Методы контроля динамически нагруженных элементов подвижного состава при ремонте и в эксплуатации на основе комплексного использования тензометрии и акустической эмиссии

Введение……………………………………………………………………………………………………. 4
1 Современное состояние исследований в области неразрушающего
контроля с использованием акустической эмиссии и тензометрии………………. 16
1.1 Анализ результатов научных исследований акустико-
эмиссионного метода неразрушающего контроля……………………………………….. 17
1.2 Особенности применения динамической тензометрии для решения
задач неразрушающего контроля………………………………………………………………… 42
Выводы по первой главе……………………………………………………………………. 54
2 Повышение устойчивости параметров сигналов и координат источников
акустической эмиссии………………………………………………………………………………… 58
2.1 Анализ устойчивости параметров сигналов корреляционным
методом……………………………………………………………………………………………………… 58
2.2 Повышение достоверности и информативности локации
источников акустической эмиссии……………………………………………………………… 68
2.3 Анализ показателей точности локации источников акустической
эмиссии……………………………………………………………………………………………………… 79
Выводы по второй главе……………………………………………………………………. 89
3 Закономерности акустической эмиссии при развитии трещин и
пластической деформации материалов ходовых частей
вагонов………………………………………………………………………………………………………. 92
3.1 Акустическая эмиссия материала боковых рам вагонов……………….. 92
3.2 Акустическая эмиссии материала осей колесных пар……………………. 103
3.3 Акустическая эмиссия в местах взаимодействия нагружающего
устройства с объектом контроля…………………………………………………………………. 123
Выводы по третьей главе…………………………………………………………………… 128
4 Закономерности формирования тензометрических сигналов в рельсах при
статическом и динамическом нагружении………………………………………………….. 132
4.1 Закономерности деформирования рельса при нагружении
проходящим поездом…………………………………………………………………………………. 132
4.2 Статическая и динамическая калибровка тензометрической
диагностической системы…………………………………………………………………………… 148
4.3 Результаты контроля динамической силы в движении………………….. 168
Выводы по четвертой главе……………………………………………………………….. 178
5 Тензометрический контроль колес вагонов в движении……………………………. 183
5.1 Характеристики дефектов поверхности катания колесных пар……… 183
5.2 Моделирование тензометрических сигналов при воздействии
дефектных колес на рельсы………………………………………………………………………… 192
5.3 Результаты эксплуатации тензометрической системы контроля
поверхности катания колес вагонов в движении…………………………………………. 222
Выводы по пятой главе……………………………………………………………………… 233
6 Акустико-эмиссионный контроль деталей и узлов ходовых частей
грузовых вагонов……………………………………………………………………………………….. 236
6.1 Методика акустико-эмиссионного контроля колец подшипников
буксовых узлов………………………………………………………………………………………….. 236
6.2 Методика акустико-эмиссионного контроля осей колесных пар…… 251
6.3 Методика акустико-эмиссионного контроля боковых рам тележек
грузовых вагонов при ремонте……………………………………………………………………. 263
Выводы по шестой главе…………………………………………………………………… 278
Заключение……………………………………………………………………………………………….. 281
Список литературы……………………………………………………………………………………. 284
Приложение А – Акт внедрения ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина»…….. 317
Приложение Б – Акт внедрения АО «ВРК-1»……………………………………………… 318
Приложение В – Акт внедрения ДКТБ СП ЗСЖД филиала ОАО «РЖД»…….. 319
Приложение Г – Акт внедрения ООО «ТрансТех»………………………………………. 320
Приложение Д – Акт внедрения ВЧД Инская……………………………………………… 321

В диссертации представлены результаты разработки методики и технологии
тензометрического и акустико-эмиссионного контроля, согласованное
использование которых на различных этапах жизненного цикла продукции (при
ремонте и в эксплуатации) позволяет повысить достоверность и надежность
контроля ходовых частей вагонов.
Основные научные и практические результаты, полученные автором и
представленные в диссертации, заключаются в следующем.
1. Разработаны методики и алгоритмы оценки информативности параметров
сигналов акустической эмиссии в условиях значительного влияния многократных
отражений в объекте контроля, определения координат источников акустической
эмиссии и их доверительных границ с использованием модернизированного
«двухинтервального» метода. Методика реализована в программном обеспечении
системы СЦАД 16.03, СЦАД 16.10 и внедрена во ФГУП «СибНИА им.
С.А. Чаплыгина» (см. приложение А) при ресурсных и прочностных испытаниях
и в вагонных ремонтных депо ОАО «ВРК-1» при акустико-эмиссионном контроле
боковых рам грузовых вагонов.
2. Проведены экспериментальные исследования статистических
закономерностей акустической эмиссии в процессе развития усталостных трещин,
пластической деформации в материале ходовых частей вагонов и трения в местах
сопряжения объекта контроля с нагружающим устройством. Разработаны
критерии браковки на основе анализа параметров зависимости числа сигналов
акустической эмиссии от испытательной силы. Способ, реализующий критерии
браковки, защищен патентом и внедрен в вагонном ремонтном депо Инская –
филиале ОАО «ВРК-1» для контроля боковых рам коробчатого сечения и осей
колесных пар грузовых вагонов (см. приложение Б, Д).
3. Выполнены экспериментальные исследования и моделирование методом
конечных элементов закономерностей деформирования рельсов под поездной
нагрузкой. Разработана методика измерения вертикальной динамической силы,
основанная на временной фильтрации симметричных деформаций шейки рельса и
позволяющая уменьшить влияние подрельсового основания на результаты
измерения силы. Методика защищена патентом, реализована в программном
обеспечении, зарегистрированном в Роспатенте и внедрена на Западно-Сибирской
железной дороге в виде подсистемы «Комплекс-2» (ООО «Транстех»,
г. Новосибирск) для автоматизированного контроля динамических сил в системе
«колесо – рельс» (см. приложение Г).
4. Исследованы методы калибровки тензометрической системы контроля
колес в движении с использованием динамических и статических сил. Показано,
что относительная разница коэффициентов преобразования статической силы и
динамической, импульсной силы с характерной частотой до 1 кГц в
симметричные деформации между шпалами не превышает 2 %, над шпалами –
5 %. Это позволило разработать методику калибровки тензометрической системы,
основанную на поверочной схеме средств измерения силы.
5. Разработана математическая модель формирования сигналов
симметричных деформаций при движении колес с дефектами поверхности
катания на скоростях до 110 км/ч. На основе модели разработан комплекс
временных и амплитудных параметров диагностических сигналов и установлена
их связь с амплитудой динамической силы от колеса на рельс и протяженностью
дефекта.
6. Выполнен контроль динамических сил в системе «колесо – рельс» в
реальных условиях эксплуатации бесстыкового пути. Определены статистические
распределения динамических сил от бездефектных колес и колес с дефектами
поверхности катания. На основе параметров распределений установлены верхние
значения испытательных сил при акустико-эмиссионном контроле боковых рам,
осей колесных пар и колец подшипников грузовых вагонов. Определены
максимально допустимые динамические силы в системе «колесо – рельс»,
согласованные с методикой акустико-эмиссионного контроля.
7. Разработаны методики акустико-эмиссионного контроля
неподрессоренных частей грузовых вагонов, согласованные по динамическим
нагрузкам с системой «колесо – рельс» с учетом влияния дефектов поверхности
катания. Методики внедрены в вагонных ремонтных депо ОАО «ВРК-1»
(Приложение Б, В).
Разработанные методики и алгоритмы оценки устойчивости временных и
амплитудных параметров сигналов и неопределенности координат источников
акустической эмиссии достаточно универсальны и могут быть использованы при
создании методик акустико-эмиссионного контроля различных объектов для
повышения достоверности результатов контроля. Реализованный подход,
основанный на комплексном использовании нескольких методов контроля на
различных этапах жизненного цикла продукции, обеспечивает повышение
надежности контроля и компенсирует ограничения применяемых методов.
Предложенный подход может применяться для контроля и мониторинга
ответственных конструкций, работающих в условиях циклических нагрузок,
способствующих образованию и развитию усталостных дефектов, например
грузоподъемных механизмов.