ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛОЖНЫХ ЭХО-СИГНАЛОВ ОТРАЖЕНИЯ  ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Лысак Дмитрий Владимирович

начальник лаборатории физико-акустических методов контроля центральной заводской лаборатории публичного акционерного общества

«Лугансктепловоз», г. Луганск

Е-mail: LFAMKCZL@gmail.com

DETERMINATION OF FALSE ECHO-SIGNALS OF REFLECTION OF SUPERFICIAL WAVE AT ULTRASONIC CONTROL OF THE RAILWAY VEHICLE WHEELSET TIRES

Dmitry Lysak

head of laboratory of physical-acoustic methods of control of the Central factory laboratory of the public joint-stock company «Luganskteplovoz», Lugansk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены вопросы появления ложных сигналов, обусловленных отражением сопутствующей волны от края бандажа при контроле импульсным эхо-методом продольными волнами. Расчетами показана возможность перехода таких ложных сигналов за донный сигнал при ультразвуковом контроле с внутренней боковой поверхности бандажа. Установлен дополнительный отличительный критерий ложных сигналов от поверхностной волны для бандажей и разработаны рекомендации по их выделению.

ABSTRACT

The questions of appearance of the false signals conditioned by the reflection of concomitant wave from the edge of tire at the control by an impulsive echo-method by longitudinal waves are considered. Possibility of transition of such false signals for the ground signal at the ultrasonic control from the internal lateral surface of tire is shown computations. A additional distinctive criterion of false signals is set from a superficial wave for tires and recommendations on their selection are developed.

Ключевые слова: подвижной состав железных дорог; колесная пара; бандаж; диагностирование; ультразвуковой контроль; несплошность; ложный сигнал

Keywords: rolling stock of railways; wheeled pair; tire; diagnosing; ultrasonic control; defect; false signal

Бандаж составного ходового колеса — один из ответственных элементов колесной пары тягового подвижного состава железных дорог, от технического состояния которого непосредственно зависит безопасность движения [2, с. 31]. При изготовлении бандажей из-за нарушения технологии могут возникать недопустимые дефекты в виде несплошности металла, которые должны быть обнаружены в процессе приемки бандажей [3, с. 6].

Несплошности металла являются концентратором напряжений и могут служить началом усталостного разрушения [4, с. 56]. Для исключения попадания в эксплуатацию бандажей с недопустимыми внутренними несплошностями проводится ультразвуковой контроль импульсным эхо-методом [7, с. 14]. Признаком обнаружения несплошности является наличие на заданном участке развертки дефектоскопа эхо-сигналов отражения ультразвуковой волны. При контроле прямым преобразователем изделий с неровностями поверхности от механической обработки может происходить возбуждение поверхностной волны Рэлея. Направление распространения поверхностной волны перпендикулярно направлениям неровностей [6, с. 271]. Отражение от края изделия возникшей поверхностной волны приводит к появлению на рабочем участке развертки дефектоскопа ложного эхо-сигнала. Ложные эхо-сигналы мешают правильной оценке качества бандажа из-за того, что они могут быть приняты за полезный сигнал от несплошности.

В литературе [5, с. 152; 4, с. 131] указаны два критерия определения ложного сигнала отражения поверхностной волны:

·     изменение времени прихода эхо-сигнала при перемещении преобразователя относительно края изделия;

·     сильное ослабление эхо-сигнала при наложении пальца или тампона, смоченного в масле.

Однако практика проведения ультразвукового контроля бандажей после окончательной механической обработки показывает, что кроме ложных сигналов, которые передвигаются по развертке экрана дефектоскопа и амплитуда которых уменьшается при прощупывании, существуют сигналы, которые при перемещении преобразователя появляются только в определенном положении преобразователя. При дальнейшем перемещении преобразователя они исчезают с экрана. В этом случае невозможно применить первый отличительный критерий наличия ложного сигнала от поверхностной волны. При прощупывании по второму отличительному критерию амплитуда сигнала на экране дефектоскопа уменьшается незначительно.

Учитывая ответственность контролируемого изделия в обеспечении безопасности эксплуатации подвижного состава железных дорог невозможно гарантировать ложность сигнала только по частичному действию рекомендуемых литературой отличительных критериев.

Поэтому для повышения достоверности ультразвукового контроля бандажей после окончательной механической обработки возникла необходимость установления новых дополнительных отличительных критериев ложных сигналов отражения поверхностной волны и разработки дополнительных рекомендаций по выделению критериев ложных сигналов. Дополнительные отличительные критерии ложных сигналов и рекомендации по их выделению позволят выявить ложные сигналы, не обладающие в полном объеме первыми двумя известными критериями.

Целью настоящей работы является разработка нового критерия определения ложных сигналов при ультразвуковом контроле бандажей.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- определить край бандажа, отражающий поверхностную волну;

- установить соотношение, определяющее время прихода эхо-сигнала отражения продольной и поверхностной волны;

- определить положение ложного эхо-сигнала на развертке дефектоскопа в зависимости от положения преобразователя;

- разработать новый критерий ложного сигнала по его положению относительно донного сигнала.

Материалы и результаты исследований. Практика ультразвукового контроля бандажей показывает, что ложные эхо-сигналы наблюдаются при контроле бандажа с внутренней боковой поверхности. Поверхностные волны распространяются не только вдоль плоской, но и вдоль криволинейной поверхности [1, с. 287]. При сканировании по внутренней боковой поверхности бандажа поверхностная волна распространяется без отражения в сторону гребня и в сторону двугранного угла края бандажа противоположного гребню (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема отражения поверхностной волны от края при диагностической операции ультразвукового контроля бандажа с внутренней боковой поверхности: 1 — контролируемый бандаж; 2 — прямой ультразвуковой преобразователь; 3 — продольная волна; 4 — поверхностная волна

Время  прихода эхо-сигнала отражения от противоположной поверхности бандажа связано с расстоянием Н между боковыми поверхностями соотношением:

                                    ,                                                                  (1)

где — скорость продольной волны.

Время t_h прихода эхо-сигнала от несплошности металла, расположенной по сечению бандажа на глубине h определяется соотношением:

                                                                                                         (2)

Учитывая, что H > h соблюдается неравенство:

                                                                                                     (3)

Или:

                                                                                                         (4)

То есть эхо-сигналы отражения продольной волны от несплошностей металла наблюдаются до донного сигнала.

Время прихода эхо-сигнала отраженной поверхностной волны t_s от края бандажа определяется соотношением:

                                 ,                                                                     (5)

где Х — расстояние, центра пьезоэлемента от края бандажа,

 — скорость поверхностной волны.

При сканировании преобразователь меняет свое положение относительно края бандажа, поэтому Х является переменной величиной. При удалении преобразователя от края бандажа время прихода эхо-сигнала отражения поверхностной волны будет возрастать, а эхо-сигнал на экране дефектоскопа — перемещаться к донному сигналу.

Из соотношения (5) следует, что время прихода ложного сигнала  является величиной переменной и зависит от значения Х, которое определяется положением преобразователя на внутренней поверхности бандажа относительно края бандажа. Перемещая преобразователь от края бандажа к гребню значение Х, а соответственно, и время прихода эхо-сигнала отражения поверхностной волны к преобразователю будет возрастать, а сигнал на развертке экрана дефектоскопа перемещаться к донному.

Если  эхо-сигнал отражения поверхностной волны будет наблюдаться до донного сигнала

Если  — эхо-сигнал поверхностной волны совместится с донным сигналом.

При  — эхо-сигнал отражения поверхностной волны будет наблюдаться за донным сигналом. Это условие будет выполняться при:

                                                                                                  (6)

Используя справочные величины для стали , ;

Для бандажа с H=140 мм (фактическое значение) условие перехода ложного сигнала от поверхностной волны за донный сигнал выполняется для . Значение Х=L для изготовленных бандажей локомотивов больше 0,071 м.

Так как эхо-сигнал отражения поверхностной волны при контроле прямым преобразователем является ложным, то его переход за донный сигнал предлагается использовать как критерий ложного сигнала отражения поверхностной волны.

Выводы:

1.  Обосновано, что при ультразвуковом контроле бандажей с внутренней боковой поверхности прямым преобразователем могут наблюдаться ложные эхо-сигналы.

2.  Показано, что при определенном удалении преобразователя от края бандажа ложный эхо-сигнал на развертке дефектоскопа будет наблюдаться за донным.

3.  Предложено использовать переход эхо-сигнала отражения поверхностной волны как критерий ложного эхо-сигнала.

Список литературы:

1.Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов.: Под ред. Н.П. Алешина. — М.: Машиностроение, 1989. — 456 с.

2.Буйносов А.П., Стаценко К.А., Сергеев Н.И.Определение натяга пары «бандаж-обод» с помощью ультразвуковых импульсов // Транспорт Урала. № 3 2004. С. 31—37.

3.ГОСТ 398-2010. Бандажи черновые для железнодорожного подвижного состава. Технические условия. — [введ. 2011-09-01] — М. : Стандартинформ, 2011. — 12 с. — (Межгосударственный стандарт).

4.Ермолов И.Н. Неразрушающий контроль: в 5кн. / И.Н. Ермолов, Н.П. Алешин, А.И. Потапов. — М.: Высш. шк., 1991 — Кн. 2: Акустические методы контроля. — 283 с.

5.Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля / И.Н. Ермолов. — М. : Машиностроение, 1981. — 240 с.

6.Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении / Е. Ф. Кретов — СПб. : Издательство «СВЕН», 2007. — 296 с.

7.РД 32.144-2000. Контроль неразрушающий приемочный. Колеса цельнокатаные, бандажи и оси колесных пар и оси колесных пар подвижного состава. Технические требования. — [Введ. 2001-06-29]. — М.: МПС России, 2000. — 22 с.

8.Сопротивление материалов : учебник для студ. вузов / А.В. Александров [и др.] ; ред. А.В. Александров. — Изд. 6-е, стер. — М. : Высшая школа, 2008. — 560 с.