2002

А. М.Шанаурин, Д. Г. Комлев, Г. И. Кравченко, С.Ю Кузьмин

НОВЫЙ ПОДХОД К КОНТРОЛЮ ДИСКОВ КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ

Изложены результаты исследований причин изломов дисков железнодорожных колес. Показано, что изломы обусловлены скоплениями точечных неметаллических включений. Предложены способы своевременного обнаружения этих скоплений.

(Журнал 'Дефектоскопия', №9, 2002 г., стр. 90-95).

Начиная с 1999 г на сети железных дорог России резко увеличилось число отказов, связанных с изломами дисков цельнокатанных колес вагонов и, в частности, колес с повышенной твердостью. В статье изложены ход и результаты исследования, которое преследовало две цели. Первая цель — выяснить причины увеличения количества изломов дисков. Вторая — указать на реальные способы частичного или полного устранения этих причин.

Методика исследований

Диски колес контролируются в депо в процессе планового ремонта вагонов. Штатные методы контроля — магнитопорошковый или вихретоковый. Поскольку эти методы нечувствительны к подповерхностным дефектам, наиболее вероятные причины изломов следовало искать во внутренних областях диска.

Поиск причин был разбит на три этапа. На первом этапе из достаточно большого количества колес отбирались те, которые имеют диски с подповерхностными нарушениями сплошности. Отбор производился по заданному критерию с помощью намагничивающих устройств МСН-14 и феррозондового комбинированного прибора Ф-205.30А, выступающего в роли порогового феррозондового дефектоскопа. Положение устройств МСН-14 на колесе при его намагничивании показано на рис.1. Точки 1, 2, 3 и 4 расположены на равном расстоянии друг от друга.

Рис. 1 Намагничивающие устройства на колесе.

На втором этапе отобранные колеса были разбиты на четыре группы, которые отличались расположением нарушений сплошности. Колеса из каждой группы обследовались с помощью тех же устройств, к которым добавлялся персональный компьютер. Прибор Ф-205.30А на сей раз выступал в роли градиентометра и запоминающего устройства, а компьютер по накопленным значениям градиента производил двумерную полосовую фильтрацию распределения градиента на поверхности диска и рисовал на экране дисплея отфильтрованное распределение (создавал магнитный снимок). Анализ магнитных снимков позволял уточнять характер нарушений сплошности.

На третьем этапе из колес каждой группы вырезались фрагменты, которые подвергались послойному металлографическому анализу. Анализ давал возможность выяснять, являются ли найденные нарушения сплошности дефектами.

Способы устранения причин изломов отыскивались посредством:

• выбора из существующих методов контроля наиболее оперативного и достоверного при выявлении поверхностных и подповерхностных дефектов;
• формирования новой стратегии контроля колес (определения места и времени проведения контроля).
  
  Аппаратура

  Прибор Ф-205.30А и намагничивающие устройства МСН-14 с гибким магнипроводом серийно выпускаются предприятием 'Микроакустика'. Они имеются в депо и используются для контроля литых деталей вагонов. Технические характеристики и перечень выполняемых функций прибора Ф-205.30А приведены в работе [1].

  Работа прибора в роли порогового феррозондового дефектоскопа состоит в том, что феррозондовый преобразователь вручную перемещают по контролируемой поверхности (сканируют поверхность). В процессе сканирования от точки к точке прибор сравнивает градиент напряженности магнитного поля с порогом. Индикатор дефекта работает, когда градиент превышает порог.

  Двумерную полосовую фильтрацию и визуализацию распределения градиента напряженности магнитного поля прибор осуществляет с помощью персонального компьютера. В данном случае прибор выступает в роли градиентометра и запоминающего устройства — в процессе сканирования диска он через каждый миллиметр автоматически измеряет значения градиента и запоминает их в оперативной памяти. После того, как сканирование заканчивается, измеренные значения градиента передаются на компьютер, который их по специальной программе обрабатывает и формирует на экране дисплея соответствующее изображение (магнитный снимок).

  Суть программы двумерной полосовой фильтрации. Для простоты изложим ее с помощью аналоговых соотношений. Из оперативной памяти в компьютер передается распределение G(x,y) градиента напряженности магнитного поля. Плоскость (x,y) декартовых координат лежит на поверхности диска. В процессе фильтрации функция G(x,y) подвергается двумерному Фурье-преобразованию:

  

  Здесь X(₁, ₂) — двумерный Фурье-образ (двумерный спектр) функции G(x,y); ₁, ₂ — аргументы двумерного спектра. Обратное преобразование Фурье проводится в конечных пределах:
  

  

  Здесь G_ф(x,y) — распределение градиента после фильтрации, ₁₁, ₁₂, ₂₁, ₂₂ — пределы, подобранные так, чтобы обеспечить для функции G_ф(x,y) максимальное отношение сигнал/помеха.

  Повышение отношения сигнал/помеха за счет двумерной полосовой фильтрации иллюстрирует рис. 2, где на снимке 2а показано исходное G(x,y), а на снимке 2б — отфильтрованное G_ф(x,y) распределение градиента.

  
  Рис. 2 Распределение градиента до (а) и после (б) двумерной полосовой фильтрации.

  Функция G(x,y) снята на намагниченной стальной пластине с трещиной, имеющей раскрытие 2 мкм, глубину 15 мкм и длину 38 мм. Красному цвету соответствуют положительные, синему цвету — отрицательные значения градиента. Большей интенсивности цвета соответствует большее абсолютное значение градиента.

  Сравнение рисунков 'а' и 'б' показывает, что в отфильтрованном изображении отношение сигнал/помеха (отношение амплитуды сигнала дефекта к среднеквадратическому значению помехи) выше. Сигнал в данном случае — это составляющая распределения G(x,y), обусловленное трещиной, помеха — функция G(x,y) за вычетом сигнала.
  

  Результаты исследований

  Исследования проведены в вагонных депо трех дорог — Октябрьской, Свердловской и Южноуральской. Проконтролировано 584 колеса. Сканировались на каждом колесе диск и соседние участки — наружная грань обода и прилегающая к диску часть шейки. Необходимость в изучении обода и шейки диктовалась тем, что обнаруживаемые штатными методами поверхностные дефекты часто располагались одновременно на диске и на ободе или на диске и на шейке.

  Первый этап. Критерий отбора колес. На контролируемой поверхности каждого колеса устройствами МСН-14 обеспечивалось значение тангенциальной составляющей 200 А/м². В приборе Ф-205.30А было выставлено значение порога 8 000 А/м2 В процессе сканирования на поверхности диска мелом отмечались границы зон, внутри которых работал индикатор дефектов. Чаще всего зоны вырождались в линии. Для анализа отбирались диски, у которых площадь зоны превышала 7 см², а длина линии — 30 мм.

  Линии более 30 мм и зоны с площадью более 7 см² выявлены на 245 колесах; 18 колес имели более одной линии или зоны. На 12 колесах после визуального осмотра выявлены поверхностные дефекты (трещины).

  Второй этап.Колеса с подповерхностными нарушениями сплошности были разделены на четыре группы.

  Группа 1. Линии расположены на диске и шейке (45% от общего количества отобраных колес).

  Группа 2. Линии расположены на наружной грани обода (38%).

  Группа 3. Зоны расположены на диске и шейке (12%).

  Группа 4. Зоны расположены на наружной грани обода (5%).

  Из каждой группы выделялись колеса, у которых на поверхности около нарушений сплошности проводилась полосовая фильтрация и визуализация распределения градиента. Анализ распределений показал, что на колесах всех групп функция G_ф(x,y) внутри зон (вдоль линий) имеет несколько достаточно сильных экстремумов. Это означает под каждой зоной или линией находится множество не пересекающихся локальных нарушений.

  Третий этап.

  Из этих же колес вырезались фрагменты, которые подвергались послойному металлографическому анализу. Результат анализа магнитных снимков был подтвержден — под зонами и линиями находились скопления локальных (точечных) неметаллических включений, флокенов, канальных пор и других металлургических дефектов.

  Выявленные скопления по ГОСТ 1778 'Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений. Метод Ш' соответствовали баллу загрязненности более пяти. Такая загрязненость не удовлетворяет требования ГОСТ 10791 'Колеса цельнокатаные. Технические условия.' Таким образом обнаруженные скопления малых нарушений сплошности относились к дефектам и с большой вероятностью могли являться причинами появления трещин и последующих изломов дисков колес.

  На рис. 3 показан отфильтрованный магнитный снимок серповидной линии на диске колеса и микроструктура поверхности шлифа, сделанного на вырезанном фрагменте диска (масштаб 1:100).

  Как уменьшить количество изломов дисков в эксплуатации? Прежде всего необходимо выбрать метод контроля дисков колес для депо в процессе планового ремонта вагонов. Метод должен обладать, во-первых, способностью достоверно выявлять как поверхностные (трещины), так и подповерхностные (в нашем случае - локальные скопления точечных неметаллических включений) дефекты, во-вторых, оперативностью (на контроль одного диска при ремонте вагона можно затрачивать не более пяти-десяти минут).

  Из методов, широко используемых в депо, способностью выявлять подповерхностные дефекты обладают два — ультразвуковой и феррозондовый.

  Ультразвуковой метод требует или глубокой зачистки поверхности диска (диск имеет большую шереховатость), или применения согласующей смазки, что связано с большими затратами времени. Кроме того, ультразвуковой метод для выявления поверхностных дефектов должен дополняться другими методами, чувствительными к таким дефектам. Это еще больше может растянуть во времени процедуру контроля.
  

  
  Рис. 3. Распределение градиента (а) и микроструктура материала диска (б)
  

  
  

  При контроле литых деталей вагонов (эти детали так же, как и диски колес, имеют большую шереховатость) хорошо проявил себя (по оперативности и достоверности выявления поверхностных и подповерхностных дефектов) феррозондовый метод.

  Как показал хронометраж, при отборе колес феррозондовым дефектоскопом в нашем случае на первом этапе исследований, обследование одного колеса происходит в среднем за четыре минуты, что с запасом соответствует требованиям депо.

  Поскольку неметаллические включения являются дефектами произоводства, а не эксплуатации, для надежного исключения причин изломов можно рекомендовать проводить дополнительный контроль дисков: выходной — на производстве, входной — в депо.
  

  ВЫВОДЫ

  1. Повышенное количество изломов дисков колес в эксплуатации вызвано относительно большим ислом колес (233 колеса из 584 обследованных) с подповерхностными гарушениями сплошности. Эти нарушения представляют собой скопления неметаллических включений и в соответствии с действующими нормами относятся к дефектам.

  2. Указанные дефекты штатными методами контроля при плановом ремонте вагонов не выявляются. Снизить количество изломов можно путем выбора подходящего метода контроля дисков колес (например, феррозондового) при плановом ремонте вагонов, а также проведением дополнительного контроля: выходного — на предприятии-изготовителе колес и входного — в депо.
  

  ЛИТЕРАТУРА
  1. Ватолин С. М., Шанаурин А. М., Щербинин В. Е. Комбинированные феррозондовые приборы Ф-205.03, Ф-205.30А, Ф-205.38.— Дефектоскопия, 2002, № 9, с. 46—52.