📄Работа №201406
Тема: АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ С ШЕЙКАМИ ОСЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Физика
Объем:
147 листов
Год:
2022
Просмотров:
61
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 4
1 Анализ современного состояния неразрушающего контроля неподвижных
разъемных прессовых соединений с натягом 10
1.1 Особенности конструкции и характеристики прессовых разъемных
соединений с натягом на железнодорожном транспорте 10
1.2 Методы контроля механических напряжений с использованием
акустоупругости 20
1.3 Акустические методы контроля состояния контактирующих поверхностей
прессовых соединений 29
1.4 Выводы к первой главе 37
2 Экспериментальные исследования прессовых соединений методом
акустоупругости 39
2.1 Испытательное оборудование 39
2.2 Контроль продольными волнами 43
2.3 Контроль поверхностными волнами 59
2.4 Выводы ко второй главе 66
3 Исследования прессовых соединений эхо-методом и методом свободных
колебаний 69
3.1 Закономерности взаимодействия волны с границей прессового соединения
для оценки плотности посадки 69
3.2 Исследование спектральных и временных характеристик свободных колебаний прессовых соединений с натягом колец подшипников и шеек осей
колесных пар 84
3.3 Выводы к третьей главе 96
4 Разработка критериев плотности посадки колец подшипников на шейку оси колесной пары интегрально-резонансным методом акустического контроля 99
4.1 Функциональная схем прибора УДС1-СИН 99
4.2 Стандартные образцы для калибровки и проверки работоспособности
прибора 103
4.3 Методика и критерии браковки плотности прилегания кольца подшипника
к шейке оси 112
4.4 Программное обеспечение для работы с прибором УДС1-СИН 119
4.5 Выводы к четвертой главе 122
Заключение 124
Список литературы 128
Приложение А Акт внедрения ООО «НВК» 144
Приложение Б Акт внедрения ОАО «ВРК-1» 145
1 Анализ современного состояния неразрушающего контроля неподвижных
разъемных прессовых соединений с натягом 10
1.1 Особенности конструкции и характеристики прессовых разъемных
соединений с натягом на железнодорожном транспорте 10
1.2 Методы контроля механических напряжений с использованием
акустоупругости 20
1.3 Акустические методы контроля состояния контактирующих поверхностей
прессовых соединений 29
1.4 Выводы к первой главе 37
2 Экспериментальные исследования прессовых соединений методом
акустоупругости 39
2.1 Испытательное оборудование 39
2.2 Контроль продольными волнами 43
2.3 Контроль поверхностными волнами 59
2.4 Выводы ко второй главе 66
3 Исследования прессовых соединений эхо-методом и методом свободных
колебаний 69
3.1 Закономерности взаимодействия волны с границей прессового соединения
для оценки плотности посадки 69
3.2 Исследование спектральных и временных характеристик свободных колебаний прессовых соединений с натягом колец подшипников и шеек осей
колесных пар 84
3.3 Выводы к третьей главе 96
4 Разработка критериев плотности посадки колец подшипников на шейку оси колесной пары интегрально-резонансным методом акустического контроля 99
4.1 Функциональная схем прибора УДС1-СИН 99
4.2 Стандартные образцы для калибровки и проверки работоспособности
прибора 103
4.3 Методика и критерии браковки плотности прилегания кольца подшипника
к шейке оси 112
4.4 Программное обеспечение для работы с прибором УДС1-СИН 119
4.5 Выводы к четвертой главе 122
Заключение 124
Список литературы 128
Приложение А Акт внедрения ООО «НВК» 144
Приложение Б Акт внедрения ОАО «ВРК-1» 145
📖 Аннотация
В данной работе разработаны и исследованы акустические методы контроля качества прессовых соединений внутренних колец буксовых подшипников с шейками осей колесных пар железнодорожного подвижного состава. Актуальность исследования обусловлена критической важностью надежности данных соединений для безопасности движения, поскольку ослабление посадки из-за технологических нарушений или эксплуатационных факторов может привести к провороту кольца, разрушению оси и тяжелым авариям. Основные результаты включают обоснование и разработку способа контроля упругих механических напряжений в кольцах акустоупругим методом с использованием продольных и поверхностных волн, создание аттестованного испытательного стенда и специализированного хордового преобразователя, а также предложение математической модели, устанавливающей зависимость изменения времени распространения ультразвука от уровня напряжений. Научная значимость заключается в развитии методик акустической тензометрии для цилиндрических деталей, а практическая — в создании инструментальной базы для внедрения достоверного неразрушающего контроля в депо, что позволит отказаться от необоснованной распрессовки годных узлов, снизив затраты на ремонт и повысив эксплуатационную безопасность. Теоретической основой работы послужили исследования в области акустоупругости и акустической тензометрии, отраженные в трудах таких авторов, как В.А. Анисимов, Г.А. Буденков, В.М. Бобренко и С.Э. Бабкин.
📖 Введение
Актуальность темы исследования. Упругие механические напряжения и деформации играют определяющую роль в безопасной эксплуатации и безотказной работе объектов железнодорожного транспорта. Один из наиболее ответственных элементов подвижного состава - буксовый узел - способен работать только в условиях надежного неподвижного разъемного соединения внутреннего кольца подшипника с шейкой оси. Данный вид соединения обеспечивается силами трения, достаточный уровень которых зависит от упругих механических напряжений в кольце подшипника. Слабая посадка или ее ослабление под воздействием высоких температур и коррозии способны привести к провороту кольца на шейке оси, заклиниванию буксового узла, разрушению оси, сходу, аварии или крушению подвижного состава. В вагонном и локомотивном хозяйствах отказ прессового соединения подшипниковых узлов приводит к нарушению графика движения, затратам на восстановительный ремонт и задержкам поездов. Необходимость обеспечения безопасности движения определяется потребностью предприятий железнодорожной отрасли в достоверных методах и специализированных приборах контроля качества посадки внутренних колец подшипников на оси колесных пар вагонов.
Степень разработанности темы исследования. Для контроля соединений и оценки уровня механических напряжений в материале деталей в производственных условиях наиболее перспективными являются акустические методы, основанные на взаимодействии ультразвуковых волн с материалом объекта контроля. В отличие от традиционной тензометрии, поляризационно-оптических, рентгеноструктурных, магнитных и других методов, акустический менее чувствителен к изменению химического состава и структуры материала. В работах Мурнагана, М. Био, Л. Бриллюэна, Л.Д. Ландау, Р. Грина, Р. Ривлина сформулированы основные положения нелинейной теории упругости, разработан математический аппарат для тензорного описания закономерностей распространения упругих волн в однородных напряженных средах. В работах авторов Bach F., Pao Y.-H., Sachse W., Fukuoka H., Бобренко В.М., Буденкова Г.А., Вангели М.С., Гузя А.Н., Куценко А.Н., Махорта Ф.Г., Недзвецкой О.В., Никитиной Н.Е., Муравьева В.В. сформулированы основные возможности и ограничения метода акустоупругости, предложены способы определения скорости распространения ультразвуковых волн, методы измерения упругих напряжений и оценки остаточных напряжений в ответственных элементах конструкций, в том числе в железнодорожных объектах: рельсах и бандажах локомотивных колес.
Использование традиционного ультразвука и метода свободных колебаний для диагностики и оценки состояния соединений получили свое развитие в работах Буденкова Г.А., Иванникова В.П., Муравьева В.В., Кузьбожева А. С., Коробова А.И., Карпова И.Г., Снежкова И.И. и др. Разработаны способы контроля, предложены измеряемые характеристики и критерии обнаружения дефектов.
Некоторые вопросы, имеющие принципиальное значение для создания приборов и методов контроля прессовых соединений колец подшипников, проработаны недостаточно. Отсутствуют схемы прозвучивания цилиндрических объектов с ограниченным доступом к плоским торцам и акустоупругие модели прозвучивания с цилиндрических поверхностей продольными и поверхностными волнами. Не установлены закономерности влияния состояния границы «кольцо- ось» на резонансные характеристики колец, частотный спектр и параметры диссипации энергии свободных колебаний.
Цель исследования - разработать способы акустического контроля прессовых соединений внутренних колец подшипников с осями колесных пар для повышения надежности буксовых узлов в эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) экспериментально и теоретически определить возможности и разработать способ определения механических напряжений кольца подшипника, устанавливаемого на шейку оси с натягом, акустоупругим методом при прозвучивании продольными и поверхностными волнами;
2) разработать методику ультразвукового контроля толщины переходного слоя, обусловленного шероховатостью, овальностью и конусностью сопрягаемых поверхностей кольца подшипника и шейки оси, основанную на анализе закономерностей изменения амплитуды многократно отраженных продольных волн от границы прессового соединения;
3) установить закономерности распределения свободных колебаний в прессовых соединениях, определить спектральный состав собственных колебаний и характеристики их затухания в зависимости от условий сопрягаемых поверхностей;
4) разработать критерии браковки прессовых соединений колец подшипников с шейкой оси колесной пары интегрально-резонансным методом для обнаружения неплотностей посадки при плановых видах ремонта.
Объект исследования - акустические методы контроля.
Предмет исследования - методики акустического контроля прессовых соединений внутренних колец подшипников с шейками осей колесных пар.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) разработана модель распространения продольных волн при хордовом прозвучивании колец подшипников, устанавливающая связь времени распространения с механическими напряжениями, вызванными прессовой посадкой, и учитывающая изменение угла между направлением распространения и осью главных напряжений;
2) предложена модель формирования серии переотраженных импульсов продольной волны от цилиндрической границы раздела сред, устанавливающая зависимость коэффициента ослабления амплитуды от толщины переходного слоя и позволяющая уменьшить влияние на результаты измерений акустических характеристик материала, формы и размеров колец, состояния поверхности ввода;
3) установлены закономерности, связывающие частотный спектр и декременты затухания свободных колебаний колец подшипников с граничными условиями: свободное кольцо, кольцо на оси с натягом, кольцо на валу, кольцо на оси с воздушным зазором и зазором, заполненным смазочным материалом;
4) разработан способ обработки результатов измерений первичных сигналов интегрально-резонансным методом и критерий предельного состояния соединения по условию неплотности сопряжения.
Теоретическая значимость работы. Разработанная методика оперативного контроля механических напряжений в кольцах подшипников в процессе прессовой посадки методом акустоупругости с погрешностью 8% при прозвучивании продольными волнами, 5% - поверхностной волной расширяет возможности ультразвукового метода для объектов цилиндрической формы и дополняет знания об акустоупругих коэффициентах для стали ШХ15.
Установленные закономерности свободных и вынужденных колебаний, в том числе модовый состав, поляризация, параметры затухания и изменения амплитуды колебаний во времени повышают информативность акустических методов: собственных частот и интегрально-резонансных.
Практическая значимость работы. Способ контроля толщины переходного слоя кольца подшипника и оси, заполненного смазочными материалами, позволяет обнаружить локальные участки с недопустимой шероховатостью и дефектами поверхностей прессовых соединений. На основе способа разработана методика контроля паяных соединений при ремонте мостовых сооружений в эксплуатации, закрепленная документально в патенте RU 2739385 от 14.05.2020 г. Методика утверждена в ОАО «РЖД» и внедрена в технологический процесс ремонта мостов компанией ООО «СибНИТ».
Критерии браковки интегрально-резонансным методом реализованы в приборе УДС1-СИН, используемом для контроля колесных пар при среднем ремонте для обнаружения проворота внутренних колец подшипников на шейках осей колесных пар. Прибор внедрен в эксплуатацию в вагонных ремонтных депо ОАО «ВРК-1» (Приложение А) и ООО «НВК» (Приложение Б).
Методология и методы исследования. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, ультразвуковой, визуальный и измерительный, магнитопорошковый методы, методы свободных и вынужденных (интегрально-резонансный) колебаний. Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики (максимального правдоподобия и наименьших квадратов), корреляционного анализа. Моделирование выполнялось аналитически и методом конечных элементов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Способ определения механических напряжений кольца подшипника, устанавливаемого на шейку оси с натягом акустоупругим методом при хордовом прозвучивании продольными и многократно прошедшими поверхностными волнами.
2. Методика контроля толщины переходного слоя, обусловленного шероховатостью и дефектами сопрягаемых поверхностей кольца подшипника и шейки оси, основанная на анализе закономерностей изменения амплитуды продольных волн, многократно отраженных от границы соединения.
3. Экспериментально-расчетный способ исследования свободных колебаний прессовых соединений, позволяющий определить спектральный состав собственных колебаний, установить соответствие спектров и характер распределения колебаний (модовый состав), определить характеристики затухания.
4. Критерии браковки прессовых соединений колец подшипников с шейкой оси колесной пары по условию ослабления посадки интегрально-резонансным методом, основанные на зависимости декремента затухания колебаний от периода вынужденных затуханий.
Достоверность результатов работы обеспечивается корректностью постановки задач, физической обоснованностью полученных экспериментальных данных и моделей, применением современных и метрологически обеспеченных измерительных приборов и общепринятых стандартизированных методов обработки результатов. Достоверность подтверждается непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, совпадением экспериментальных данных с расчетами методом конечных элементов и с опубликованными данными других авторов.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVI Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке - 2020. Интеграция науки, образования и
производства» (г. Ижевск, 2-4 декабря 2020 г.); XI Международной научнотехнической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 12-13 ноября 2020 г.); IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (г. Омск, 29-30 октября 2020 г.); XXIII Петербургской научно-технической конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлов и перспективных материалов» УЗДМ-2019 (г. Санкт- Петербург, пос. Репино, 28-31 мая 2019 г.); X Международной научнотехнической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 15-16 ноября 2018 г.).
Личный вклад автора. Выбор направлений и методов исследований, способов обработки и представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений. Автор определил цель и задачи исследования, провел экспериментальные исследования, проанализировал и выполнил математическую обработку результатов, сделал анализ, сформулировал выводы и написал диссертацию.
Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных
работах.
По результатам работы опубликованы 13 статей в научных изданиях, в том числе 2 статьи в изданиях, индексируемых в SCOPUS и WoS, 1 статья в издании из Перечня ВАК, получено 2 патента РФ на изобретения и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Диссертация подготовлена в результате исследования, выполненного при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-9001619.
Степень разработанности темы исследования. Для контроля соединений и оценки уровня механических напряжений в материале деталей в производственных условиях наиболее перспективными являются акустические методы, основанные на взаимодействии ультразвуковых волн с материалом объекта контроля. В отличие от традиционной тензометрии, поляризационно-оптических, рентгеноструктурных, магнитных и других методов, акустический менее чувствителен к изменению химического состава и структуры материала. В работах Мурнагана, М. Био, Л. Бриллюэна, Л.Д. Ландау, Р. Грина, Р. Ривлина сформулированы основные положения нелинейной теории упругости, разработан математический аппарат для тензорного описания закономерностей распространения упругих волн в однородных напряженных средах. В работах авторов Bach F., Pao Y.-H., Sachse W., Fukuoka H., Бобренко В.М., Буденкова Г.А., Вангели М.С., Гузя А.Н., Куценко А.Н., Махорта Ф.Г., Недзвецкой О.В., Никитиной Н.Е., Муравьева В.В. сформулированы основные возможности и ограничения метода акустоупругости, предложены способы определения скорости распространения ультразвуковых волн, методы измерения упругих напряжений и оценки остаточных напряжений в ответственных элементах конструкций, в том числе в железнодорожных объектах: рельсах и бандажах локомотивных колес.
Использование традиционного ультразвука и метода свободных колебаний для диагностики и оценки состояния соединений получили свое развитие в работах Буденкова Г.А., Иванникова В.П., Муравьева В.В., Кузьбожева А. С., Коробова А.И., Карпова И.Г., Снежкова И.И. и др. Разработаны способы контроля, предложены измеряемые характеристики и критерии обнаружения дефектов.
Некоторые вопросы, имеющие принципиальное значение для создания приборов и методов контроля прессовых соединений колец подшипников, проработаны недостаточно. Отсутствуют схемы прозвучивания цилиндрических объектов с ограниченным доступом к плоским торцам и акустоупругие модели прозвучивания с цилиндрических поверхностей продольными и поверхностными волнами. Не установлены закономерности влияния состояния границы «кольцо- ось» на резонансные характеристики колец, частотный спектр и параметры диссипации энергии свободных колебаний.
Цель исследования - разработать способы акустического контроля прессовых соединений внутренних колец подшипников с осями колесных пар для повышения надежности буксовых узлов в эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) экспериментально и теоретически определить возможности и разработать способ определения механических напряжений кольца подшипника, устанавливаемого на шейку оси с натягом, акустоупругим методом при прозвучивании продольными и поверхностными волнами;
2) разработать методику ультразвукового контроля толщины переходного слоя, обусловленного шероховатостью, овальностью и конусностью сопрягаемых поверхностей кольца подшипника и шейки оси, основанную на анализе закономерностей изменения амплитуды многократно отраженных продольных волн от границы прессового соединения;
3) установить закономерности распределения свободных колебаний в прессовых соединениях, определить спектральный состав собственных колебаний и характеристики их затухания в зависимости от условий сопрягаемых поверхностей;
4) разработать критерии браковки прессовых соединений колец подшипников с шейкой оси колесной пары интегрально-резонансным методом для обнаружения неплотностей посадки при плановых видах ремонта.
Объект исследования - акустические методы контроля.
Предмет исследования - методики акустического контроля прессовых соединений внутренних колец подшипников с шейками осей колесных пар.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) разработана модель распространения продольных волн при хордовом прозвучивании колец подшипников, устанавливающая связь времени распространения с механическими напряжениями, вызванными прессовой посадкой, и учитывающая изменение угла между направлением распространения и осью главных напряжений;
2) предложена модель формирования серии переотраженных импульсов продольной волны от цилиндрической границы раздела сред, устанавливающая зависимость коэффициента ослабления амплитуды от толщины переходного слоя и позволяющая уменьшить влияние на результаты измерений акустических характеристик материала, формы и размеров колец, состояния поверхности ввода;
3) установлены закономерности, связывающие частотный спектр и декременты затухания свободных колебаний колец подшипников с граничными условиями: свободное кольцо, кольцо на оси с натягом, кольцо на валу, кольцо на оси с воздушным зазором и зазором, заполненным смазочным материалом;
4) разработан способ обработки результатов измерений первичных сигналов интегрально-резонансным методом и критерий предельного состояния соединения по условию неплотности сопряжения.
Теоретическая значимость работы. Разработанная методика оперативного контроля механических напряжений в кольцах подшипников в процессе прессовой посадки методом акустоупругости с погрешностью 8% при прозвучивании продольными волнами, 5% - поверхностной волной расширяет возможности ультразвукового метода для объектов цилиндрической формы и дополняет знания об акустоупругих коэффициентах для стали ШХ15.
Установленные закономерности свободных и вынужденных колебаний, в том числе модовый состав, поляризация, параметры затухания и изменения амплитуды колебаний во времени повышают информативность акустических методов: собственных частот и интегрально-резонансных.
Практическая значимость работы. Способ контроля толщины переходного слоя кольца подшипника и оси, заполненного смазочными материалами, позволяет обнаружить локальные участки с недопустимой шероховатостью и дефектами поверхностей прессовых соединений. На основе способа разработана методика контроля паяных соединений при ремонте мостовых сооружений в эксплуатации, закрепленная документально в патенте RU 2739385 от 14.05.2020 г. Методика утверждена в ОАО «РЖД» и внедрена в технологический процесс ремонта мостов компанией ООО «СибНИТ».
Критерии браковки интегрально-резонансным методом реализованы в приборе УДС1-СИН, используемом для контроля колесных пар при среднем ремонте для обнаружения проворота внутренних колец подшипников на шейках осей колесных пар. Прибор внедрен в эксплуатацию в вагонных ремонтных депо ОАО «ВРК-1» (Приложение А) и ООО «НВК» (Приложение Б).
Методология и методы исследования. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, ультразвуковой, визуальный и измерительный, магнитопорошковый методы, методы свободных и вынужденных (интегрально-резонансный) колебаний. Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики (максимального правдоподобия и наименьших квадратов), корреляционного анализа. Моделирование выполнялось аналитически и методом конечных элементов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Способ определения механических напряжений кольца подшипника, устанавливаемого на шейку оси с натягом акустоупругим методом при хордовом прозвучивании продольными и многократно прошедшими поверхностными волнами.
2. Методика контроля толщины переходного слоя, обусловленного шероховатостью и дефектами сопрягаемых поверхностей кольца подшипника и шейки оси, основанная на анализе закономерностей изменения амплитуды продольных волн, многократно отраженных от границы соединения.
3. Экспериментально-расчетный способ исследования свободных колебаний прессовых соединений, позволяющий определить спектральный состав собственных колебаний, установить соответствие спектров и характер распределения колебаний (модовый состав), определить характеристики затухания.
4. Критерии браковки прессовых соединений колец подшипников с шейкой оси колесной пары по условию ослабления посадки интегрально-резонансным методом, основанные на зависимости декремента затухания колебаний от периода вынужденных затуханий.
Достоверность результатов работы обеспечивается корректностью постановки задач, физической обоснованностью полученных экспериментальных данных и моделей, применением современных и метрологически обеспеченных измерительных приборов и общепринятых стандартизированных методов обработки результатов. Достоверность подтверждается непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, совпадением экспериментальных данных с расчетами методом конечных элементов и с опубликованными данными других авторов.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVI Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке - 2020. Интеграция науки, образования и
производства» (г. Ижевск, 2-4 декабря 2020 г.); XI Международной научнотехнической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 12-13 ноября 2020 г.); IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (г. Омск, 29-30 октября 2020 г.); XXIII Петербургской научно-технической конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлов и перспективных материалов» УЗДМ-2019 (г. Санкт- Петербург, пос. Репино, 28-31 мая 2019 г.); X Международной научнотехнической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 15-16 ноября 2018 г.).
Личный вклад автора. Выбор направлений и методов исследований, способов обработки и представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений. Автор определил цель и задачи исследования, провел экспериментальные исследования, проанализировал и выполнил математическую обработку результатов, сделал анализ, сформулировал выводы и написал диссертацию.
Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных
работах.
По результатам работы опубликованы 13 статей в научных изданиях, в том числе 2 статьи в изданиях, индексируемых в SCOPUS и WoS, 1 статья в издании из Перечня ВАК, получено 2 патента РФ на изобретения и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Диссертация подготовлена в результате исследования, выполненного при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-9001619.
✅ Заключение
При плановых видах ремонта годные кольца подшипников допускается не распрессовывать с шеек осей. Это позволяет снизить затраты на ремонт и предотвратить повреждения осей при демонтаже. Нарушения технологии установки колец на ось, коррозия, перегрев буксовых узлов в эксплуатации приводят к ослаблению прессовой посадки и повышают вероятность отказа прессового соединения и проворота кольца, повреждения и разрушения оси, схода, аварии, крушения вагона. Надежность прессовых соединений колец буксовых подшипников с шейками осей после среднего ремонта может быть обеспечена только при условии контроля плотности прилегания соединяемых деталей в депо.
1. Обоснована возможность и разработан способ контроля упругих механических напряжений в кольцах подшипников акустоупругим методом в процессе прессовой посадки продольными и поверхностными волнами.
Аттестовано испытательное оборудование - стенд для нагружения колец подшипников. Оборудование позволяет воспроизвести напряженно- деформированное состояние кольца, эквивалентное соединению с натягом до 70 мкм. Разработан и изготовлен хордовый преобразователь, обеспечивающий прозвучивание кольца подшипника продольными волнами с базой 96 мм.
Предложена модель, учитывающая изменение угла между направлением распространения и осью главных напряжений при хордовом прозвучивании колец подшипников продольными волнами и позволяющая установить зависимость относительного изменения времени распространения от уровня механических
напряжений:
Предложен и реализован способ контроля упругих напряжений
поверхностными волнами, основанный на оптимизации временных параметров корреляционного метода для определения малых (менее периода колебаний) времен задержки двух сигналов. Оптимальные временные параметры интервала вычисления корреляционной функции соответствуют средней части импульса с амплитудой колебаний более 50 % ее максимального значения. В экспериментах неопределенность времени задержки импульсов поверхностных волн не превышала времени дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) осциллографа, равного 1 нс.
Для стали ШХ15 экспериментально определены значения акустоупругого коэффициента продольной волны, распространяющейся вдоль направления действия главных механических напряжений, вз,з = (11,0 ± 0,9 ) МПа-1 и коэффициента акустоупругости поверхностной волны в = -(0,74 ± 0,14 ) ТПа-1.
Основная погрешность измерения абсолютных значений механических напряжений связана с непостоянством и невоспроизводимостью акустического контакта преобразователя с объектом контроля из-за вариаций толщины контактного слоя и может достигать 50 % измеряемой величины. Практическая значимость разработанных способов акустоупругости заключается в возможности оперативного контроля изменения механических напряжений в кольце подшипника в процессе прессовой посадки.
2. Разработана методика ультразвукового контроля толщины переходного слоя прессового соединения прямым преобразователем продольных волн, главной измеряемой характеристикой в котором является коэффициент пропорциональности амплитуды и порядкового номера многократно отраженного акустического импульса.
Разработана аналитическая модель, в рамках которой рассчитаны параметры отраженных и прошедших через границу прессового соединения , границу акустической задержки и объекта контроля акустических волн. Показано, что влиянием переходного слоя можно пренебречь при более жестком условии, чем
принято традиционно. Обосновано условие малости слоя Д« • |2 • Л2, где Л2 - длина волны в слое, мм; z2 и z3 - акустические сопротивления материалов слоя и принимающей ультразвуковую волну среды.
На основе акустической модели разработан и экспериментально реализован метод локального определения толщины слоя между кольцом подшипника и шейкой оси колесной пары после прессовой посадки, основанный на регистрации многократно отраженных акустических импульсов и коэффициента пропорциональности логарифма амплитуды от номера импульса. Показана возможность обнаружения ослабления посадки с натягом менее 30 мкм, в которых толщина масляного зазора превышает 1 мкм, при использовании прямого преобразователя продольных волн с частотой 5 МГц.
3. Экспериментально и методом конечных элементов установлены закономерности распределения свободных колебаний в кольцах, образцах натяга и прессовых соединениях колец подшипников с шейками осей в диапазоне частот от 0,5 до 50 кГц. Спектры колебаний линейчатые, отклонения рассчитанных и экспериментальных значений собственных частот не превышают 2 %.
Показано, что свободные колебания затухают с характерным временем от 2 до 30 мс. Зависимость амплитуды колебаний от времени удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией только для осесимметричных колебаний свободного кольца и соединения кольца с валом. Для других типов колебаний амплитуда сложным образом изменяется во времени, в том числе немонотонно. Обнаружены биения и установлена их причина: одновременное возбуждение на близких частотах двух и более колебаний, пучности и узлы которых в пространстве не совпадают. Эффект биений чувствителен к малым изменениям первоначального воздействия. Показано, что смазка в месте контакта деталей уменьшает амплитуду информативных гармоник в 500 раз и более. Для повышения отношения сигнал/ шум предложено смещать интервал вычисления быстрого преобразования Фурье от начала сигнала в область, в которой неинформативные гармоники затухают сильнее собственных частот кольца.
Предложен критерий неплотности прилегания кольца подшипника к шейке оси колесной пары, основанный на регистрации в спектре свободных колебаний прессовых соединений собственных частот свободного кольца. Показано, что в соединениях с «сухим» контактом неплотного соединения регистрируются до 9 собственных частот свободного кольца из 11 в диапазоне от 0,5 до 25 кГц, при наличии индустриального масла «мокрый» контакт - до 5 собственных частот. Разработанный способ может быть использован для оценки плотности прессовых соединений колец подшипников с валами и осями колесных пар.
4. Разработаны критерии браковки прессовых соединений для обнаружения неплотности контакта деталей интегрально-резонансным методом, реализованные в приборе УДС1-СИН, внедренном в 10 вагонных ремонтных депо компаний ООО «НВК» (Приложение А) и ОАО «ВРК-1» (Приложение Б).
Для метрологического обеспечения прибора УДС1 -СИН разработана технология и изготовлены образцы натяга прессовых соединений колец подшипников и валов в диапазоне от 20 до 120 мкм. Создана метрологическая и конструкторская документация образцов. Погрешность воспроизведения разности диаметров в системе посадки с натягом не превышает 1,5 %.
Экспериментально показано, что максимальные усилия напрессовки и, следовательно, усилия сдвига линейно зависят от натяга с коэффициентом корреляции не менее 0,96. Для передних «безбуртовых» колец подшипников коэффициент пропорциональности усилия напрессовки составляет 0,9 кН/мкм, задних «буртовых» - 1,4 кН/мкм, что соответствует коэффициенту трения покоя 0,15, трения скольжения 0,09.
Главной измеряемой характеристикой критерия обнаружения колесных пар с «проворотом» колец и коррозией интегрально-резонансным методом является отношение среднего времени затухания до порогового уровня колебаний поверхности кольца подшипника в диапазоне частот от 30 до 100 кГц при возбуждении колебаний 10-20 импульсами к времени затухания при 75-85 импульсах. Установленное в условиях вагоноремонтного предприятия критическое значения отношения составляет 0,65 с вероятностью браковки годных прессовых соединений не более 1 % и вероятностью пропуска дефекта не более 5 %.
Выполненные исследования и полученные результаты могут являться основой для разработки акустических способов контроля плотности контакта болтовых соединений строительных конструкций, совершенствования метода акустоупругости для измерения абсолютных значений механических напряжений.
1. Обоснована возможность и разработан способ контроля упругих механических напряжений в кольцах подшипников акустоупругим методом в процессе прессовой посадки продольными и поверхностными волнами.
Аттестовано испытательное оборудование - стенд для нагружения колец подшипников. Оборудование позволяет воспроизвести напряженно- деформированное состояние кольца, эквивалентное соединению с натягом до 70 мкм. Разработан и изготовлен хордовый преобразователь, обеспечивающий прозвучивание кольца подшипника продольными волнами с базой 96 мм.
Предложена модель, учитывающая изменение угла между направлением распространения и осью главных напряжений при хордовом прозвучивании колец подшипников продольными волнами и позволяющая установить зависимость относительного изменения времени распространения от уровня механических
напряжений:
Предложен и реализован способ контроля упругих напряжений
поверхностными волнами, основанный на оптимизации временных параметров корреляционного метода для определения малых (менее периода колебаний) времен задержки двух сигналов. Оптимальные временные параметры интервала вычисления корреляционной функции соответствуют средней части импульса с амплитудой колебаний более 50 % ее максимального значения. В экспериментах неопределенность времени задержки импульсов поверхностных волн не превышала времени дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) осциллографа, равного 1 нс.
Для стали ШХ15 экспериментально определены значения акустоупругого коэффициента продольной волны, распространяющейся вдоль направления действия главных механических напряжений, вз,з = (11,0 ± 0,9 ) МПа-1 и коэффициента акустоупругости поверхностной волны в = -(0,74 ± 0,14 ) ТПа-1.
Основная погрешность измерения абсолютных значений механических напряжений связана с непостоянством и невоспроизводимостью акустического контакта преобразователя с объектом контроля из-за вариаций толщины контактного слоя и может достигать 50 % измеряемой величины. Практическая значимость разработанных способов акустоупругости заключается в возможности оперативного контроля изменения механических напряжений в кольце подшипника в процессе прессовой посадки.
2. Разработана методика ультразвукового контроля толщины переходного слоя прессового соединения прямым преобразователем продольных волн, главной измеряемой характеристикой в котором является коэффициент пропорциональности амплитуды и порядкового номера многократно отраженного акустического импульса.
Разработана аналитическая модель, в рамках которой рассчитаны параметры отраженных и прошедших через границу прессового соединения , границу акустической задержки и объекта контроля акустических волн. Показано, что влиянием переходного слоя можно пренебречь при более жестком условии, чем
принято традиционно. Обосновано условие малости слоя Д« • |2 • Л2, где Л2 - длина волны в слое, мм; z2 и z3 - акустические сопротивления материалов слоя и принимающей ультразвуковую волну среды.
На основе акустической модели разработан и экспериментально реализован метод локального определения толщины слоя между кольцом подшипника и шейкой оси колесной пары после прессовой посадки, основанный на регистрации многократно отраженных акустических импульсов и коэффициента пропорциональности логарифма амплитуды от номера импульса. Показана возможность обнаружения ослабления посадки с натягом менее 30 мкм, в которых толщина масляного зазора превышает 1 мкм, при использовании прямого преобразователя продольных волн с частотой 5 МГц.
3. Экспериментально и методом конечных элементов установлены закономерности распределения свободных колебаний в кольцах, образцах натяга и прессовых соединениях колец подшипников с шейками осей в диапазоне частот от 0,5 до 50 кГц. Спектры колебаний линейчатые, отклонения рассчитанных и экспериментальных значений собственных частот не превышают 2 %.
Показано, что свободные колебания затухают с характерным временем от 2 до 30 мс. Зависимость амплитуды колебаний от времени удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией только для осесимметричных колебаний свободного кольца и соединения кольца с валом. Для других типов колебаний амплитуда сложным образом изменяется во времени, в том числе немонотонно. Обнаружены биения и установлена их причина: одновременное возбуждение на близких частотах двух и более колебаний, пучности и узлы которых в пространстве не совпадают. Эффект биений чувствителен к малым изменениям первоначального воздействия. Показано, что смазка в месте контакта деталей уменьшает амплитуду информативных гармоник в 500 раз и более. Для повышения отношения сигнал/ шум предложено смещать интервал вычисления быстрого преобразования Фурье от начала сигнала в область, в которой неинформативные гармоники затухают сильнее собственных частот кольца.
Предложен критерий неплотности прилегания кольца подшипника к шейке оси колесной пары, основанный на регистрации в спектре свободных колебаний прессовых соединений собственных частот свободного кольца. Показано, что в соединениях с «сухим» контактом неплотного соединения регистрируются до 9 собственных частот свободного кольца из 11 в диапазоне от 0,5 до 25 кГц, при наличии индустриального масла «мокрый» контакт - до 5 собственных частот. Разработанный способ может быть использован для оценки плотности прессовых соединений колец подшипников с валами и осями колесных пар.
4. Разработаны критерии браковки прессовых соединений для обнаружения неплотности контакта деталей интегрально-резонансным методом, реализованные в приборе УДС1-СИН, внедренном в 10 вагонных ремонтных депо компаний ООО «НВК» (Приложение А) и ОАО «ВРК-1» (Приложение Б).
Для метрологического обеспечения прибора УДС1 -СИН разработана технология и изготовлены образцы натяга прессовых соединений колец подшипников и валов в диапазоне от 20 до 120 мкм. Создана метрологическая и конструкторская документация образцов. Погрешность воспроизведения разности диаметров в системе посадки с натягом не превышает 1,5 %.
Экспериментально показано, что максимальные усилия напрессовки и, следовательно, усилия сдвига линейно зависят от натяга с коэффициентом корреляции не менее 0,96. Для передних «безбуртовых» колец подшипников коэффициент пропорциональности усилия напрессовки составляет 0,9 кН/мкм, задних «буртовых» - 1,4 кН/мкм, что соответствует коэффициенту трения покоя 0,15, трения скольжения 0,09.
Главной измеряемой характеристикой критерия обнаружения колесных пар с «проворотом» колец и коррозией интегрально-резонансным методом является отношение среднего времени затухания до порогового уровня колебаний поверхности кольца подшипника в диапазоне частот от 30 до 100 кГц при возбуждении колебаний 10-20 импульсами к времени затухания при 75-85 импульсах. Установленное в условиях вагоноремонтного предприятия критическое значения отношения составляет 0,65 с вероятностью браковки годных прессовых соединений не более 1 % и вероятностью пропуска дефекта не более 5 %.
Выполненные исследования и полученные результаты могут являться основой для разработки акустических способов контроля плотности контакта болтовых соединений строительных конструкций, совершенствования метода акустоупругости для измерения абсолютных значений механических напряжений.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.