Б. И. Ка-торгин, А. Н. Куценко [и др.] - М. : Машиностроение, 2003.

87. Неразрушающий контроль : в 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля : практ. пособие / И. Н. Ермолов, Н. П. Алешин, А. И. Потапов ; под ред. В. В. Сухорукова. - М. : Высш. шк., 1991.-283 с.

88. Никитина, Н. Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. -Н. Новгород : ТАЛАМ, 2005. - 208 с.

89. Никитина, Н. Е. Определение плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных упругих волн // Дефектоскопия. -1999.-№ 1.-С. 48-54.

90. Никитина, Н. Е. Измерение остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости / Н. Е. Никитина, А. В. Камышев, В.

A. Смирнов. // XXIV Уральская конференция «Физические методы неразрушаю-щего контроля».

91. Ольшанский, В. П. Диаграмма направленности ЭМА преобразователя с импульсным возбуждением / В. П. Ольшанский, В. И. Симанчук // Дефектоскопия. - 1986. - № 10. - С. 86-88.

92. Пашалок, И. Л. Разработка критериев работоспособности дисков цельнокатаных колес для грузовых вагонов нового поколения / И. Л. Пашалок,

B. Н. Цюренко, А. С. Разумов // Вестник ВНИИЖТ. - 2002. - № 3.

93. Применение рентгеновской тензометрии для неразрушающего контроля остаточных напряжений цельнокатаных колес / И. Л. Пашалок, А. В. Сухов,

C. Л. Шиткин, А. В. Романов // Вестник ВНИИЖТ. - 2005. - № 4. - С. 23-28.

94. Першин, В. Т. Основы радиоэлектроники и схемотехники : учеб. пособие для сотрудников вузов. — Ростов н/Д : Феникс, 2006. — 544 с.

95. РД 32.144-2000. Контроль неразрушающий приемочный. Колеса цельнокатаные, бандажи и оси колесных пар подвижного состава. Технические условия. - Введ. 2001-10-01. - МПС России, 2000. - 20 с.

96. Рябухо, В. П. Спекл-интерферометрия // Соросовский образовательный журнал. - 2001. - Т. 7, № 5. - С. 1-9.

97. Сазонов, Ю. И. Исследование бесконтактных методов возбуждения и регистрации ультразвуковых волн / Ю. И. Сазонов, Ю. М. Шкарлет // Дефектоскопия. - 1969. - № 5. - С. 1-12.

98. Скорость звука и структура сталей и сплавов / В. В. Муравьев, Л. Б. Зуев, К. Л. Комаров. - Новосибирск : Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996.- 184 с.

99. СТО РЖД 1.11.002-2008. Контроль неразрушающий. Элементы колесных пар вагонов. Технические требования к ультразвуковому контролю. -Введ. 2009-07-01.

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

101. Сучков, Г. М. О практической применимости ЭМА преобразователей для дефектоскопии поверхности изделий сложной формы эхометодом / Г. М. Сучков, Ю. А. Катасопов // Дефектоскопия. - 1999. - № 10. - С. 15-20.

102. Сучков, Г. М. О главном преимуществе электромагнитно-акустического метода контроля // Дефектоскопия. - 2000. - № 10. - С. 67-70.

103. Сучков, Г. М. Возможности современных ЭМА-толщиномеров / Г. М. Сучков // Дефектоскопия. - 2004. - № 12. - С. 16-25.

104. Сучков, Г. М. Реальная чувствительность ЭМА приборов / Г. М. Сучков, А. В. Донченко // Дефектоскопия. - 2007. - № 6. - С. 43-50.

105. Тригубович, Б. В. К теории электромагнитного возбуждения ультразвука в ферромагнетиках в районе температуры Кюри / Б. В. Тригубович, Н. Е. Домород // Дефектоскопия. - 1984. - № 7. - С. 57-64.

106. Шевченко, Г. И. Магнитоанизотропные датчики / ред. Р. И. Агейкина. -М.: Энергия, 1967. - 72 с.

107. Шкарлет, Ю. М. Исследование электромагнитно-акустического преобразователя сдвиговых волн / Ю. М. Шкарлет, Н. Н. Локшина // Дефектоскопия. -1970. -№3.- С. 3-13.

108. Шкарлет, Ю. М. О теоретических основах электромагнитного и электромагнитно-акустического методов неразрушающего контроля // Дефектоскопия. -1974.-№ 1.-С. 11-18.

109. Шкарлет, Ю. М. Основы общей теории возбуждения акустических колебаний гармоническими полями сил / Ю. М. Шкарлет // Дефектоскопия. - 1974. - № 3. - С. 84-92.

110. Шкарлет, Ю. М. Возбуждение акустического поля плоским электромагнитным полем / Ю. М. Шкарлет // Дефектоскопия. - 1974. - № 3. - С. 92-99.

111. Шубаев, С. Н. Возбуждение упругих волн в металлическом полупространстве электромагнитным методом / С. Н. Шубаев // Дефектоскопия. - 1974. -№2.-С. 45-55.

112. Шубаев, С. Н. Анализ акустического поля, возбуждаемого электромагнитным методом / С. Н. Шубаев // Дефектоскопия. - 1974. - № 3. - С. 100-109.

113. Щербинин, В. Е. Магнитный контроль качества металлов / В. Е. Щербинин, Э. С. Горкунов ; отв. ред. Г. С. Корзунин. - Екатеринбург : УрО РАН, 1996.

114. Электромагнитное возбуждение звука в металлах / А. Н. Васильев, В. Д. Бучельников, С. Ю. Гуревич, М. И. Каганов, Ю. П. Гайдуков ; отв. ред. В. М. Березин. - Челябинск ; М. : Изд-во ЮУрГУ, 2001. - 339 с.

ts

mUlir^VU/^lfliliyi Д-45' ул. Братьев Баташевых, г.Выкса, I 1 ЛНижегородская обл., 607060

I МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИ* ЗАВОД Тел.: [phone], факс [phone]

_e-mail: [e-mail] www.vsw.ru

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертационной работы Балобанова Евгения Николаевича

Настоящий акт составлен по результатам предварительных испытаний структуроскопа СЭМА-1 В, опробованного для проведения контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес на Выксунском металлургическом' заводе, и подтверждает использование следующих результатов диссертационной работы Балобанова E.H.:

1. Методика оценки напряженного состояния ободьев цельнокатаных колес методом акустоупругости.

2. Конструкция электромагнитно-акустического преобразователя.

Главный специалист по дефектоскопии ОАО «Выксунский металлургический завод» (с

опылов А.П.

«УТВЕРЖДАЮ»

Ректо^Ижевского государственного университета имени 1кова

i.A. Якимович

2013 г.

АКТ

I

об использовании результатов диссертационной работы Балобанова Евгения Николаевича

Комиссия в составе: председатель — зав. кафедрой «Приборы и методы контроля качества» д.т.н., профессор В.В. Муравьев, члены комиссии — профессор кафедры «Приборы и методы контроля качества» д.т.н. Г.В. Ломаев, доцент кафедры «Приборы и методы контроля качества» к.т.н. В.А. Стрижак составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы старшего преподавателя кафедры «Приборы и методы контроля качества» Балобанова E.H. внедрены в учебный процесс и используются при подготовке бакалавров по направлению 200100.62 «Приборостроение» и магистров по направлению 200100.68-21 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».

В.В. Муравьев Г.В. Ломаев В.А. Стрижак

Председатель комиссии Члены комиссии

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертации «Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля напряженного состояния ободьев вагонных колес на основе электромагнитно-акустического метода» Балобанова Евгения Николаевича

Настоящий акт составлен по результатам предварительных испытаний структуроскопа СЭМА-1В, опробованного для проведения контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес на Нижнетагильском металлургическом комбинате, и подтверждает использование следующих результатов диссертационной работы Балобанова E.H.:

1. Методика оценки напряженного состояния ободьев цельнокатаных колес методом акустоупругости с использованием электромагнитно-акустического метода возбуждения и приема ультразвуковых волн.

2. Конструкция электромагнитно-акустического преобразователя.

3. Алгоритм обработки и выделения информативных параметров импульсов ультразвуковых волн.

Гл. специалист по неразрушающему контролю Управления технического контроля ПЖДП ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат

Берсенев С.П.

р Открытое акционерное общество -ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат-" ул. Металлургов, д. 1, г Нижний Тагил, Свердловская область, Россия, 622025 м тел. [phone], факс [phone] п e-mail [e-mail] п ОГРН 1026601367539, ОКПО 00186269, ИНН/КПП 6623000680/997550001 плл- >-tmk п.

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова»

На правах рукописи

04201451 982

Балобанов Евгений Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО И АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВАГОННЫХ КОЛЕС НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля среды, веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В. В. Муравьев

Ижевск-2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 ОБОД ЦЕЛЬНОКАТАНОГО ВАГОННОГО КОЛЕСА КАК ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ................................................................................................................13

1.1 Влияние остаточных напряжений на эксплуатацию цельнокатаных железнодорожных колес.........................................................................................13

1.2 Формирование напряжений при производстве вагонных цельнокатаных колес..............................................................................................15

1.3 Экспериментальные методы определения остаточных напряжений............20

1.4 Методы контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес 24

1.4.1 Разрушающий метод оценки остаточных напряжений в цельнокатаных колесах..................................................................................................................24

1.4.2 Рентгеновский метод...................................................................................28

1.4.3 Акустическая тензометрия.........................................................................31

1.5 Метод акустоупругости....................................................................................34

1.6 Подходы к построению и проектированию ЭМА преобразователей..........40

1.7 Выводы по 1 главе.............................................................................................46

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА_ЭМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СДВИГОВЫХ ВОЛН..........................................................48

2.1 Электроакустический тракт ЭМА преобразователя.......................................48

2.2 Моделирование электроакустического тракта ЭМА преобразователя..........51

2.3 Моделирование магнитной системы ЭМА преобразователя............55

2.4 Выбор оптимальной рабочей частоты.............................................................65

2.5 Акустическое поле ЭМА преобразователя......................................................71

2.6 Расчет электроакустического тракта................................................................75

2.7 Выводы по 2 главе.............................................................................................79

3 РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБОДЬЯХ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕС...............................................................81

3.1 Экспериментальное оборудование...................................................................81

3.2 Генератор зондирующих импульсов................................................................85

3.3 Усилитель..........................................................................................................85

3.4 Плата регистрации и программное обеспечение.............................................86

3.5 Определение коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов...................................................................................................................90

3.6 Алгоритм обработки акустических сигналов на базе корреляционного анализа.....................................................................................................................96

3.7 Выводы по главе 3...........................................................................................109

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБОДЬЯХ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС............................................................................111

4.1 Методика измерений остаточных напряжений.............................................111

4.2 Учет вклада фактора акустической анизотропии при оценке величины остаточных напряжений в ободе цельнокатаного колеса.............................114

4.3 Результаты испытания разработанного оборудования для оценки остаточных напряжений в новых и бывших в эксплуатации железнодорожных колесах...................................................................................................................121

4.4. Выводы по главе 4..........................................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................133

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-

исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза».

Степень разработанности темы

Значительный вклад в изучение общих вопросов теории и практики аку-стоупругости внесли сотрудники ИЭС HAH Украины под руководством А. Н. Гузя. В работах В. М. Бобренко рассматривается решение задач по созданию ультразвуковых методов и аппаратуры контроля механических напряжений в элементах металлоконструкций. Значимыми для практической реализации акустической тензометрии являются исследования Н. Е. Никитиной (ИПМ Нижегородского НЦ РАН), направленные на разработку методов контроля напряженного состояния в металлоконструкциях и деталях машин, в том числе в ободьях цельнокатаных колес. Работы В. В. Муравьева посвящены исследованию влияния структурного и напряженно-деформированного состояния металлов на скорость распространения ультразвуковых волн. Под руководством Э. С. Горкунова (ИМАШ УрО РАН) развивается научное направление по определению напряженно-деформированного состояния металлопроката, деталей машин и механизмов магнитными методами контроля. Исследованиями закономерностей изменения коэрцитивной силы ферромагнитных сталей при двухосной деформации занимается В. А Захаров (ФТИ УрО РАН).

В работах Ю. М. Шкарлета, Ю. И. Сазонова, С. Н. Шубаева, В. А. Комарова, И. В. Ильина рассмотрена связь параметров акустических колебаний и полей физических сил при электромагнитно-акустическом преобразовании, порождающих эти колебания. Вопросами влияния конструктивных особенностей электромагнитно-акустических преобразователей на эффективность их работы занимались Н. А. Глухов, А. Ф. Маскаев, В. Н. Квятковская, Ю. В. Петров, А. В. Малинка, Аббакумов К. Е.. Существенный вклад в развитие акустических методов контроля материалов и изделий с использованием электромагнитно-акустического преобразования внесли С. Ю. Гуревич, Р. С. Ильясов, Б. А. Буден-ков, В. Ф. Мужицкий, С. Э. Бабкин, Г. М. Сучков.

Акустическая методика контроля остаточных напряжений в ободьях колес применяется в зарубежной практике начиная с 90-х годов XX века, что отражено в работах западных исследователей: R. Е. Schramm, J. Kristan, J. Gordon, V. Del Fabbro, E. Schneider. Исследования и разработка средств контроля остаточных напряжений в ободьях колес ведутся в Петербургском государственном университете путей сообщения (руководитель Г. Я. Дымкин).

Цель работы

Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием электромагнитно-акустического преобразования и эффекта акустоупругости.

Цель работы соответствует следующим областям исследования по паспорту специальности 05.11.13: п. 1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п. 3. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»; п. 6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Задачи, решаемые в диссертации

1. Выбор и обоснование оптимальных параметров электроакустического тракта и конструкции электромагнитно-акустического преобразователя сдвиговых волн, позволяющего реализовать метод многократных отражений при акустической тензометрии ободьев цельнокатаных колес.

2. Разработка способа определения коэффициента упругоакустической связи для колесных сталей.

3. Определение величины вклада акустической анизотропии, обусловленной структурой металла, при контроле напряженного состояния в ободьях цельнокатаных колес вагонов.

4. Разработка алгоритма выделения и обработки информативных параметров импульсов ультразвуковых сдвиговых волн для повышения точности методики контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.

5. Экспериментальное исследование распределения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес с использованием электромагнитно-акустического преобразования совместно с методом многократных отражений и выработка рекомендаций к методике контроля.

Научная новизна диссертационной работы

1. Впервые разработан алгоритм обработки и выделения информативных параметров, включающий анализ формы сигнала и времени распространения сдвиговых волн, позволяющий повысить точность результатов измерений при проведении контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес.

2. Разработана модель возбуждения и приема сдвиговых ультразвуковых волн электромагнитно-акустическим преобразователем, объединяющая аналитические исследования основных закономерностей формирования акустического поля в зависимости от конструктивных параметров преобразователя с результатами аналитического расчета величины и характера распределения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля систем подмагничивания.

3. Разработан способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием метода многократных отражений, позволяющего регистрировать изменение скорости сдвиговых волн с необходимой точностью.

4. Впервые экспериментально обнаружена неравномерность распределения остаточных напряжений в ободе колеса, заключающаяся в отличии величины контролируемых напряжений по окружности на одинаковом расстоянии от поверхности катания.

5. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены рекомендации к проведению акустической тензометрии методом акустоупругости остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью электромагнитно-акустического способа возбуждения и приема волн в совокупности с методом многократных отражений.

Теоретическая и практическая значимость

Созданная модель электроакустического тракта накладных ЭМА преобразователей обладает теоретической значимостью для исследования чувствительности ЭМА метода возбуждения и приема ультразвуковых волн в зависимости от формы и размеров апертуры преобразователя, рабочей частоты, силы тока и количества витков в индукторе, величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.

Практической значимостью обладают разработанные конструкции ЭМА преобразователей сдвиговых волн, предназначенные для контроля крупногабаритных металлоизделий (подтверждено двумя патентами на полезную модель), и оценка вклада фактора акустической анизотропии в результаты контроля остаточных напряжений ободьев цельнокатаных колес.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при обосновании рекомендаций к проведению контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью ЭМА метода (подтверждено актом об использовании результатов ОАО «Выксунский металлургический завод»).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 200100.62 «Приборостроение» и магистров по направлению 200100.68-21 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (акт об использовании ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».

Объект исследования

Параметры распространения акустических волн в структурно неоднородных средах, характеризующихся напряженным состоянием.

Предмет исследования

Способы, алгоритмы и устройства для реализации акустической тензометрии остаточных напряжений методом акустоупругости в ободьях цельнокатаных колес.

Методология и методы исследования

Методы исследования, использованные в настоящей работе, включали элементы теории упругости, акустики твердого тела, электромагнитного поля. Обработка акустических сигналов проводилась при помощи математического аппарата Фурье-преобразования и корреляционного анализа. Моделирование осуществлено на базе вычислительной техники с использованием пакетов программ МаШсас!, Е1сЩ, Ма1;1аЬ. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием электромагнитно-акустического метода возбуждения и приема ультразвуковых волн, метода многократных отражений, включающего эхо-импульсный метод и эхо-сквозной метод, метода акустоупругости, металлографии и рентгеновской дифрактометрии.

Достоверность и обоснованность

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории акустоупругости, теории акустики твердого тела, теории упругости, теории электромагнитного поля, теории спектрального анализа сигналов, заданием корректных начальных условий при моделировании методом конечных элементов, проведением исследований на реальных объектах контроля в производственных условиях, согласованностью экспериментальных данных с результатами моделирования, воспроизводимостью экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель электроакустического тракта сдвиговых волн при электромагнитно-акустическом преобразовании, объединяющая закономерности формирования акустического поля в зависимости от формы и размеров апертуры преобразо-

вателя, рабочей частоты, силы тока в индукторе с результатами моделирования величины и характера распределения магнитного поля систем подмагничивания.

2. Алгоритм обработки и выделения результатов измерений, заключающийся в анализе формы регистрируемых импульсов сдвиговых волн с помощью функции взаимной корреляции, позволяющей определять разницу времен распространения сигналов при проведении акустической тензометрии ободьев цельнокатаных вагонных колес.

3. Способ определения коэффициентов упругоакустической связи ферромагнитных металлов с использованием электромагнитно-акустического преобразования и метода многократных отражений.

4. Экспериментально выявленные закономерности распределения остаточных напряжений по толщине и окружности обода цельнокатаного вагонного колеса.

5. Рекомендации к реализации контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес, заключающиеся в использовании научно обоснованных рабочих параметров электромагнитно-акустического преобразователя сдвиговых волн, алгоритма выделения и обработки информативных сигналов в совокупности с экспериментальными данными о вкладе акустической анизотропии в результаты контроля.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всерос. НТК студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика» (г.Ижевск, 2010 г.); XVI Всерос. НК студентов-физиков и молодых ученых (г. Волгоград, 22-28 апреля 2010 г.); VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2010 г.); 10 Европейской конф. по неразрушающему контролю (г. Москва, 7-11 июня 2010 г.); VI Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2010 г.); XXV Уральской конф. «Физические методы неразру-шающего контроля» (г. Екатеринбург, 16-18 мая 2011 г.); VI Всерос. НТК аспи-

рантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15-18 марта 2011 г.); XIX Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 6-8 сентября 2011 г.); VII Всерос. НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 15-17 ноября 2011 г.); II Всерос. НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерение, контроль и диагностика» (г. Ижевск, 14-16 мая 2012 г.); XIII Всерос. школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Верхняя Пышма, 7-14 ноября 2012 г.); VIII Всерос. НТК с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 14-16 ноября 2012 г.); XXVI Уральской конф. «Физические методы неразрушающего контроля»; II Между-народной конф. «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов» (с. Ольгинка, г. Туапсе , 2330 сентября 2013 г.).

Публикации

Материалы диссертации достаточно полно изложены в 22 печатных работах, опубликованных соискателем, среди которых 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, получен 1 патент на полезную модель и получено положительное решение на выдачу патента на полезную модель.

Личный вклад автора

Модели, методики проведения исследований, алгоритмы, результаты численных и экспериментальных исследований, представленные в диссертации, получены автором лично. Электромагнитно-акустические преобразователи и экспериментальная установка, использованные при исследованиях, разработаны при активном участии автора. Постановка цели и задач исследований, определение методов их решения, интерпретация и анализ результатов выполнены совместно с научным руководителем. Вклад автора в совместных публикациях состоит в про-

ведении теоретических и экспериментальных исследований, которые определяют основу диссертации и новизну полученных результатов.

1 ОБОД ЦЕЛЬНОКАТАНОГО ВАГОННОГО КОЛЕСА КАК ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ

1.1 Влияние остаточных напряжений на эксплуатацию цельнокатаных железнодорожных колес

Железнодорожное цельнокатаное колесо - крупногабаритное стальное изделие, технология изготовления которого основана на штампованно-катаном способе, включающем в себя процессы подготовки заготовок, их нагрева, горячей деформации, термической и механической обработки, контроля и испытания.

Обод цельнокатаного железнодорожного колеса является наиболее ответственным элементом, воспринимающим нагрузки от вагона и взаимодействующим с рельсом. В процессе эксплуатации железнодорожных колес в месте контакта колеса и рельса возникают значительные напряжения, которые могут достигать более 500 МПа [53].

Износ колеса, в общем виде определяемый через уменьшение толщины обода, можно рассматривать как результат прерывистого процесса, включающего этапы «чистого» эксплуатационного износа и репрофилирования (обточки). Срок службы колеса по износу определяется главным образом обточками, при которых снимается значительно большее, чем в эксплуатации, количество металла. Обточки выполняют для восстановления исходного профиля и, следовательно, поддержания должных ходовых характеристик по динамике тележек и всего экипажа, а также для обеспечения минимального уровня безопасности путем устранения поверхностных дефектов механического или термического происхождения. Невысокая твердость обода колеса при высокой твердости рельсов способствует повышению износа обода. Наибольшее влияние на повышение твердости обода колеса и, как следствие, сопротивление износу является термическая обработка при производстве [29].

Скорость износа поверхности катания, изменение ее профиля и предрасположенность обода к появлению усталостных дефектов определяется физико-

механическими характеристиками стали колеса. Известно, что процесс разрушения материалов начинается с локализации пластической деформации вблизи металлургических и эксплуатационных дефектов. Закономерности формирования и размер зоны деформации зависят от структуры материала и локального напряженного состояния. Условиями зарождения дефекта и его развития являются концентрация механических напряжений и их высокий градиент.

Ежегодно имеют место единичные случаи изломов колес в эксплуатации. Основная причина изломов колес - трещины обода, ступицы и диска, а также трещины в зоне перехода диска к ободу. Исследования показывают, что их возникновение носит усталостный характер. При отсутствии явных металлургических дефектов определяющую роль играет наличие в колесе внутренних остаточных напряжений. Повышенные значения остаточных напряжений в ободе и неравномерность их распределения по окружности и сечению могут приводить к снижению эксплуатационных характеристик и, как следствие, к низкой надежности колеса.

На колесо в эксплуатации воздействуют статические, динамические и тепловые нагрузки. Взаимодействие напряжений от этих нагрузок с остаточными технологическими напряжениями, и прежде всего растягивающими, может привести к возникновению усталостных трещин или хрупкому излому. По результатам исследований разрушенных колес установлено, что случаи изломов из-за возникновения усталостных трещин могут возникнуть при перегрузе вагонов, при неблагоприятном сочетании минимальной толщины обода и наличии на его поверхности катания дефектов, превышающих нормируемые значения и приводящих, особенно в зимнее время года, к ударному характеру прикладываемых вертикальных нагрузок [92].

Величина остаточных технологических напряжений в ободе цельнокатаного колеса вагона регламентируется нормативными документами [95, 99] и Европейским стандартом ЕК 13262-2004. В соответствии с нормативными документами для колес диаметром 957 мм максимальное значение остаточных напряжений вблизи круга катания должно быть отрицательным (сжимающим) и не должно

превышать значения 190 МПа в окружном направлении на глубине 10 мм от поверхности катания колеса.

В процессе движения подвижного состава наиболее опасными являются окружные растягивающие напряжения [55], возникающие при значительных тепловых нагрузках в результате действия сил трения в области взаимодействия колеса и рельса. В связи с этим технологический цикл производства колес предусматривает формирование слоя окружных сжимающих напряжений вблизи поверхности катания толщиной не менее 40 мм для компенсации тепловых и механических воздействий. В свою очередь чрезмерные окружные сжимающие напряжения, взаимодействуя с ударными нагрузками, могут приводить к появлению усталостных повреждений структуры металла, которые со временем могут стать очагами развития трещин.

Таким образом, для гарантии безопасной работы колес требуется не только ультразвуковая дефектоскопия обода, констатирующая наличие дефекта, но и оценка локальных внутренних напряжений, позволяющая предупредить появление дефектов на ранней стадии. Для контроля напряженного состояния в ободе достаточно произвести оценку окружной составляющей напряжений, что условно позволяет считать напряженное состояние в ободе одноосным.

1.2 Формирование напряжений при производстве вагонных цельнокатаных колес

При больших нагрузках и высоких скоростях происходит нагрев поверхности обода до температур выше критических точек и при последующем охлаждении образование мартенсита, что приводит поверхностные слои к растрескиванию, обуславливающему разрушения усталостного характера. Таким образом, к стали для производства железнодорожных колес предъявляются следующие требования [53]:

• высокая прочность;

• усталостная прочность;

• хладостойкость.

Цельнокатаные колеса изготавливаются из стали в соответствии с ГОСТ 10791-2011 [37]. Сталь для изготовления железнодорожных колес имеет следующий состав (табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав стали колес

Марка стали Массовая доля элементов, %

Углерод Марганец Кремний Ванадий Сера Фосфор

1 0,44-0,52 0,80-1,20 0,40-0,65 0,08-0,15 <0,020 <0,030

2 0,55-0,63 0,50-0,90 0,22-0,45 <0,10 <0,025 <0,030

Т 0,62-0,7 0,50-1,00 0,22-0,65 <0,15 0,005-0,025 <0,030

Л 0,48-0,54 0,80-1,20 0,42-0,65 0,08-0,15 <0,20 <0,030

В качестве окончательной термообработки железнодорожных колес применяют закалку и отпуск. Закалка позволяет увеличить твердость обода железнодорожного колеса. Закалку обода проводят либо путем спрейерного охлаждения одновременно всей поверхности обода (рис. 1, а), либо методом прерывистого охлаждения обода (рис. 1, б).

вода ^

ролик

а

Рисунок 1 - Закалка обода железнодорожных колес: а - путем спрейерного охлаждения; б - путем прерывистого охлаждения Внутренние напряжения при закалке возникают в результате неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия, увеличения объема и неоднородности мартенситного превращения по объему обода колеса. Неодинаковое распределение температуры по сечению изделия при быстром охлаждении сопро-

вождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Напряжения, которые возникли и сохранились в детали в результате охлаждения, называют остаточными. По происхождению различают три рода остаточных напряжений [41].

Напряжения 1-го рода (термические напряжения) возникают в результате неравномерности охлаждения деталей при закалке. Поверхностные слои металла охлаждаются быстрее, внутренние - медленнее; тонкие части детали охлаждаются быстрее, массивные - медленнее.

Напряжения 2-го рода вызываются структурными изменениями при закалке. Различные структуры стали имеют различный удельный объем: мартенсит -максимальный, аустенит - минимальный, перлит - средний между ними.

Напряжения 3-го рода возникают в атомной решетке. В атомной решетке по различным причинам могут возникать искажения с нарушением правильного порядка расположения атомов, например дислокации. Атомы, расположенные в прилегающих к дислокации плоскостях, сдвигаются из своего нормального (равновесного) положения в данной решетке. Стремление этих атомов к упорядоченному расположению вызывает появление внутренних межатомных напряжений. Например, мартенситная структура, возникающая в стали после закалки, характеризуется большим числом дислокаций. Кроме того, мартенсит имеет атомную решетку, в которой между атомами железа расположены атомы углерода. Это приводит к распиранию решетки, к ее искажению, следовательно, также вызывает внутренние межатомные напряжения.

При закалке обода колеса наружная поверхность обода охлаждается быстро и уменьшается в объеме. Внутренняя же зона охлаждается замедленно и потому препятствует сжатию наружного слоя. В результате внутренняя зона металла окажется сжатой, а наружная - растянутой. В последующий период внутренняя зона, охлаждаясь, уменьшится в объеме и потянет к центру наружный кольцевой слой, стремясь уменьшить его диаметр. Но металл снаружи уже остыл и потому утратил пластичность. Теперь наружная зона играет роль жесткого каркаса, который уже не может уменьшиться по диаметру. Поэтому в заключительный период

охлаждения в наружных слоях металла возникнут сжимающие напряжения. Внутренняя же зона металла, будучи связана с наружными слоями, не сможет уменьшиться в объеме, хотя и будет стремиться к этому. В результате в ней возникнут растягивающие внутренние напряжения. Растягивающие напряжения являются более опасными, чем сжимающие. При закалке массивных деталей, когда различие в температуре внутренних и наружных слоев достигает значительной величины, такие напряжения могут вызвать трещины или даже привести к полному разрушению металла.

Обод железнодорожного колеса имеет большие габариты, поэтому не может прокаливаться полностью при внешнем охлаждении. После закалки около поверхности будет мартенситная структура, а в центральной части - перлитная. При образовании мартенсита объем стали возрастает, и поэтому наружное мартенсит-ное кольцо будет стремиться увеличиться в диаметре. Но этому препятствует центральная зона, стремясь стянуть кольцо к центру. В результате в наружном мар-тенситном слое металла возникнут сжимающие напряжения ос, а в центральной зоне наоборот - растягивающие ар (рис. 2).

Эти напряжения также связаны с изменениями объема металла, но такие изменения в данном случае вызваны структурными превращениями. Поэтому и напряжения называются структурными.

Внутренние напряжения не всегда являются нежелательными, в ряде случаев они являются полезными и способствуют повышению прочности деталей. Такое благоприятное действие на поверхности деталей оказывают, например, сжимающие напряжения, сдерживающие растягивающие напряжения внутри изделия [57].

Закаленная сталь всегда находится в структурно-напряженном состоянии. Отпуск является необходимым средством уменьшения остаточных напряжений. Нагрев стали при отпуске увеличивает пластичность; это позволяет в отдельных объемах упругим деформациям превратиться в пластические, что уменьшает напряжения. Чем выше температура отпуска и чем больше его продолжительность, тем в большей степени снимаются напряжения. С целью снижения остаточных

о

напряжений после закалки от температур 800-850 С колеса подвергают отпуску в

о

интервале температур 400-600 С. Оптимальной температурой отпуска является 480-520 °С с последующим охлаждением на воздухе [53].

Таким образом, особенности протекания процессов термической обработки обода цельнокатаного колеса обуславливают возникновение остаточных напряжений. Окончательная картина распределения остаточных напряжений в ободе весьма сложная и зависит от соотношения термических и структурных напряжений в данном участке детали. Подкалка обода колеса, а также другие отклонения от условий термообработки могут приводить к образованию опасных остаточных напряжений. Так, результаты экспериментального исследования остаточных напряжений в ободьях показали, что при отклонениях от штатных режимов термообработки (в случаях неравномерного охлаждения - подкалка сектора диска или обода, при задержке отпуска) возможно получение крайне неблагоприятных растягивающих напряжений, в 1,5-2 раза превосходящих средний уровень [93].

1.3 Экспериментальные методы определения остаточных напряжений

Экспериментальные методы получили широкое применение при определении напряжений в металлоизделиях. Экспериментальные методы можно условно подразделить на две группы: физические и механические - в зависимости от того, какой измеряемый параметр или физическая характеристика принимаются за основу расчета напряжений [57].

В основе всех механических методов лежит полное или частичное разрушение металлоизделия с измерением возникающих при этом деформаций, с последующим перерасчетом в величину напряженного состояния. При использовании механических методов остаточные напряжения экспериментально определяют через макроскопические упругие деформации, появляющиеся в детали при нарушении равновесия остаточных напряжений путем механического удаления или наращивания части металла.

Механические методы определения остаточных напряжений делятся на силовые и деформационные. Силовые методы основаны на том, что после последовательного удаления (нанесения) части материала деталь (образец) с помощью внешней нагрузки возвращается в исходное положение, предполагая, что возвращающаяся нагрузка равносильна действию остаточных напряжений, которые были в удаленной (наращенной) части детали. В деформационных методах при последовательном удалении (наращивании) материала измеряют перемещения или деформации оставшейся части детали.

В работе [7] систематизированы и обоснованы механические методы определения остаточных напряжений в деталях наиболее распространенных форм (трубах, прутках, проволоке).

В случае применения расчетно-экспериментальных методов аналитически или численно вычисляются значения остаточных напряжений и строятся эпюры их распределения по сечению детали. Такие методы основаны на данных физико-механических и теплофизических свойств материалов, термокинетических диа-

грамм структурных изменений и фазовых превращений, а также внешних силовых и тепловых воздействий [57].

Наряду с механическими методами широкое распространение получили физические неразрушающие методы оценки остаточных напряжений. Неразру-шающие методы контроля базируются на измерении физических и механических характеристик материала под влиянием остаточных напряжений, поскольку существуют общие связи между физическими полями и полями напряжений и деформаций. К числу физических параметров, используемых для определения остаточных напряжений, относятся, например, параметры распространения акустических и оптических волн, магнитная и электрическая проницаемости, электропроводность и др. В связи с этим выделяют магнитный, электрический, оптический, рентгеновский, акустический методы оценки остаточных напряжений. Преимуществом использования неразрушающих методов контроля является возможность сохранения работоспособности изделий, а основные недостатки связаны с затруднениями при интерпретации получаемых результатов.

В соответствии с работой [38] остаточные напряжения в цельнокатаных колесах определяют тензометрированием, применяя разрушающий метод, либо проводят определения поверхностных и внутренних остаточных напряжений не-разрушающими методами - рентгеновским и ультразвуковым.

Поверхностные остаточные напряжения в ободе колеса могут быть оценены с помощью метода магнитоупругости, оптических методов голографической интерферометрии и спекл-интерферометрии, электрического метода. Однако трудности, связанные с адаптацией к технологическому процессу производства цельнокатаных колес, условиям поставки и эксплуатации не позволяют разработать технологическое и методическое обеспечение данных методов с требуемыми производством параметрами точности и достоверности получаемых результатов.

Магнитоупругий метод основан на изменении параметров кривой намагничивания и петли гистерезиса в результате воздействия механических напряжений на объект. При этом изменяются магнитная проницаемость (начальная и максимальная), величины остаточной намагниченности, коэрцитивная сила, а также

потери энергии на перемагничивание и структура шумов Баркгаузена. Несмотря на то, что влияние напряженного состояния на магнитные характеристики сталей сегодня изучены достаточно хорошо [34, 51, 71, 113], применение метода магни-тоупругости для контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес осложнено структурной неоднородностью стали обода колеса (структурные состояния, размер зерен, отличия по химическому составу) и, как следствие, неоднородностью его физических свойств в окружных и радиальных сечениях. Неоднозначность получаемых результатов приводит к значительной погрешности оцениваемых значений напряжений и неудовлетворительной повторяемости.

С помощью классических оптических методов внутренние напряжения определяются только в оптически прозрачных изделиях. Либо исследования напряжений ведутся на моделях, которые могут исследоваться послойно, и заканчиваются переходом от напряжений в модели к напряжениям в детали. Методы голо-графической и спекл-интерферометрии, подробно рассмотренные в [2, 28, 96], с успехом применяются для высокоточных исследований микродеформаций и напряжений на поверхности изделия из любого материала. Эти методы позволяют применять интерферометрию к оптически грубой поверхности. Диапазон измерений деформаций методом спекл-интерферометрии простирается от единиц до сотен микрометров.

С целью контроля остаточных напряжений в реальных объектах методы голографической и спекл-интерферометрии дополняются методом зондирующей лунки. Сущность этого способа оценки остаточных напряжений заключается в провоцировании локальной релаксации напряжения при высверливании в заданной точке на поверхности объекта небольшого глухого отверстия. Изъятие малого объема приводит к локальным упругим перемещениям, пропорциональным остаточным напряжениям. Перемещение точек поверхности в зоне отверстия регистрируется методами интерферометрии. Этот способ считается малоразрушительным и простым в технологии и расчете, так как глухое отверстие может быть нанесено в пределах припуска и в дальнейшем удалено при механической обработке детали. Высверливание отверстия в поверхности объекта кон-

троля делает рассматриваемые методы недопустимыми для оценки поверхностных напряжений в ободьях цельнокатаных колес ввиду нецелесообразности проведения дополнительной механической обработки после оценки напряженного состояния, а наличие засверловок в ободе нового цельнокатаного колеса не допускается действующими требованиями к качеству продукции.

Оценить величину поверхностных напряжений позволяет резистивный электроконтактный метод, основанный на корреляции удельной электрической проводимости материала и межплоскостных расстояний в кристаллической решетке [27]. Величина напряженного состояния на участке поверхностного слоя оценивается исходя из относительного изменения периода решетки. Однако величина удельной электропроводимости также зависит от температуры, металлургического качества стали и ее структурного состояния, наличия микродефектов. Учет указанных факторов при реализации данного метода требует дополнительного исследования и оценки достоверности получаемых результатов при оценке напряженного состояния объектов со структурной неоднородностью материала. На сегодняшний день метод является в большей степени лабораторным, в связи с этим не может быть использован для контроля остаточных напряжений в ободьях колес.

Остаточные напряжения, формируемые в ободе колеса в результате термической обработки, могут иметь значительный разброс по характеру распределения и значениям ввиду отклонений от режимов термообработки, отличий по химическому составу различных номеров плавок заготовок колес и т. д. Ввиду этого наиболее целесообразным является использование экспериментальных неразрушаю-щих методов для оценки остаточных напряжений в ободе для каждого колеса. Главным недостатком рассмотренных выше неразрушающих методов оценки остаточных напряжений является ограничение по глубине исследуемого слоя металла, что не дает возможности получить представление о действительном характере распределения остаточных напряжений во всем ободе колеса. Кроме того, рассмотренные методы уступают по точности, достоверности результатов и производительности контроля рентгеновскому и ультразвуковому методам.

1.4 Методы контроля остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес

1.4 Л Разрушающий метод оценки остаточных напряжений в цельнокатаных колесах

Метод состоит в выполнении надрезов, приводящих к возрастающему высвобождению внутренних остаточных напряжений в ободе колеса. Изменение состояния внутренних напряжений, возникающих после каждого из надрезов, фиксируют за счет изменения деформации на поверхности элементов конструкции с помощью тензорезисторов.

Тензорезистор представляет собой проволоку или фольгу, заключенную между двумя слоями, выполненными из бумаги или другого изолятора. Конфигурация и длина проводящего слоя, составляющего активное сопротивление, могут быть разными и влияют на чувствительность тензорезистора.

В основе тензометрии лежит свойство проводника изменять свое электрическое сопротивление при деформации. Из закона Ома следует, что сопротивление проводника увеличивается при его удлинении и уменьшении поперечного сечения и наоборот. Тензодатчик (электрический тензорезистор) приклеивается на поверхность испытуемого образца с помощью специального клея. При условии качественно выполненной наклейки тензодатчик становится единым целым с объектом, и изменение его длины полностью соответствует изменению длины участка ЪЬ под датчиком. Деформация приводит к изменению сопротивления 57? тензо-датчика [56]:

— = СХ8, (1)

где Я - начальное сопротивление тензорезистора; С? - постоянная величина для данного датчика, называемая тензометрическим коэффициентом; е - относительная деформация.

Так определяется относительное удлинение е = ЪЫЬ площадки под тензо-резистором, которое затем может быть использовано для расчета механического

напряжения (часто, когда целью работы является получение напряжений, говорят, что тензодатчиками измеряют напряжения, опуская все пересчеты). Аппаратурой фиксируются изменения сопротивления тензодатчика при деформации исследуемого объекта, которые в последующем сопоставляются с деформацией е и механическим напряжением а и могут быть определены при известном тензометриче-ском коэффициенте (7 и модуле упругости Е.

Методика измерения деформации элементов колеса после его разрезки регламентирует использование двухкомпонентных и трехкомпонентных розеток тензорезисторов. Тензорезисторы двухкомпонентной розетки при установке ориентируют вдоль действия радиальных и окружных напряжений в зонах измерения: диск колеса, галтельный переход из обода в диск, галтельный переход из ступицы в диск, торцевые поверхности колеса и поверхность катания. Трехком-понентные розетки тензорезисторов устанавливают вблизи отверстия колеса и мест резкого изменения формы колеса.

При разрезке колеса не допускается нагрев измерительных схем выше

о

50 С. Ширина реза должна составлять 5 мм и не более 20 мм. Рекомендуемая ширина вырезаемых элементов - не менее 100 мм. Колеса разрезают на части двумя способами [38]:

- кольцевое отрезание обода от диска с последующей радиальной разрезкой обода; вырезание областей обода длиной, равной ширине обода, вырезание фрагмента колеса; отрезание от фрагментов обода частей по поверхности, параллельной оси колесной пары, посередине между двумя розетками тензорезисторов (рис. 3);

- радиальная разрезка колеса от гребня до ступицы и измерение изменения базового расстояния, вырезание сектора, последующее отделение ободной части и ступичной части (рис. 4), разрезание обода параллельно оси колеса.

Рисунок 3 - Схема установки тензорезисторов и отделения обода колеса: а = 100 мм - базовое расстояние при кернении обода; Яа - радиальная координата кернения обода; 1 - круговой разрез обода; 2 - радиальный разрез обода; 3 - разрез диска и ступицы; 4 - поперечный разрез обода; х - двух-компонентная розетка тензорезисторов

Рисунок 4 - Схема установки тензорезисторов и радиальной разрезки обода колеса: а = 100 мм - базовое расстояние при кернении обода; Яа - радиальная координата кернения обода; 1,2,3 - радиальные разрезы колеса; 4, 5, 6,7 - разрезы для отделения элементов диска с тензорезистарами от обода и ступицы; х - двухкомпонентная розетка тензорезисторов

Остаточные напряжения при применении двухкомпонентных розеток вычисляются по формулам [38]:

Е

Х-ц1

Е 1 -М

(£х+/Л£2\

2 (е2+ц£х),

(2)

(3)

где 8ь £г - относительная деформация в двух взаимно перпендикулярных направлениях осей тензорезисторов в двухкомпонентной розетке; Е - модуль упругости первого рода, МПа; ц - коэффициент Пуассона.

Для определения значений остаточных напряжений в плоскости круга катания полученные результаты вблизи нее подвергают перерасчету к плоскости круга катания (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема приведения к плоскости круга катания напряжений, замеренных на боковых поверхностях обода и приободной части диска

После отделения фрагмента обода колеса от его дисковой части остаточные напряжения, приведенные к плоскости круга катания, вычисляют по следующей формуле [38]:

Ъ а СГ - <Т--1- сг

(4)

'ср "в ,7 н , I '

а + Ь а + Ь

где ав - напряжение, измеренное на внутренней стороне обода; ан - напряжение, измеренное на наружной стороне обода, напротив точки измерения а„; а, Ъ - расстояния от плоскости круга катания до внутренней и наружной граней обода, где измерялись напряжения ав и ан. Остаточные напряжения в приободной части диска колеса вычисляют по аналогичной формуле, где ав - напряжения, измеренные на внутренней стороне диска; ан - напряжения, измеренные на наружной стороне

диска, напротив точки измерения ов; а, Ъ- расстояния от плоскости круга катания до внутренней и наружной граней диска, где измерялись напряжения ав и ан.

По результатам измерений строят эпюру распределения остаточных напряжений по сечению, определяют зоны максимальных напряжений.

1.4.2 Рентгеновский метод

Рентгеновские методы оценки напряженного состояния основаны на измерении расстояния между кристаллографическими плоскостями в приповерхностном слое объекта через величину угла отражения рентгеновских лучей. Если измерено расстояние между кристаллографическими плоскостями, зная его величину при отсутствии напряжений, можно вычислить деформацию кристаллической решетки. Пересчет деформаций в значения напряжений осуществляется с использованием уравнений теории упругости [54].

Определение расстояния между кристаллографическими плоскостями основано на рассеянии монохроматических рентгеновских лучей при прохождении кристаллической решетки регулярного строения. При таком рассеянии происходит интерференция лучей, в результате которой только в определенных направлениях интенсивность лучей увеличивается, тогда как в других направлениях ослабляется.

При падении монохроматического пучка рентгеновского излучения под некоторым углом ср на кристаллическую решетку поверхностного слоя металла рентгеновские лучи рассеиваются на атомах вещества, причем наибольшей интенсивностью будут обладать лучи, отраженные под углом ср. Эти лучи, попадающие на различные атомы решетки, также взаимодействуют между собой, причем усиление будет иметь место, если колебания лежат в одной фазе. Это условие выполняется, если разность хода лучей равна целому числу длин волн (уравнение Вульфа - Брегга) [54]:

2d sin (р = пЛ, (5)

где X — длина волны рентгеновского луча; п — целое число (и = 1, 2, 3 ...) — порядок отражения.

Таким образом, угол между падающим и отраженным рентгеновскими лучами является строго определенным, зависящим от расстояния между плоскостями кристаллической решетки, длины волны и порядка отражения. Уравнение (5) лежит в основе определения остаточных напряжений и дает возможность, зная угол между падающим и отраженным рентгеновскими лучами, вычислить межплоскостное расстояние решетки при напряженном состоянии металла.

На рис. 6 представлена принципиальная схема измерения угла отражения с помощью счетчика излучения. Рентгеновский луч отражается от поверхности металла, камера счетчика совершает периодическое колебательное движение, фиксируя интенсивность излучения для данного угла. По максимуму излучения определяют угол отражения луча.

Рисунок 6 - Принципиальная схема рентгеновского дифрактометра

В материале образца о наличии напряжений 3-го рода можно судить по смещению максимумов дифракционных пиков. При этом микронапряжения 2-го рода влияют только на уширение дифракционных максимумов, в то время как напряжения 1-го рода влияют на их интенсивность.

В качестве рентгеновского оборудования при контроле остаточных напряжений в цельнокатаных колесах используют дифрактометры с наклоняемой к поверхности однолучевой трубкой (наклон плоскости дифракции) или двухлучевой рентгеновской трубкой (наклон биссектрисы угла «трубка-детектор» относительно нормали к поверхности в плоскости дифракции). Порядок подготовки к проведению измерений и методология контроля представлены в работе [38].

Генератор

¡

В случае использования дифрактометра с двухлучевой трубкой для анализа напряженного состояния определяют не сдвиг одного дифракционного максимума, а сдвиг положения двух дифракционных пиков относительно друг друга в детекторе дифрагированного рентгеновского излучения. Из обобщенного закона Гука для изотропной сплошной среды, когда относительная упругая деформация не превышает долей процента для поверхностного плоского напряженного состояния поликристалла, получается следующая расчетная формула поверхностного напряжения а вдоль выбранного направления измерений [93]:

cr = A(KL2-Ll+B), (6)

где L\ и L2 - положения максимумов дифракционных линий для 1-го и 2-го пучков рентгеновского излучения соответственно; А - константа, учитывающая упругие свойства материала образца, длину волны излучения и геометрические характеристики рентгенооптической схемы; В - константа по абсолютной величине, равная расстоянию между дифракционными максимумами в ненапряженном состоянии; К — константа, корректирующая погрешности сборки регистрирующего устройства.

При использовании дифрактометра с однолучевой трубкой производят измерения положения одноименных дифракционных пиков не менее чем для трех углов наклона ф нормали к кристаллографической плоскости, с которой проводят регистрацию дифракционного пика с построением зависимости относительной деформации от sin ф. Остаточные напряжения ст, определяемые с помощью дифрактометра с однолучевой трубкой, вычисляются по формуле [38]:

а = кЕ/{ l + fi), (7)

где [i - коэффициент Пуассона; Е — модуль упругости; к - тангенс угла наклона, прямо пропорциональный зависимости относительной деформации от sin^.

В поликристаллических металлах и сплавах, исключая литое состояние, в формировании дифракционного пика участвует от 100 до 10 000 зерен. Для различных металлов и сплавов поверхностный слой, который формирует дифракционный пик, имеет глубину от 5 до 250 мкм, поэтому при измерении рентгеновским методом определяются поверхностные напряжения изделия, т. е. получить

полную картину распределения остаточных напряжений по сечению невозможно. Рентгеновским способом измеряется упругая деформация только некоторых благоприятно ориентированных для отражения пучка лучей зерен. Участвующие в отражении лучей зерна могут изменяться не только от их ориентировки, но и от используемого излучения. Ввиду этого при определении напряжений первого рода наблюдаются большие расхождения для одинаковых материалов. Недостаток рентгеновского метода заключается также в том, что в пластически деформированной углеродистой стали точность определения остаточных напряжений снижается в 4-5 раз по сравнению с точностью определения напряжений в недефор-мированной стали. Механическая обработка поверхности перед измерением создает дополнительно остаточные напряжения первого рода на глубине до 0,6 мм, что также влияет на точность измерений.

Авторы работы [93] представляют методику и оборудование для проведения рентгеновской тензометрии остаточных поверхностных напряжений в ободьях цельнокатаных колёс. Отмечают удовлетворительную корреляцию полученных результатов с методом разрезки обода колеса. Обосновывают возможность применения методики для оценки равномерности упрочняющей поверхностной обработки (дробеструйное упрочнение) поверхности диска. Однако ввиду указанных выше ограничений, представленная в работе методика обладает высокой погрешностью измерений, составляющей ± 50 МПа, и низкой производительностью контроля из-за необходимости подготовки контролируемой поверхности колеса. Тем не менее в работе демонстрируется целесообразность использования рентгеновского метода для дополнения картины распределения остаточных напряжений в ободе колеса.

1.4.3 Акустическая тензометрия

Под акустической тензометрией понимается совокупность методов и средств контроля, основанных на измерении характеристик упругих волн, распространяющихся в среде. Среди неразрушающих методов оценки напряженного состояния акустическая тензометрия выделяется ввиду ряда преимуществ: возмож-

ности оценки не только внутренних, но и поверхностных напряжений (в зависимости от используемых типов волн); относительной простоты реализации и физической наглядности; возможности применения на различных стадиях производства и эксплуатации объекта.

В основу диагностики может быть положена зависимость от механических напряжений различных параметров, описывающих упругую волну: амплитуды, частоты, скорости, направления распространения и поляризации. Подобные зависимости известны в нелинейной акустике и являются следствием таких явлений, как нелинейное взаимодействие упругих волн, рефракция звука, модуляция звука звуком, акустоупругость.

Из соображений практической осуществимости измерений в производственных условиях, а также в связи с наличием определенной аппаратурной и методической преемственности по отношению к традиционным ультразвуковым методам неразрушающего контроля наиболее перспективным для целей акустической тензометрии представляется акустоупругий эффект. Суть эффекта заключается в зависимости скорости распространения упругих волн в твердом теле от напряженного состояния, типа поляризации волны и взаимной ориентации волнового вектора и направлений действия усилий.

Закон Гука (а = е£), согласно которому напряжение а и деформация б пропорциональны, выполняется приближенно. Более точная зависимость имеет вид степенного ряда [87]:

где С\ - упругие постоянные или модули упругости; С2 - коэффициенты Мурна-гана (в изотропном твердом теле их три).

Степени выше второй не учитывают. Это выражение следует понимать как упрощенное, не учитывающее наличие и взаимодействие деформаций разного типа.

Отношение коэффициентов С\ и Сг упрощенно выражается следующим образом [87]:

а = С\г + С2е2,

(В)

АС £оС2 оСг

С с. ~ с,2

(9)

где АС = С' - С, м/с; С - скорость звука в ненапряженном объекте контроля, м/с; С' - скорость звука после напряжения, м/с.

Таким образом, изменение скорости пропорционально напряжению или деформации в контролируемом объекте. Связь между ними определяется акусто-

упругим коэффициентом р = —\, Па"1 [87]:

^ = /3*. (10)

Из выражения (9) следует, что достаточно один раз экспериментально определить величину (3, а уже затем можно расчетным путем найти зависимость относительного изменения скорости от напряжения. Акустоупругий коэффициент Р зависит от типа ультразвуковых волн и направления их распространения по отношению к вектору деформирующей силы; он, как правило, является отрицательным. Максимальное по модулю значение акустоупругого коэффициента наблюдается при одноосных напряжениях, когда направление распространения волны и смещения частиц совпадает с направлением деформирующей силы. В соответствии с [98], наибольшее воздействие на скорость звука в металлах, помимо искажений кристаллической решетки, оказывают микронапряжения и напряжения 1-го рода. Определение остаточных напряжений акустическими методами будет иметь завышенное значение, если не учитывать изменение скорости ультразвука за счёт изменений микронапряжений (напряжения 2-го рода), искажений кристаллической решётки (напряжения 3-го рода) и структурных преобразований.

Выражения (8)—{10) носят весьма условный характер. Значительно более строгий вывод линейных зависимостей скоростей упругих волн от напряжений содержится в работах [9-14,40, 88].

Величина изменения скорости А С/С имеет порядок ЮЛ Измерение абсолютных значений скорости с такой точностью - трудная задача. Она облегчается тем, что обычно требуется измерить не абсолютную величину, а изменение скорости под влиянием приложенных напряжений.

В соответствии с пунктом 5.2 (с подразделами) РД 32.144-2000 для приемочного контроля новых колес и пунктами 4.1.3 и 4.1.5 СТО РЖД 1.11.002-2008 для колес, бывших в эксплуатации, регламентируется проведение мероприятий по оценке остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных колес с помощью метода неразрушающего контроля, заключающегося в осевом прозвучивании обода поперечными ультразвуковыми волнами, поляризованными в радиальном и окружном направлении. Расчет величины остаточных напряжений осуществляется по известному значению коэффициента акустоупругости, указанного в технической инструкции, и относительной разности времен распространения поляризованных волн. В связи с этим реализация метода акустической тензометрии ободьев цельнокатаных вагонных колес требует: проработки общих вопросов теории акустоупругости; исследования особенностей распространения ультразвуковых импульсов в структурно неоднородных средах, характеризующихся напряженным состоянием; разработки аппаратных средств контроля; алгоритмов работы оборудования и обработки информативных сигналов.

1.5 Метод акустоупругости

В 1959 году Бенсон и Рилсон описали метод определения величины одноосного напряжения в изотропном материале с использованием сдвиговых волн взаимно перпендикулярной поляризации. Предложенный метод основывается на том, что напряженный материал становится, с точки зрения распространения волн, анизотропной средой, что выражается в различии абсолютных значений скоростей сдвиговых волн, поляризованных параллельно и перпендикулярно действию напряжений [88]. По аналогии с фотоупругим эффектом был введен термин «акустоупругий эффект». В эксперименте был использован тот факт, что волна, поляризованная под углом 45° и распространяющаяся перпендикулярно к направлению действия напряжения, разлагается на две независимые составляющие, поляризованные параллельно и перпендикулярно к направлению главного напряжения. В результате различия скоростей распространения составляющих первона-

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. Тупина 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. Рей-нольдса, 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.