Техническое диагностирование профиля поверхности катания железнодорожных колес в процессе эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Сахаров Роман Александрович

• Сахаров Роман Александрович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Сахаров Роман Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 Современное состояние вопроса и постановка задач 10 исследования

1.1 Анализ дефектов вагонных колесных пар

1.2 Особенности технического состояния цельнокатаных колес 14 грузовых вагонов

1.3 Анализ существующих методов технического 16 диагностирования цельнокатаных колес грузовых вагонов

1.4 Анализ существующих методов оценки остаточного 19 технического ресурса цельнокатаных колес грузовых вагонов

1.5 Анализ методов технического диагностирования структурного 22 состояния ППК ВКП

1.6 Особенности и перспективы эксплуатации цельнокатаных колес 24 грузовых вагонов

1.7 Постановка задач научного исследования

1.8 Выводы по главе

2 Моделирование процесса технического диагностирования 30 цельнокатаных колес грузовых вагонов в процессе эксплуатации

2.1 Особенности процесса деформировании металла обода по 30 профилю поверхности катания вагонных колесных пар

2.1.1 Изменение структуры металла

2.1.2 Изменение внутренней энергии в металле

2.1.3 Взаимосвязь магнитных свойств и структурного состояния 39 металла колесной стали

2.2 Выбор метода технического диагностирования профиля 42 поверхности катания и близлежащих слоев цельнокатаных колес грузовых вагонов

2.2.1 Описание метода диагностирования

2.2.2 Выбор параметров и ограничений

2.2.3 Диагностическая модель

2.3 Моделирование процесса технического диагностирования

2.3.1 Алгоритм процесса технического диагностирования

2.3.2 Математическая модель процесса диагностирования

2.4 Разработка методики оценки остаточного технического ресурса

2.4.1 Расчет вероятности неразрушения ЦКГВ при сохранении 65 статистической прочности

2.4.2 Алгоритм методики оценки остаточного технического 73 ресурса ЦКГВ с учетом блока параметров концентрации напряжений

2.5 Выводы по главе

3 Разработка устройства для технического диагностирования 82 профиля поверхности катания и близлежащих слоев цельнокатаных колес грузовых вагонов

3.1 Выбор оборудования для измерений

3.1.1 Обзор аналогов

3.1.2 Выбор прототипа

3.2 Техническое предложение

3.2.1 Описание

3.2.2 Принцип действия

3.2.3 Технические характеристики

3.2.4 Область применения

3.2.5 Режимы эксплуатации

3.3 Экспериментальная проверка

3.3.1 Аппроксимация данных

3.3.2 Технические рекомендации

3.4 Выводы по главе

4 Постановка эксперимента по оценке структурной 105 неоднородности профиля поверхности катания и близлежащих слоев цельнокатаных колес грузовых вагонов

4.1 Входные данные

4.1.1 Проведение эксперимента в лаборатории ПГУПС

4.1.2 Проведение эксперимента в лаборатории Инженерного 108 центра ОЦНТИБ Октябрьской железной дороги - филиала ОАО «РЖД»

4.1.3 Проведение эксперимента в условиях вагонного депо

4.2 Обработка результатов измерений

4.2.1 Обработка результатов измерений в лаборатории ПГУПС

4.2.2 Обработка результатов измерений в лаборатории 135 Инженерного центра ОЦНТИБ Октябрьской железной дороги -филиала ОАО «РЖД»

4.2.3 Обработка результатов измерений в условиях вагонного депо

4.3 Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения предлагаемого устройства для магнитометрии и методики оценки критических состояний структурной неоднородности

4.3.1 Расчет капитальных вложений на изготовление и монтаж

4.3.2 Расчет экономического эффекта от внедрения системы технического диагностирования

4.4 Выводы по главе ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы ПРИЛОЖЕНИЕ А ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПРИЛОЖЕНИЕ В ПРИЛОЖЕНИЕ Г

140

144

146

147

СОКРАЩЕНИЯ

Сокращение Расшифровка

1

ВКП вагонные колесные пары

ППК профиль поверхности катания

ОТР остаточный технический ресурс

ЦКГВ цельнокатаные колеса грузовых вагонов

ПС подвижной состав

НД нормативная документация

ТД техническое диагностирование

НДС напряженно-деформированное состояние

ЗКН зона концентрации напряжений

КИН коэффициент истинных напряжений

МВМ магнитовариационный метод

МПМ метод магнитной памяти металла

БД база данных

ОД объект диагностирования

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Техническое диагностирование профиля поверхности катания железнодорожных колес в процессе эксплуатации»

Актуальность темы исследования.

Эксплуатационные свойства вагонных колесных пар (ВКП) в значительной степени определяются качеством поверхностного слоя металла обода колес, который зависит от таких основных физико-механических характеристик, как твердость, пластичность, химический состав, фазовый состав, структура и остаточные напряжения. Прямые методы измерения этих характеристик без снятия с эксплуатации ВКП невозможны, а косвенные методы имеют существенные ограничения, которые не лучшим образом сказываются на достоверности измерений.

Специфической особенностью эксплуатации ВКП является наличие структурной неоднородности металла по профилю поверхности катания (ППК) и близлежащих слоев, которая современными методами технического диагностирования при эксплуатации не учитывается. Актуален вопрос обнаружения скрытых дефектов в структуре данных областей, так как период их развития до возникновения отказа на практике зачастую оказывается меньше назначенного межремонтного периода.

Диагностирование указанной структурной неоднородности при эксплуатации ВКП позволит повысить безопасность движения поездов за счет обнаружения еще только зарождающихся дефектов в структуре металла и возможности последующего прогнозирования остаточного технического ресурса (ОТР).

Объект исследования: цельнокатаные колеса грузовых вагонов.

Предмет исследования: техническое диагностирование профиля поверхности катания цельнокатаных колес грузовых вагонов.

Цель исследования: повышение безопасности движения поездов путем технического диагностирования критических состояний структурной неоднородности металла профиля поверхности катания и близлежащих слоев цельнокатаных колес грузовых вагонов (ЦКГВ) непосредственно в процессе эксплуатации (при движении поезда).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) анализ дефектов ППК и близлежащих слоев ЦКГВ, существующих методов их технического диагностирования и методов оценки остаточного технического ресурса;

2) разработка методики оценки критических состояний структурной неоднородности металла ППК и близлежащих слоев ЦКГВ.

3) разработка устройства, позволяющего производить оценку критических состояний структурной неоднородности металла ППК и близлежащих слоев ЦКГВ;

4) постановка и проведение эксперимента по оценке критических состояний структурной неоднородности металла ППК и близлежащих слоев ЦКГВ.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1) установлены качественные и количественные зависимости величины индукции собственного магнитного поля над поверхностью ППК ЦКГВ от твердости металла ППК ЦКГВ, которые позволяют оценить ОТР;

2) разработана методика оценки критических состояний структурной неоднородности металла ППК ЦКГВ в процессе эксплуатации, основанная на качественных и количественных зависимостях величины магнитной индукции собственного магнитного поля над поверхностью ППК ЦКГВ от твердости металла профиля ППК ЦКГВ;

3) разработано устройство, позволяющее реализовать разработанную методику оценки критических состояний структуры металла ППК ЦКГВ в процессе эксплуатации. Определены рабочие режимы эксплуатации данного устройства с помощью зависимости частоты дискретизации устройства от скорости движения и диаметра колеса.

4) разработана методика расчета остаточного технического ресурса, в которой учитываются результаты проведения оценки критических состояний структуры металла ППК ЦКГВ при оперативном техническом диагностировании.

Положения, выносимые на защиту диссертационной работы:

1. Методика оценки критических состояний структурной неоднородности металла ППК ЦКГВ;

2. Методика расчета ОТР ЦКГВ, учитывающая результаты оценки критических состояний структуры металла ППК ЦКГВ при оперативном техническом диагностировании.

3. Устройство, позволяющее производить оценку критических состояний структурной неоднородности металла ППК ЦКГВ.

4. Результаты экспериментальных исследований по оценке критических состояний структурной неоднородности металла ППК ЦКГВ.

Личный вклад диссертанта. Результаты, изложенные в данной диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы состоит в установлении характера зависимости величины магнитной индукции В собственного магнитного поля над поверхностью ППК ЦКГВ от твердости НВ металла профиля, которая может быть использована для оценки критических состояний структурной неоднородности металла профиля при оперативном техническом диагностировании непосредственно в процессе эксплуатации подвижного состава (ПС).

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается:

• в создании методики оценки критических состояний структурной неоднородности металла ППК ЦКГВ;

• в создании методики расчета ОТР ЦКГВ, учитывающей результаты оценки критических состояний структуры металла ППК ЦКГВ при оперативном техническом диагностировании.

• в разработанном устройстве, предназначенном для технического диагностирования ЦКГВ железнодорожного транспорта.

Методология и методы исследования.

В работе использованы как теоретические, так и экспериментальные методы исследования.

Теоретические методы исследования основаны на фундаментальных положениях теории прочности, трибологии, теории математической статистики и теории магнитного поля, а также методов технического диагностирования и методы моделирования ОТР.

Экспериментальные методы исследования проведены с учетом теории планирования эксперимента на специально разработанном оборудовании в дефектоскопической лаборатории ПГУПСа, а также в вагоноремонтном депо ст. Мурманск Октябрьской железной дороги (ОЖД) ОАО «РЖД» при технической диагностике (ТД) металла ППК ЦКГВ.

Реализация и внедрение работы. Результаты диссертационной работы, включая методики, устройство, и научно-технические предложения, используются на ряде предприятий ОАО «РЖД», а также в учебном процессе ФГБОУ ВО ПГУПС.

Апробация работы. Основные положения диссертации, результаты исследований, выводы и рекомендации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры "Технология металлов" ПГУПС в 2016 г. и 2018 г., на научно-технических конференциях ПГУПС "Неделя науки" в 2013, 2014 г., на 14-ой и 16-ой Международных научно-практических конференциях «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта» в 2012, 2014 г., на Х Международной конференции "Прочность и надежность конструкций" в 2017 г., на Юбилейной Международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы - 2015» в ФГБУН «Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук» в 2015 г.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 1 7 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, внесенных в Перечень ВАК Министерства образования и науки РФ, получены патент РФ на полезную модель и свидетельство о регистрации программы.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, 4 приложений, изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц и 66 рисунков.

1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1 Анализ дефектов вагонных колесных пар

На практике встречается более 60 видов дефектов колесных пар (КП), которые возникают под влиянием различных факторов, от которых прямо или косвенно зависит безопасность движения подвижного состава. Поэтому КП, у которых параметры выявленных дефектов превышают установленные нормы, подвергаются постановке в ремонт или исключаются из инвентаря [1 ,8].

Первая попытка систематизировать дефекты КП была предложена в 1966 г. А. Е. Цикуновым [2], а позднее, в 1968 г., М. М. Машнев разработал классификацию дефектов ободов колес [3]. В 1977 г. ВНИИЖТ разработал классификатор дефектов ИТМ1-В, который утвержден Министерством путей сообщения (МПС) и применялся, как официальный документ, на практике для регистрации номеров неисправностей при ремонте КП [4,5,6].

Позднее с учетом предыдущего опыта была предложена классификация, представляющая собой структуру иерархического распределения дефектов в соответствии с природой их происхождения [1]. В предложенной классификации КП рассматривается как единый объект, и в самих названиях дефектов заложена принадлежность их к колесу, к оси или к КП в сборе [1, 7].

Как показывает практика, КП имеют от одного до нескольких видов дефектов одновременно. Поэтому необходимо учитывать степень влияния каждого из них на безопасность движения подвижного состава. Для безопасности движения наибольшую угрозу создают трещины, особенно в ободе колёс, сдвиги колес на оси, изломы колес [8].

На сегодняшний день, согласно [9] все неисправности КП и их элементов классифицируют по трехзначной 10-ной цифровой системе, образующей код неисправности. (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А)

Введение в эксплуатацию железнодорожных колес новых марок сталей с повышенной твердостью из-за недостаточной информации об их эксплуатационных свойствах еще больше повышает неопределенность внезапного возникновения того или иного дефекта.

Согласно статистическим данным ОАО «РЖД» Октябрьской ж.д. и АО «ВНИИЖТ» [10] (см. табл. 1.1) приведена динамика изменения причин обточек вагонных КП в % от общего количества обточек с 2000 по 2019 г.

ег я

Й о

Е

и =

о ес

I

о

в

с ас н с о и

4=

о -

I

5"

С

н ю с

а с

Е N

0 "

1 Рч I С

* с

5 Б

ей

1 I

■ <и

— 5-

о ?

2 Ю С- С

Из таблицы 1.1 и рис. 1.1 видно, что массовое введение в 2010 г. в эксплуатацию КП с повышенной твёрдостью обода резко сократило появ-

ление таких дефектов, как ползуны, навары, кольцевые выработки, подрез гребня, остроконечный накат, прокат, однако, вместе с этим, повысило частоту возникновения таких дефектов, как выщербины, тонкий гребень и неравномерный прокат.

Данные о наличии, расположении и характере дефектов профиля поверхности катания вагонных колесных пар (ППК ВКП) обычных марок в сравнении с колёсами с повышенной твердостью обода приведены в работе [36]. Эти данные показывают, что на практике наиболее часто встречаются такие дефекты, как ползуны и выщербины, причем в % соотношении выщербины преобладают у колёс с повышенной твердостью. Ползуны хоть и встречаются меньше у колёс с повышенной твердостью, но характер их залегания в структуре металла стал глубже. Это негативно отразилось на затратах при обточке таких колёс за счет снятия большего слоя металла, что значительно сократило количество самих обточек КП, т.е. сократило их ресурс. (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А)

Следует отметить, что такие дефекты, как ползуны и вещербины имеют термомеханический механизм образования, который вызывает существенные изменения в структуре металла ППК ВКП. Поэтому с точки зрения технического диагностирования основное внимание в работе уделено исследованию именно этих дефектов с целью оценки возможности своевременного их выявления.

1.2 Особенности технического состояния цельнокатаных колес грузовых вагонов

Требования к химическому составу материала колесной стали, обеспечивающему ее необходимые механические свойства, являются одними из основных расчетных данных при назначении режимов эксплуатации.

Химический состав марок сталей КП со временем модернизировался, как и их механические свойства, твердость, ударная вязкость, что видно из таблиц 1.2, 1.3 [8]:

Таблица 1.2

Химический состав стали колесных пар

Марка стали Содержание элементов, %, по массе

Углерод Марганец Кремний Ванадий Сера Фосфор Хром Никель Медь

ГОСТ 398-96***

2 0,57-0,65 0,60-0,90 0,22-0,45 до 0,15 0,035 0,04 < 0,2 < 0,25 < 0,3

3 0,60-0,68 0,60-0,90 0,22-0,45 0,06-0,15 0,035 0,04 < 0,2 < 0,25 < 0,3

ТУ 0943-157-01124328-2003****

Т 0,55-0,70 0,50-1,00 0,22-0,65 < 0,15 0,03 0,035 < 0,5 < 0,3 < 0,3

ТУ 0943-170оп-01124323-2004****

Т 0,62-0,70 0,50-1,00 0,22-0,65 < 0,15 0,0050,025 < 0,030 < 0,5 < 0,3 < 0,3

ГОСТ 10791-2004**

1 0,44-0,52 0,80-1,20 0,40-0,65 0,08-0,15 0,03 0,035 < 0,3 < 0,3 < 0,3

2 0,55-0,65 0,50-0,90 0,22-0,45 < 0,10 0,03 0,035 < 0,3 < 0,3 < 0,3

3 0,58-0,67 0,50-0,90 0,22-0,45 0,08-0,15 0,02 0,03 < 0,3 < 0,3 < 0,3

ТУ 0943-170-01124323-2010****

Т 0,62-0,70 0,50-1,00 0,22-0,65 < 0,15 0,0050,025 < 0,030 < 0,5 < 0,3 < 0,3

ГОСТ 10791-2011*

1 0,44-0,52 0,80-1,20 0,40-0,65 0,08-0,15 0,02 0,03 0,3 0,3 0,3

2 0,55-0,63 0,50-0,90 0,22-0,45 0,1 0,025 0,03 0,3 0,3 0,3

Т 0,62-0,70 0,50-1,00 0,22-0,65 0,15 0,0050,025 0,03 0,4 0,3 0,3

Л 0,48-0,54 0,80-1,20 0,45-0,65 0,05-0,15 0,02 0,03 0,25 0,25 0,25

Техническое состояние колес в первую очередь определяется требованиями к их физико-механическим характеристикам, и уже только после, соответствию диагностических параметров нормативной документации (НД) [11].

Таблица 1.3

Механические свойства, твердость и ударная вязкость колес

Временное сопротивление Относительное удлинение Относительное сужение Ударная кси ДЖ/см2 вязкость на образцах, (кгс-м/см2) Твердость на глубине 30 мм от

Диска

8 ов , Н/мм2 5 , % ¥ , % & и О О О сч поверхности

о £ ° О + + О катания,

сЗ И £ 2 и £ а ° с ^ НВ

(кг*с / мм 2) Не менее

ГОСТ 398-96***

2 930-1110 10 14 0,25 - - 269

3 1000-1270 8 12 0,2 - - 275

ТУ 0943-157-01124328-2003****

Т 1020-1180 9 16 16 18 - 320-360

ТУ 0943-170оп-01124323-2004** **

Т > 1020 9 16 18 18 - 320-360

ГОСТ 10791-2004**

1 880-1080 12 21 30 30 - 248

2 910-1110 8 14 20 20 - 255

3 980-1130 8 14 16 16 - 285

ТУ 0943-170-01124323-2010****

Т > 1020 9 16 18 18 15 320-360

ГОСТ 10791-2011*

1 880-1080 12 21 30 30 20 248

2 910-1110 8 14 20 20 15 255

Т 1020 9 16 18 18 15 320

Л 930 12 21 30 30 20 280-320

Еще одной особенностью физико-механических характеристик цельнокатаных колес грузовых вагонов является уменьшение твердости материала колеса вглубь относительно поверхности катания.

Также на практике часто встречается различие физико-механических свойств материала вагонных колес относительно принятого эталона, причем не только в различных партиях поставок, но даже и в одной партии.

Кроме того, в НД регламентирована твердость на глубине 30 мм от поверхности катания [14], однако, на самой поверхности катания колес твердость не регламентирована.

1.3 Анализ существующих методов технического диагностирования цельнокатаных колес грузовых вагонов

Сегодня методы технического диагностирования (ТД) цельнокатаных колес грузовых вагонов условно можно разделить на применяемые в эксплуатации и при снятии с эксплуатации, т.е. постановке в ремонт. Применяемые в эксплуатации методы ТД, в свою очередь, делятся на установленные на железнодорожном полотне (стационарные), и уставленные непосредственно на подвижном составе (мобильные). На сегодняшний день к стационарным методам относятся различные комплексы и системы на основе щупов, оптических триангуляционных датчиков, а также датчиков вибрации, служащих для контактного и бесконтактного измерения геометрических параметров КП, а также их вибрационных характеристик.

Подробный обзор существующих, как зарубежных, так и российских стационарных систем ТД цельнокатаных колес представлен в [13]. На настоящий момент времени разработаны еще несколько стационарных систем ТД цельнокатаных колёс ВКП, поэтому их более подробный перечень

представлен в табл. 1.4. Таблица 1.4

№ Название Метод диагностиров ания Область примения Контролируемые параметры Регистрируемые дефекты

1. Пост Акустический, Расположе- Вертикальные -Ползун,

акустического оптический ние и Ш1К динамические - навар,

ультразвкуово- (тепловой), вагонных нагрузки в - выщербина,

го контроля ПАУК-11К ультразвуковой КП системе «колесо рельс» - трещина, -неравномерный прокат, - откол обода.

2. Комплекс Акустический КП с Вертикальные -Ползун,

технических дефектами динамические - навар,

стредств по ППК нагрузки в - выщербина,

КТСМ-02 (К) системе «колесо рельс» — -неравномерный прокат.

3. ДИСК-БКВ-Ц Оптический, КП с Вертикальные -Ползун,

(ДИСК-К) акустический дефектами по ППК динамические нагрузки системе «колесо рельс» в - навар, - выщербина, - трещина, -неравномерный прокат, - откол обода.

4. Автоматизи- Акустический, Геометрия 1. Толщина, ши- -Ползун,

рованный оптический КП с рина обода; - навар,

диагности- дефектами 2. толщина греб- - выщербина,

ческий ком- по ППК ня; - трещина,

плекс для 3. сумма и разни- -неравно-

измерения ца толщин греб- мерный прокат,

геометричес- ней; - откол обода,

ких парамет- 4. равномерный - износ.

ров колесных прокат;

пар грузовых 5. диаметр колеса;

вагонов 6. расстояние

«КОМПЛЕКС» между внутрен-

ними гранями

ободьев колес;

7. угол набегания.

5. Детектор Акустический КП с Вертикальные -Ползун,

дефектных дефектами динамические - навар,

масс «ДДК» по ППК нагрузки в - выщербина,

системе «колесо — - трещина,

рельс» -неравно-

мерный прокат,

- откол обода.

6. Система Акустический КП с Вертикальные -Ползун,

контроля дефектами динамические - навар,

вертикальных по ППК нагрузки в - выщербина,

динамических системе «колесо — - трещина,

нагрузок рельс» -неравно-

«СКВДН» мерный прокат,

- откол обода.

7. Универсаль- Оптический Геометрия 1. Толщина -Ползун,

ный комплекс КП гребней, - навар,

неразрушаю- 2. прокат колёс, - выщерблина,

щего контроля 3. диаметр колёс, - трещина,

УДК «САРК» 4. расстояние -неравно-

между мерный прокат,

внутренними - откол обода.

гранями ободьев

колёс.

Из таблицы 1.4 видно, что, несмотря на ранообразие стационарных систем ТД цельнокатаных колёс вагонов, принцип их действия сводится к следующим измерениям:

- по виброускорениям (тензометрические датчики для определения вертикальных динамических нагрузок в системе «колесо-рельс»);

- оптическим измерениям (лазерные триангуляционные датчики для определения геометрических параметров, ИК-камеры, тепловизеры для определения температурных характеристик КП).

Однако, данные системы ТД не обеспечивают оценку структурной неоднородности металла профиля поверхности катания.

Эту задачу решают системы ТД цельнокатаных колёс грузовых вагонов при снятии с эксплуатации, т.е. постановке в ремонт, например, к ним можно отнести автоматизированный дефектоскопический комплекс «Пеленг-автомат». Основу этого комплекса составляет многоканальный ультразвуковой дефектоскоп, реализованный на базе промышленного компьютера. Для выявления дефектов используется свойство отражения ультразвуковых колебаний от неоднородности материала контролируемого изделия трещин, выщербин, поверхностных сколов и т.п. В процессе поиска дефектов производится сканирование изделия кратковременными зондирующими импульсами с высокочастотным заполнением. Для формирования зондирующих импульсов и приёма эхо-сигналов, отражённых от дефектов, используются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП).

Также, к системам технического диагностирования (ТД) цельнокатаных колёс грузовых вагонов при снятии с эксплуатации, можно отнести установку оптического неразрушающего контроля «Профиль-П», которая позволяет контролировать следующие основные параметры:

расстояние между внутренними гранями ободов цельнокатаных колёс; разность диаметров по кругу катания колёс, насаженных на одну ось; толщина, ширина обода колеса;

равномерный и неравномерный прокат колёсных пар; овальность по кругу катания;

дефект на поверхности катания, вызванный смещением металла (навар); кольцевые выработки на поверхности катания; выщербины на поверхности катания колёс; вертикальный подрез гребня.

Таким образом, оценка структурной неоднородности металла ППК ВКП сегодня возможна только при снятии ВКП с эксплуатации, т.е. постановке в ремонт. Поэтому вопрос своевременной оценки структурной неоднородности металла ППК ВКП непосредственно в процессе эксплуатации до сих пор остается актуальным.

1.4 Анализ существующих методов оценки остаточного технического ресурса цельнокатаных колес грузовых вагонов

Сегодня сложилась неоднозначная ситуация в области определения и продления остаточного технического ресурса (ОТР). Заводы-изготовители, заинтересованы в выпуске цельнокатаных колёс с повышенным техническим ресурсом. Однако, они также заинтересованы и в ограничении методов повышения этого технического ресурса, что отражено в ГОСТ [14]. ОАО «РЖД» и потребители колес заинтересованы в рациональном использовании ОТР цельнокатаных колёс и предлагают проверенные, а также перспективные методы его повышения, но, как упоминалось выше, эти методы сильно ограничены в п.10.2 ГОСТ [14]. Поэтому сегодня в эксплуатации существует множество предложений по оценке (определению и прогнозированию) ОТР цельнокатаных колёс.

Методы оценки ОТР колес можно подразделить на следующие [15]:

- вероятностный;

- параметрический (на основе магнитной характеристики металла), а также методы, основанные на использовании:

- диффузионного распределения;

- индивидуальных кривых усталости;

- анализа временных рядов.

Анализ этих методов, приведенный в работе [15], показал целесообразность дальнейшего усовершенствования методик ТД неисправностей изделий на ранней стадии эксплуатации, что возможно при условии решения всех задач ТД.

Задачами технического диагностирования согласно [16] являются:

- контроль технического состояния;

- поиск места и определение причин отказа (неисправности);

- прогнозирование технического состояния.

Решение диагностической задачи определения технического состояния ППК ЦКГВ основывается на положениях теории распознавания образов, ко-

торая содержит разделы, связанные с построением алгоритмов распознавания, решающих правил и диагностических моделей [29]. Поскольку техническое диагностирование связано с обработкой большого объема информации, то для принятия обоснованного решения (распознавания) целесообразно привлекать методы теории статистических решений [32]. В этой связи необходимо отметить, что немаловажной частью при решении указанной задачи является контролепригодность колес, т.е. свойство обеспечивать достоверную оценку их технического состояния. Существующие два основных подхода к решению задачи распознавания, вероятностный и детерминистский, имеют лишь небольшое различие, для вероятностных методов необходим намного больший объем входных данных.

[29] Основные методы распознавания в задачах технического диагностирования можно разделить на следующие группы:

- статистические методы распознавания;

- методы статистических решений;

- методы разделения в пространстве признаков;

- логические методы распознавания. [29]

[29]Анализируя изменение диагностируемых параметров, можно найти место проявления дефекта. Поиск дефекта выполняется по заранее разработанному алгоритму, включающему определенную совокупность проверок. Каждая проверка требует определенных затрат. Поэтому необходимо разработать такой алгоритм поиска дефекта, чтобы затраты были минимальными. Это приводит к необходимости решения задачи оптимизации. Целесообразность применения тех или иных методов оптимизации обуславливается характером исходной информации и сложностью процесса диагностирования колес [29].

[29] В соответствии с вышеизложенным выделяют следующие методы поиска возникшего дефекта:

- метод средних затрат;

- метод построения логических функций;

- метод ветвей и границ;

- метод динамического программирования;

- метод теории информации.

[29] Проблема прогнозирования изменения состояния технических объектов возникает практически на всех стадиях их жизненного цикла. Это требует в каждом случае своего подхода, учитывающего специфические особенности задачи прогнозирования и методов ее решения. [29] Основное решение рассматриваемой проблемы заключается, прежде всего, в количественной оценке состояния или степени работоспособности колес в интересующие моменты времени в будущем [33]. Поэтому прогнозирование предполагает интенсивное использование методов статистического моделирования. Надо учитывать, что применяемый математический аппарат весьма разнообразен, существует множество методов, выбор которых для решения конкретных задач довольно затруднителен и зависит от таких факторов, как обоснованность и правильность формулировки задачи;

- возможный характер контроля прогнозируемого объекта (однократный, периодический, непрерывный);

- объем и качество информации о состоянии объекта прогноза;

- наличие универсальных или специализированных средств для обеспечения вычислительных операций по прогнозированию.

В научно-технической литературе выделяют следующие группы методов прогнозирования [34]:

- методы аналитического прогнозирования;

- методы вероятностного прогнозирования;

- методы статистической классификации [29].

1.5 Анализ методов технического диагностирования структурного состояния ППК ВКП

В настоящее время в научной литературе описываются различные подходы к определению классификационных признаков методов технического диагностирования [30, 31]. Не проводя подробного анализа предлагаемых вариантов, остановимся на наиболее распространенном подходе, в котором рассматривается классификация методов технического диагностирования по следующим признакам, в табл. 1.5[29].

Таблица 1.5

Классификация методов технического диагностирования

Классификационный признак Методы технического диагностирования

По виду диагностического параметра - органолептические - инструментальные

По назначению - оперативные - ресурсные

По характеру изменения - прямые - косвенные

По воздействию на объект диагностирования - функциональные - тестовые

Сегодня методы технического диагностирования структурного состояния ППК ВКП в ОАО «РЖД» представлены в основном магнитными и аку-

стическими (ультразвуковыми), которые относятся к методам неразрушаю-щего контроля (НК).

Обзор магнитных средств и методов диагностирования представлен в [20]. Обзор акустических (ультразвуковых) средств и методов диагностирования представлен в [21, 22].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сахаров Роман Александрович, 2020 год

Список литературы

1. Богданов А.Ф., Чурсин В.Г. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов. - Транспорт. - 1985. - 270 с.

2. Цикунов А.Е. Классификация дефектов колесных пар // Железнодорожный транспорт. 1966, № 1. с. 64 - 66.

3. Машнев М.М., Хрусталев Р.С. О классификации дефектов колесных пар // Железнодорожный транспорт. 1968. № 2. с. 58 - 60.

4. Классификация неисправностей вагонных колесных пар и их элементов, ИТМ1-В. - М.: Транспорт, 1978. - 31 с.

5. Машнев М.М. Единая система классификации и кодирования дефектов железнодорожных колес // Конструктивно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава: Сб. науч. тр./ ЛИИЖТ. - Л., 1980. - с. 5 - 18.

6. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов / под ред. С.М. Захарова. М.: Интекст, 2004. - 160 с.

7. Богданов А.Ф. и др. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар /А.Ф.Богданов, И.А.Иванов, М. Ситаж. Под ред. д-ра техн. наук И.А.Иванова. - СПб.: ПГУПС. - 2000. - 128 с.

8. Ресурс и ремонтопригодность колесных пар А.А. Воробьев, С.И. Губенко, И.А. Иванов и др. (под ред. проф. И.А. Иванова). — М.: ИНФРА-М, 2010. — 176 с.

9. Классификатор неисправностей вагонных колесных пар и их элементов 1.20.001-2007. Утверждено вице-президентом ОАО «РЖД», В.А. Гапанович, М.: 2007, 100 стр.

10. Ромен Ю.С., Орлова А.М., Лесничий В.С. «Состояние ходовых частей подвижного состава и износы в системе колесо-рельс», Вестник ВНИИЖТ, 2/2010, стр. 42

11. ГОСТ 4835-2013 Колесные пары железнодорожных вагонов. Технические условия.

12. Патент №0002616756 от 18.04.2017 «Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали»

13. Ададуров А.С., Тюпин С.В. «Использование акустических сигналов для обнаружения и идентификации дефектов поверхности катания колесных пар», Бюллетень объединенного ученого совета ОАО «РЖД» №5, 2013, стр. 36-48

14. ГОСТ 10791-2011 Колеса цельнокатаные. Техническое условия - М: АО «ВНИИЖТ», дата введения 01.01.2012

15. Дубровин В.И., Клименко В.А «Методы оценки остаточного ресурса.» Математичт машини i системи, №4, ISSN 1028-9763, 2010, с. 162-168.

16. ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика. Термины и определения. -

М:

17. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: «Машиностроение», 1978.240 с., ил. - (Надежность и качество)

18. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике - М:

19. ГОСТ 32192-2013 Надежность в железнодорожной технике. Основне понятия. Термины и определения - М:

20. ГОСТ Р 55612-2013 Контроль неразрушающий магнитный. Термины и определения - М:

21. ГОСТ 56542-2015 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов

22. ГОСТ Р 55724-2013 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые - М:

23. Дубов А.А., Власов В.Т. О новой классификации методов НК с позиции оценки рисков и ресурса оборудования // Диагностика оборудования и конструкций с использованием метода магнитной памяти металла // Четвертая международная научно-техническая конференция. Сборник докладов. -М.: «Энергодиагностика», 2007. - 232 с., (30-31)

24. Сахаров Р.А. «Разработка методики оценки преддефектного состояния металлических конструкций», журнал «Изобретательство», изд-во МИПС (Москва): Т.16 №2, 2016, стр. 23-30

25. Сахаров Р.А., Ватулин Я.С. «Решение задачи технического диагностирования ответственных узлов и деталей оборудования», Юбилейная международная научно-практическая конференция «Транспорт России: проблемы и перспективы - 2015». Сборник статей в 3 томах. - СПб., ФГБУН «Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук», 2015 - 3 т., 98-102 стр.

26. Сахаров Р.А., Ватулин Я.С. «Устройство для магнитометрии» Патент, заявка № 2015126439/28 от 1.07.2015. Решение о выдаче патента 12.08.2015 г.

27. ЦВ-ЦЛ-408 Инструкция по техническому обслуживанию вагонов в эс-кплуатации. - УТВЕРЖДЕНА Советом по железнодорожному транспорту Государств - участников Содружества, Протокол от 21-22 мая 2009 г. № 50, 129 стр.

28. Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию колёсных пар с буксовыми узлами грузовых вагонов магистральных железных дорог клеи 1520 мм (1524 мм), - М., 2012. - 279 с.

29. Конспект лекций Системы технического диагностирования, автоматического управления и защиты: учебное пособие. Часть 1 / ВШТЭ СПбГУПТД. СПб., 2016.-115 с.: ил. 35.

30. Техническая диагностика. Труды 1-го Всесоюзного совещания по технической диагностике. - М.: Наука, 1972.

31. Клюев В.В., Пархоменко П.П., Абрамчук В.Е. и др. Технические средства диагностирования: справочник; под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989.

32. Биргер И.А. Техническая диагностика. - М.: Машиностроение, 1978. - 278 с., ил. - (Надёжность и качество)

33. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика (непрерывные объекты): учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1975.

34. Мозгалевский А.В., Калявин В.П. Системы диагностирования су- до-вого оборудования: учеб. пособие. - Л.: Судостроение, 1987.

35. ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике (ССНТ). Термины и определения

36. Мурадян Л.А., Анофриев В.Г. Исследование действующих условий эксплуатации и анализ причин сокращения ресурса работы железнодорожных колес // Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта им. акад. В. Лазаряна. - Д., 2010, N Вип. 34 -с.206-210

37. Геллер, Ю.А. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. - М.: Металлургия, 1989. - 456 с.

38. Марковец, М.П. Определение механических свойств металла по твердости / М.П. Марковец. - М.: Машиностроение, 1979. - 191 с.

39. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов/И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский; Под ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.

40. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. М.: Машиностроение, 2009, 640 с.

41. Ковалева А.А., Леции ФГБОУ ВПО «СФУ», каф. «Металоведение и термическая обработка металлов» по дисциплине «Специальные стали и сплавы», Красноярск, 2018 г., с. 211 - http://genderis.ru/lekcii-spec-stali.html

42. Дубов А.А. Контроль напряженно-деформированного состояния оборудования и конструкций при оценке остаточного ресурса на объектах промышленности и транспорта - электронный ресурс: http://www.energodiagnostika.ru/app-mmm-sss-inspection.html

43. Крагельский И.Б. и др. Основы расчетов на трение и износ / И.Б. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. -526 с.

44. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. - М.: Металлургия, 1976. - 176 с.

45. Губенко С.И., Жуков Д.А., Иванов И.А. Качество поверхности обода цельнокатаных колес. СПб., изд. ОМ-ПРЕСС, 2003-28 с.

46. Богданов А.Ф., Губенко С.И., Жуков Д.А., Иванов И.А. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства обода цельнокатаного колеса // Кон-

струкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей. Сборник научных трудов / СПб.: ПГУПС, 2009. - с. 15 - 23.

47. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З, Жуховицкий А.А. Термодинамика и кинематика диффузии в твердых телах. - М.: Металлургия, 1974. - 280 с.

48. Защита от водородного износа /под ред. А.А. Полякова. - М.: Машиностроение, 1980, - 135 с.

49.http://www.igic.bas-net.by/attachments/145/chapter7.pdf - диффузионные процессы в твердых телах.

50. http://dssp.petrsu.ru/p/tutorial/ftt/Part3/part3_4_2.htm - законы Фика

51. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / Суслина А.М., Шулов В.А.,Ягодкин Ю.Д. - М.: Машиностроение, 1988. - 240 с., ил.

52. Френкель Я.И., «Введение в теорию металлов», Издание 4-е, издательство «Наука», Ленингр. отд., Л., стр. 424

53. Евдокимов В.Д., Семенов Ю.И. Экзоэлектронная эмиссия при трении. М.: «Наука», 1973 г.

54. Учуваткин Г.Н. Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. М.: «Наука», 1973 г., стр. 35.

55. Бортник Г.И., Матюшенко В. Я. Тезисы докладов и сообщений Всесоюзной научно-технической конференции «Электрохимические процессы при трении и использование их для борьбы с износом», Одесса, 1973 г., стр. 132

56. Матюшенко В.Я., Бортник Г.И., Ханин Д Е., Шпеньков Г.П. Тезисы докладов и сообщений Всесоюзной научно-технической конференции «Электрохимические процессы при трении и использование их для борьбы с износом», Одесса, 1973 г., стр. 157

57. Гаркунов Д.Н., Марков А.А., Голиков Г.А. - В кн.: Теория смазочного действия и новые материалы, М.: «Наука», 1965, стр. 12

58. Крагельский И.В., Щедров В.С. Развитие науки о трении. М.: Издательство Н СССР, 1956

59. Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 160 с., ил. - (Проблемы науки и технического прогресса)

60. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1980.

61. Гордиенко В.Е. Сварные конструкции промышленных зданий, сооружений и строительных машин. Оценка технического состояния с применением пассивного феррозондового метода. - СПб.: СПбГАСУ, 2012. - 315 с.

62. Биргер И.А. Техническая диагностика. - М.: Машиностроение, 1978. - 278 с., ил. - (Надёжность и качество)

63. Системы технического диагностирования, автоматического управления и защиты: учебное пособие. Часть 1 / ВШТЭ СПбГУПТД. СПб., 2016.-115 с.: ил. 35.

64. Ершов Д. Ю. Техническое диагностирование и методы контроля механических узлов в машиностроении // Молодой ученый. — 2013. — №4. — С. 62-64. — URL https://moluch.ru/archive/51/6463/ (дата обращения: 05.03.2018).

65. Банникова, Н.С. Струкутрные, магнитные и магниторезистивные свойства сверхрешеток на основе меди и сплавов 3-d металлов: дис. на соискание ученой степени к.физ.-мат.н.: 01.04.11 / Банникова Наталья Сергеевна. -ФГБУН Институт физики металлов им. М.Н. Михеева, 2016. - 132 с.;

66. Волков Ю.В. Системы технического диагностирования, автоматического управления и защиты: учебное пособие / ВШТЭ СПбГУПТД. СПб., 2017. Часть 2 - 117 с.: ил. 33.

67. ГОСТ 23207-78 «Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения»

68. Терентьев В.Ф., Оксогоев А.А. Циклическая прочность металлических материалов: Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - 61 с.

69. www.impuls-ntd.ru/article_info.php?articles_id=89 - дата обращения 16.07.2015

70. ГОСТ 25.506-85 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении

71. Работнов Ю.Н. Введение в механику разрушения. - М.: Наука, 1978. -

80 с.

72. Качанов Л.М. - Основы механики разрушения. - М.: Наука, Гл. ред. Ф.-М. лит. 1974. - 311 с.

73. Прус Ю.В., Белозеров В.В., Буйло С.И., Марченко А.В., Ветров А.В., Интегральная диагностика как основа мониторинга состояния технических объектов, интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb) Выпуск №6 (декабрь 2009 г.)

74. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики. - М.: УРСС, 2002.

75. Клюев В.В., Фурсов А.С., Филинов М.В. (ЗАО "НИИИН МНПО "Спектр", Москва) Контроль. Диагностика № 3. 2007 18-23 Статья

76. Кузнецов В.И., Барзилович Е.Ю.. Надежность и эффективность в технике. Т. 8 / под ред. В.И. Кузнецова, Е.Ю. Барзиловича. М.: Машиностроение, 1990.

77. Безопасность России. М.: МГФ "Знание", 1998.

78. ГОСТ Р 53006-2008 «Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов»

79. Блох Ю.И. Совместная интерпретация данных магниторазведки и метода незаземленной петли при определении магнитных свойств магнетитовых руд // Известия АН СССР. Физика Земли. 1981. № 11. с. 74-81.

80. Яновский Б.М. О вариациях элементов земного магнетизма в аномальном поле // Труды ГГО. 1938. вып. 17. с. 77-91.

81. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Т. 2. Теоретические основы магнитометрического метода исследования земной коры и геомагнитные измерения. Л: Изд-во ЛГУ. 1963. 461 с.

82. Каменская Т.Я. Определение природы слабых магнитных аномалий с помощью наблюдений суточных вариаций геомагнитного поля // Информаци-

157

онное сообщение ОНТИ ВИЭМС. Сер. регион, разв. и промысл. геофизика. 1966. № 3. с. 3-17.

83. Филатов В.А., Филатова В.Н. Магнитные вариации в аномальном поле // Вопросы рудной геофизики Сибири. Труды СНИИГГИМСа. 1969. Вып. 92. с. 3-18.

84. Ундзенков Б.А. Об эффективности магнитовариационного метода при поисках и разведке магнетитовых руд // Скарново-магнетитовые месторождения Урала. Свердловск: УНЦ АН СССР. 1978. с. 114-139.

85. Терехова Р.В. Использование суточных геомагнитных вариаций для определения природы магнитных аномалий // Геология, магнетизм горных пород и палеомагнетизм Южного Урала. Уфа: Институт геологии БФ АН СССР. 1977. с. 85-93.

86. Мартышко П.С., Пьянков В.А. О единственности решения обратной задачи теории потенциала в методе подмагничивания вращающимся полем (Sq-вариации) // Вопросы теории и результаты применения методов интерпретации и моделирования геофизических полей. Свердловск. 1989. с. 13-18.

87. Берман А.В., Ватулин Я.С., Коровин С.К. Магнитоакустический мониторинг подъемных сооружений. - СПб.: «Издательство ОМ-Пресс», 2010 - 340 с.: ил. 156, табл. 3

88. Блох Ю. И. Интерпретация гравитационных и магнитных аномалий. Учебное пособие. М., 2009. http://sigma3d.eom/content/view/24/2/.

89. Светов Б.С. Основы геоэлектрики. М: Издательство ЛКИ. 2008. 656 с.

90. Финкельштейн М.И. О влиянии электропроводности на магнитова-риационный эффект // Земная кора Казахстана. Труды Института геологических наук АН КазССР. т. 30. Алма-Ата. 1971. с. 77-81.

91. Бараночников М. Л. Магниторезисторы / М. Л. Бараночников // Радио. - 1994. - № 7. - С. 42.

92. Ward S.H. Unique determination of conductivity, susceptibility, size and depth in multifrequency electromagnetic exploration // Geophysics. 1959. v. 24. No. 3. p. 531-546.

93. Одинг И.Л. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М., Машгиз, 1962. 260 с.

94. Справочник по кранам в трех томах. Под ред. А.И. Дукельского. МЛ., Машгиз, т.1, 1962. 455 с., т.2 1962. 351 с.

95. Шор Я.Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. М. Изд-во «Советсткое радио», 1962. 552 с.

96 Игнатьев В.К., Станкевич Д.А., Датчик для дефектоскопии стальных стрежней, Патент РФ на полезную модель №119117, G01N 27/82, опубл. 10.08.2012

97 Бакунов А.С., Курозаев В.П., Мужицкий В.Ф., Самокрутов А.А., Магнитометр дефектоскопический, Патент РФ на изобретение №2193190, G01N 27/82, G01R 33/02, опубл. 20.11.2002

98 Чубраева Л.И., Шишлаков В.Ф., Орлов А.Р., Житкова С.В., Туруба-нов М.А., Устройство для измерения параметров магнитного поля, Патент РФ на полезную модель №93539, G01N27/82, G01R33/02, опубл. 27.04.2010 г.

99 Datasheet - production data, Ultra-compact high-performance eCompass module: 3D accelerometer and 3D magnetometer - // http ://www.st.com/stwebui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/ DM00027543.pdf - дата обращения 15.03.2015

100 Datasheet - production data, iNEMO inertial module: 3D accelerometer, 3D gyroscope, 3D magnetometer //http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/DM00103319. pdf - дата обращения 15.03.2015

101 Datasheet - production data, MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.4 - // http://www.invensense.com/mems/gyro/documents/PS-MPU-6000A-00v3.4.pdf - дата обращения 15.03.2015

102 Рекомендация МСЭ-Т G.810 «Определения и терминология для сетей синхронизации», 1996 г., 9 стр.

103 Datasheet - production data, Arduino Nano, User manual - // http://site.gravitech.us/Arduino/NAN030/Arduino_Nano3_0.pdf - дата обращения 15.03.2015.

104 Сахаров Р.А., Ватулин Я.С., Программа для работы с устройством для магнитометрии, патент РФ на программу №2018616843 от 07.06.2018.

105 Методические указания к курсовому проекту «Прогнозирование технического состояния объекта с использованием аналитических методов» -СПб.: Типография ПГУПС, 2009.

106 Грешилов А. А., Стакун В. А., Стакун А. А. Математические методы построения прогнозов. — М.: Радио и связь, 1997 г., 112 с.

107 Сахаров Р. А., Ким К. К., Урушев С. В. Анализ остаточного технического ресурса железнодорожных колес // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17, вып. 3. - С. 437-442. DOI: 10.20295/1815-588Х-2020-1-437-442

108 Брауде В.И. Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин. —Л.: Машиностроение, 1978. -153 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Виды неисправностей по классификатору

Таблица А.1

Код неис-

прав- Наименование неисправности

ности

1 Износы

1.1 Колеса

111 Равномерный прокат

112 Неравномерный прокат

113 Износ гребня

114 Вертикальный подрез гребня

115 Тонкий обод

116 Кольцевые выработки

117 Поражение поверхности катания колеса электрическим током (рифление)

1.2 Оси

121 Задиры и риски на подступичных частях оси

122 Задиры и риски на шейках и предподступичных частях оси

123 Протертость на средней части оси

124 Коррозионные повреждения на шейках и галтелях оси

125 Износ шейки оси из-за проворота внутреннего кольца

2 Термомеханические повреждения

2.1 Колеса

211 Навар

212 Ползун

2.2 Оси

221 Сварочные ожоги

3 Механические повреждения, вызывающие деформациюи нарушение сборки

3.1 Колеса

311 Остроконечный накат гребня

312 Круговой наплыв на фаску

313 Местное уширение обода

3.2 Оси

321 Намины на шейке оси от внутреннего кольца подшипника

322 Забоины и вмятины более допустимых размеров

323 Повреждение центрового отверстия

324 Повреждение резьбы М110х4 осей РУ1

325 Повреждение резьбы М12 осей РУ1 и М20 осей РУ1Ш

326 Обрыв болтов М12 осей РУ1 и М20 осей РУ1Ш

3.3 Колесные пары

331 Сдвиг колеса на оси

332 Изгиб оси колесной пары

4 Нарушение сплошности металла эксплуатационного происхождения

4.1 Колеса

411 Трещина в диске около обода колеса

412 Термические трещины на поверхности катания обода колеса

4.2 Оси

421 Трещины в подступичной части оси

422 Трещины на шейках и предподступичных частях оси

423 Трещины в галтелях шеек и предподступичных частей оси

5 Нарушение сплошности металла технологического происхождения

5.1 Колеса

511 Продольные трещины, плены, расслоения и неметаллические включения в ободе колеса

512 Закат или складка металла в диске колеса

513 Поперечная трещина на поверхности катания обода колеса

514 Трещина в ступице колеса

515 Трещины в диске около ступицы колеса

516 Радиальная трещина колеса

517 Трещина гребня колеса

5.2 Оси

521 Поперечные и наклонные трещины на средней части оси

522 Продольные и наклонные трещины на средней части оси

6 Разрушение в виде выкрашивания металла и откола отдельных ча-

стей

6.1 Колеса

611 Выщербины по светлым пятнам, ползунам, наварам

612 Выщербины по усталостным трещинам

613 Выщербины по термическим трещинам на поверхности ката-

ния обода колеса

614 Откол наружной боковой поверхности обода колеса

615 Откол кругового наплыва наружной боковой поверхности

обода колеса

616 Откол гребня колеса

6.2 Оси

621 Разрушение напыленного слоя восстановленной шейки оси

7 Разрушение в виде излома

7.1 Колеса

711 Излом колеса по трещине у ступицы

712 Излом колеса по трещине у обода

713 Излом гребня

714 Излом обода колеса в окружном направлении

7.2 Оси

721 Излом оси из-за развития трещины в шейке

722 Излом оси из-за развития трещины в предподступичной части

723 Излом оси из-за развития трещины в подступичной части

724 Излом оси из-за развития трещины в средней части

725 Излом шейки оси из-за перегрева буксового узла

8 Нарушение геометрического параметра

8.1 Колеса

811 Ширина обода колеса менее допустимой величины

8.2 Оси

821 Маломерность оси по диаметрам шейки, предподступичной, подступичной и средней частей

822 Нарушение геометрических параметров резьбовых отверстий М20 в осях РУ1Ш

8.3 Колесные пары

831 Расстояние между внутренними боковыми поверхностями ободов колес не соответствует допустимым размерам

9 Нарушение отклонений формы и расположения поверхностей

9.1 Колеса

911 Овальность и отклонение от концентричности по кругу катания колес более допустимых размеров

9.2 Оси

921 Овальность шейки и предподступичной части оси более допустимых размеров

922 Конусообразность шейки оси более допустимых размеров

9.3 Колесные пары

931 Разность расстояний между внутренними боковыми поверхностями ободов колес более допустимых размеров

932 Разность диаметров колес в колесной паре более допустимых размеров

Динамика изменения причин обточек вагонных КП в % от общего количества обточек (с 2000 по 2007 г. включительно согласно статитстическим данным АО «ВНИИЖТ») Таблица А.2

Причины обточек Год

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Выщерблины 31,1 35,1 35,1 35,5 36,9 37,4 38,7

Ползуны 20,3 21,5 15,8 15,6 14,5 14,3 15,0

Навары 4,2 4,7 5,3 4,3 4,2 4,2 3,8

Кольцевые выработки 0,4 0,6 1,9 2,0 2,2 2,3 2,1

Тонкий гребень 30,0 24,4 26,7 28,2 28,0 28,0 27,5

Подрез гребня 3,9 4,5 5,4 4,8 5,1 4,9 4,4

Остроконечный накат 4,8 4,6 4,8 4,9 4,8 4,4 4,1

Прокат 1,9 1,6 2,3 1,9 1,5 1,5 1,3

Неравномерный прокат 1,3 1,3 1,2 1,1 1,1 1,1 1,2

Прочие 1,9 1,7 1,5 1,7 1,7 1,9 1,9

Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

Рис. А.1 - Средние статистические данные за 2010-2011 год о наличии дефектов обода по ППК ВКП (КП2 - колесные пары марки 2, КПТ - колесные пары марки Т - повышенной твердости)

Рис. А.2 - Расположение ползунов и выщерблин на КП (КП2 - колесные пары марки 2, КПТ - колесные пары марки Т - повышенной твердости)

14, 00% 12 00% 10, 00% 8, 00% 3? 6, 00% 4,00% 2,00% 0,00% -200%

Рис. А.3 - Сравнение размеров ползунов

(КП2 - колесные пары марки 2, КПТ - колесные пары марки Т - повышенной твердости)

Результаты сравнительных испытаний стандартных и опытных колес на износостойкость Таблица А.3

Показатель Стдль марки «2* Сталь марки «Б»

абс. абс. отн,, %

на злубине 7 мм

Износостойкость, мм 11,75 25,0 +112,8

Средняя интенсивность изнашивания на начальном этапе испытания, (мм/об)*103 85,13 40,0 -53.0

Максимальный износ за время испытания, мм 13.71 а ,87 -35,3

на алубиме 25 мм

Износостойкость, мм'1 10,36 22,06 +112,9

Средняя интенсивность изнашивания на начальном этапе испытания, (мм/оС)х10"3 96,50 45,ЭЗ -53,0

Максимальный износ за время испытания, мм 14,95 10,53 -29.5

Показатель Сталь марки «Т» Сталь марки «Б*

абс. абс. отн%

на ¿лубине 7 мм

Износостойкость, мм' 17,09 25,0 +46,3

Средняя интенсивность изнашивания на начальном этапе испытания, (мм/об)х10'1 58,5 40,0 ■31,6

Максимальный износ за время испытания, мм 10,41 8,87 -14.9

на глубине 25 мм

Износостойкость, мм1 14,02 22,06 +57,4

Средняя интенсивность изнашивания на начальном этапе испытания, (мм/об>*10э 71,33 45,33 -36.5

Максимальный износ за время испытания, мм 12,0 10,53 -12,2

Результаты сравнительных испытаний стандартных и опытных колес на контактно-усталостную выносливость Таблица А.4

Показатель Марка колесной стали

2 Т Л Б

абс. абс. отн.,% абс. отн.,% абс. отн.,%

на глубине 7 мм

Предел контактно-усталостной выносливости, циклов X 10е 1,384 1,711 +23,6 1,548 +11,9 2,045 +47,8

на глубине 25 мм

Предел контактно-усталостной выносливости, циклов х 10е 1,091 1,375 +26,0 1,317 +2,07 1,710 +57,5

на глубине 37 мм

Предел контактно-усталостной выносливости, циклов к 10* 0,742 0,976 +31,5 0,924 +24,5 1,435 +93,4

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Рис.Б.1 - Схемы элементарных ячеек и кластеров: а) для ОЦК решетки, б) для ГЦК решетки, в) для ГПУ решетки.

■ 1 1 А 1

1 /Л

fJ Гс> - VOUK' ,шк, / ^ /щ

- 1\ Г ' Ь г/ (ОЦК)

v/V. г* 1 1 -I

911350 Ю50 1150 1250 1550159? т-'с

Рис. Б.2 - Температурная зависимость скорости ползучести и п чистого железа (Л. Н. Быстров, Л.И. Иванов, Д.А. Прокошкин)

Таблица Б.1

Диффузионные характеристики для металлических систем [23]

Растворенное вещество Растворитель D (м2/с) Q (кДж/моль)

1 Углерод ГЦК железо 20 10-6 142

2 Углерод ОЦК железо 220 10-6 122

3 Железо ГЦК железо 22-10-6 268

4 Железо ОЦК железо 200 10-6 240

5 Никель ГЦК железо 77-10"6 280

6 Магний ГЦК железо 3510-6 282

7 Цинк Медь 3410-6 191

8 Медь Алюминий 15 10-6 126

9 Медь Медь 20 10-6 197

10 Серебро Серебро 40 10-6 184

11 Углерод Гексагональный титан 51110-6 182

Рисунок Б.3 - Изменение степени деформации зерен поперек 81 и в направлении качения 82, микротвердости Н^ и глубины зоны пластической деформации h по ширине обода колеса

Таблица Б.2

Зависимости между ов и НВ для различных металлов [10]

Материал (Тв, МПа Материал ------Ч. * £гвt МПа

Сталь твердостью Алюминий и алю-

НВ: миниевые сплавы

- 120-175; 3,4 НВ твердостью НВ:

175—450 3,5 НВ - 20 45 (3,3-3,6) НВ

Мель, лмунь, Дюралюмнн:

брата: - отожженный; 3,6 НВ

- отожженнад; 5,5 НВ - после закалки и 3,5 НВ

- наклепанная 4,0 НВ старения

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Таблицы коэффициента к, учитывающего зависимость частоты дискретизации устройства от частоты вращения колеса для каждого миллиметра рабочего слоя ППК ЦКГВ

925 мм

926 мм

927 мм

929 мм

930 мм

931 мм

933 мм

934 мм

935 мм

937 мм

938 мм

939 мм

941 мм

942 мм

943 мм

945 мм

946 мм

947 мм

949 мм

950 мм

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Г1. Акт об использовании результатов диссертационной работы

ОАО «РЖД» ОКТЯБРЬСКИЙ ЦЕНТР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И БИБЛИОТЕК

г. Санкт-Петербург, 190005. Набережная Обводного канала, д. 114 Тел.: (812) ¿.36-43-94 Факс: [phone]

«16» марта 2020г. № ИСХ-472/01 ОЦНТИБ

Основные тезисы диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация, на тему: «Техническое диагностирование профиля поверхности катания железнодорожных колес в процессе эксплуатации»» были представлены Сахаровым Романом Александровичем для проведения практических испытаний.

Устройство для магнитометрии с целью оценки критических состояний структурной неоднородности металла профиля поверхности катания железнодорожных колесных пар. изготовленное для проверки результатов диссертационной работы Сахарова Романа Александровича было апробировано на натурных объектах (колеса подвижного состава железных дорог вагонные и локомотивные) в Инженерном центре ОЦНТИБ Октябрьской железной дороги филиала ОАО «РЖД».

Результаты исследований коррелируют с дефектами, имеющимися на поверхностях катания и боковых гранях исследованных колесных пар, что подтверждает теоретические предположения диссертационной работы. Методика оценки критических состояний структурной неоднородности металла профиля поверхности катания железнодорожных колесных пар позволяет выявить недопустимые дефекты на ранней стадии развития в режиме движения поезда.

Отчет о проведенных испытаниях прилагается.

Акт

об использовании результатов диссертационной работы Сахарова Романа Александровича

$

Начальник центра

С.В.Стрельцова

рл»Э

Исп. Клудзинв О.Б.. ОЦНТИБ тел .[phone]

Г2. Акт об использовании результатов диссертационной работы

Научно-техническая комиссия в составе:Королева И.Н, Попова Д.А.

составила настоящий акт о том, что при разработке робота осмотрщика вагонов были использованы результаты, полученные в диссертационной работе Сахарова P.A. на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация, на тему: «Техническое диагностирование профиля поверхности катания железнодорожных колес в процессе эксплуатации»:

1. Методика оценки критических состояний структурной неоднородности металла профиля поверхности катания железнодорожных колес.

2. Методика расчета остаточного технического ресурса железнодорожных колес, учитывающая результаты оценки критических состояний структуры металла профиля поверхности катания колес при оперативном техническом диагностировании.

3. Разработанное устройство для оперативного технического диагностирования, позволяющее производить оценку структурной неоднородности металла профиля поверхности катания железнодорожных колес.

Комиссия отметила практическую значимость и перспективность полученных результатов, а также широкую область применения разработанных методики оценки критических состояний структурной неоднородности металла профиля поверхности катания железнодорожных колес и устройства для ее применения.

Председатель комиссии:

УТВЕРЖДАЮ

АКТ

об использовании результатов лисссртационной работы Сахарова Романа Александровича

Королев.И.Н

Попов Д.А.

Г3. Листинг программы в программном комплексе Malab по обработке результатов измерений магнитной индукции В по ППК ЦКГВ

clc;

clear all;

Fs = 512; % Sampling frequency T = 1/Fs; % Sampling period

L = 501; % Length of signal

t = (0:L-1)*T; % Time vector

[Name,Pth] = uigetfile ('*^','Выберите файл данных'); fprintf(strcat('Bbi6paH файл\t',Name,' \n')); fid=fopen(stcat(Pth,Name)); m=fgetl(fid); i=1;

while ~(feof(fid)) m=fgetl(fid); if ~isempty(m) m=strrep(m,',','.'); a(i,:)=str2num(m); i=i+1; end end

fclose(fid);

%Задание имен столбцам данных sig1=a(:,1); e=a(:,2); sig2=a(:,2); n=a(:,3); sig3=a(:,3); v=a(:,1);

figure(1);

subplot(3,1,1); plot(sig1); grid on; title('standard magnitometer abstr X'); yla-bel('Magnitude')

subplot(3,1,2); plot(sig2); grid on; title('standard magnitometer abstr Y'); yla-bel('Magnitude')

subplot(3,1,3); plot(sig3); grid on; title('standard magnitometer abstr Z'); yla-bel('Magnitude')

figure(2);

subplot(3,1,1); mesh(a); colorbar; grid on; title('3d представление'); yla-bel('Magnitude')

subplot(3,1,2); contour(a); colorbar; grid on; title('3d представление'); yla-bel('Magnitude')

subplot(3,1,3); contour(a); colorbar; grid on; title('3d представление'); yla-bel('Magnitude')

figure(3);

subplot(3,1,1); Y1 = fft(sigl); P2 = abs(Y1/L); P1 = P2(1:L/2+1); P1(2:end-1) = 2*P1(2:end-1); f = Fs*(0:(L/2))/L;

plot(f,P1); title('Single-Sided Amplitude Spectrum of X(t)'); xlabel('f (Hz)'); yla-bel(,|P1(f}|'); legend('Amplitude Spectrum X')

subplot(3,1,2); Y1 = fft(sig2); P2 = abs(Y1/L); P1 = P2(1:L/2+1); P1(2:end-1) = 2*P1(2:end-1); f = Fs*(0:(L/2))/L;

plot(f,P1); title('Single-Sided Amplitude Spectrum of Y(t)'); xlabel('f (Hz)'); yla-bel('|P1(f)|'); legend('Amplitude Spectrum Y')

subplot(3,1,3); Y1 = fft(sig3); P2 = abs(Y1/L); P1 = P2(1:L/2+1); P1(2:end-1) = 2*P1(2:end-1); f = Fs*(0:(L/2))/L;

plot(f,P1); title('Single-Sided Amplitude Spectrum of Z(t)'); xlabel('f (Hz)'); yla-bel('|P1(f)|'); legend('Amplitude Spectrum Z')

figure(4);

subplot(3,3,1), f_e = ksdensity(e); plot(f_e,'r.-.'); grid on; title('accel X'); yla-bel('density'); s1 = std(e)

subplot(3,3,2), f_n = ksdensity(n); plot(f_n,'b.-.'); grid on; title('accel Y'); yla-bel('density'); s2 = std(n)

subplot(3,3,3), f_v = ksdensity(v); plot(f_v,'g.-.'); grid on; title('accel Z'); yla-bel('density'); s3 = std(v)

figure(5);

title('standard accelerometer spectrogram');

subplot(3,1,1); spectrogram(sig1,kaiser(256,5),220,512,Fs,'xaxis'); [P1,f1 ] = peri-odogram(sig 1,[],[],Fs,'power');

subplot(3,1,2); spectrogram(sig2,kaiser(256,5),220,512,Fs,'xaxis'); [P2,f2] = peri-odogram(sig2,[],[],Fs,'power');

subplot(3,1,3); spectrogram(sig3,kaiser(256,5),220,512,Fs,'xaxis'); [P3,f3] = peri-odogram(sig3,[],[],Fs,'power');

figure(6);

subplot(3,1,1); plot(f1,P1,'k'); grid on; title('Power Spectrum'); ylabel('P_1'); xla-bel('Frequency (Hz)')

subplot(3,1,2); plot(f2,P2,'k'); grid on; title('Power Spectrum'); ylabel('P_2'); xla-bel('Frequency (Hz)')

subplot(3,1,3); plot(f3,P3,'k'); grid on; title('Power Spectrum'); ylabel('P_3'); xla-bel('Frequency (Hz)')

figure(12);

delt = 1/1; t = delt*(1 :length(e))'; k = length(t); edot = cumsum(e)*delt; edot = edot - mean(edot); ndot = cumsum(n)*delt; ndot = ndot - mean(ndot); vdot = cumsum(v)*delt; vdot = vdot - mean(vdot); epos = cumsum(edot)*delt; epos = epos - mean(epos); npos = cumsum(ndot)*delt; npos = npos - mean(npos); vpos = cumsum(vdot)*delt; vpos = vpos - mean(vpos);

subplot(1,1,1); cla; subplot(2,2,1) plot(npos,vos,'b');

na = max(abs(npos)); na = 1.05*[-na na];

ea = max(abs(epos)); ea = 1.05*[-ea ea];

va = max(abs(vpos)); va = 1.05*[-va va];

axis([na va]); xlabel('X_Accel'); ylabel('Z_Accel');

nt = ceil((max(t)-min(t))/6); k = find(fix(t/nt)==(t/nt))';