Измерения и неразрушающий контроль на железнодорожном транспорте

BGCOLOR="#ffffff">Сложность сканирующей системы Достоверность сигнала

Пригодность к, обследован ню оолыних со­оружений

Скользящий контакт Контакт Высокая Высокая Низкая Высокая Низкая Низкая Погружение Фокусное рас­стояние • Средняя • * Высокая

*

Барботер Контакт

*

Высокая • Средняя Средняя

*

Водная струя 1 - 20 см » Средняя Средняя » Высокая Высокая Воздушная среда 1 - 50 см Средняя Низкая

Средняя »

Электромагнитный1

<0,2см Низкая * Высокая Высокая Низкая Низкая Л азер-опти чес ки й 1 - 1000 см Средняя

Средняя Высокая Высокая

1 Требуется электропроводный материал


Технология неразрушающего контроля


Методы неразрушающего контроля позволяют оценивать внутреннее или внешнее состояние материалов, деталей или конструкций без их повреждения или нарушения режима работы. Неразрушающий контроль может включать как простой визуальный осмотр, так и сложный ультразвуковой анализ микроструктуры при окружающей температуре или при охлаждении материала. При выборе метода неразрушающего контроля для конкретного применения необходимо иметь представление о его техноло­гии. Помимо изучения физических возможностей метода, важно также ознакомление с очертанием об­следуемой детали, типом и предполагаемым местом разрыва или наличием дефекта. В большинстве слу­чаев используются технические требования к мето­дике проверки, в число которых входят:

  • уровень аттестации оператора;

  • разрешенные методы неразрушающего контроля;

  • требования к установке и ее проверке;

  • приемочные критерии;

  • документация и формы отчетности;

  • требования к чистоте исследуемой поверхности до и после проверки.

Большинство существующих технологий нераз­рушающего контроля можно разделить на семь ме­тодов: механический и оптический; проникающее излучение; электромагнитный и электронный; звуко­вой и ультразвуковой; химико-аналитический; анализ изображения сигнала; термический. В табл1 приведены основные технические средства, используемые в этих методах.

Для проверки рельсов в пути обычно применяют ультразвуковой метод. В нем используются импульс­ные эхо-сигналы и анализ изменений ультразвука. Эти технические средства доказали свою надежность. Однако все существующие методы неразрушающего контроля имеют свои ограничения по применению. На способность выявлять дефекты в рельсах с по­мощью ультразвуковых методов оказывают влияние:

  • состояние поверхности рельса, характеризующее­ся наличием отслоений и выщербин металла, сетки поверхностных трещин, избыточной смазки, следов от шлифовальных кругов; геометрия головки рельса (изношенный профиль);

  • форма дефекта и его ориентация;

  • электрический или механический шум, проникаю­щий в щуп;

  • недостаточно плотный контакт щуп с поверхностью рельса.

Таблица 3


Эксплуатационные характеристики бесконтактных ультразвуковых щупов-преобразователей


Щуп преоб­разователя Эффективность передатчика Эффектив­ность при­емника

Частота

колебаний

 Удаленность Геометрия детали Скорость сканирования

Расходимость оптического ■,'■■ пучка
Воздушная среда Средняя, низкая для металлов Средняя 20 кГц-5 МГц 0,5- 12 см Следует учиты­вать многовари­антность геомет­рических пара­метров деталей Средняя 40 см/с (2 м/с фиксиро­ванная) Малая (1-5 см)
Водная струя Высокая Высокая 0,5- 15 МГц 1 -20 см Ограниченная по доступности и ра­диусу кривизны Тоже Малая (0,2 -1см)
Лазер-опти­ческий
Низкая 20 кГц - 20 М Гц

1 -1000 см

 Весьма перемен­ная Максимальная 200 см/с (20 м/с фиксированная) Незначительная (0,05 ~ 1 см)

Современные ультразвуковые методы проверки ПОСЦЮШИ на использовании жидкого связующего вещества и непосредственном контакте искателя с обследуемой поверхностью. Это ограничивает зону проверяемого сечения рельса. Бесконтактные систе­мы позволяют увеличить площадь проверяемого се­чения рельса.


Перспективные технологии

Центр транспортных технологий (ТТС, США) и университет Johns Hopkins работали над идентифи­кацией ультразвуковых технических средств, кото­рые можно использовать для проверки рельсов в пу­ти. Университет провел сопоставление различных ультразвуковых устройств, которые можно применять на контактной и бесконтактной основе. В табл. 2 при­ведены рабочие характеристики ультразвуковых щу­пов различных типов, приспособленных для скани­рования.

Наиболее перспективными являются бесконтакт­ные технические средства. К ним относятся преобра­зователи, связанные через воздушную среду или вод­ную струю, а также лазерно-оптические.

В табл. 3 сопоставлены данные по бесконтактным устройствам трех типов. Их сравнение показывает, что путем объединения лазер-оптического передаю­щего преобразователя с принимающим, связанным с рельсом через воздушную среду, при дефектоскопии может не потребоваться смачивание рельсов для луч­шего проникновения ультразвука в головку рельса. Применение такой бесконтактной системы позволяет устранить или свести к минимуму некоторые ограни­чения, присущие обычным ультразвуковым методам проверки рельсов.

Предварительные результаты показали, что ис­пользование лазерно-оптических передающих пре­образователей, объединенных с принимающими, по­зволяет выявлять поперечные трещины в подошве рельса. Бесконтактный метод, помимо устранения потребности в жидкой связующей среде между пре­образователем и поверхностью рельса, сводит к ми­нимуму помехи, возникающие при проверке кон­тактными ультразвуковыми методами стрелочных переводов и глухих пересечений, стыковых накла­док, костылей, рельсовых клемм и других элементов пути.

Схема ультразвуковой дефектоскопии рельсов с помощью лазерного преобразователя

Работу устройства проверили на образце рельса в лабораторных условиях и на рельсах длиной 6,1 м, установленных в пути. Для испытаний в пути преоб­разователи лазерный и с воздушной связью размес­тили на ручной рельсовой тележке. Эту систему пла­нировали оценить на испытательном полигоне ТТС к концу 2002г.

При содействии Ассоциации американских же­лезных дорог (AAR) ТТС планировал продолжить разработку методов дефектоскопии рельсов, кото­рые дополнят существующие измерительные систе­мы. Основное внимание будет уделено повышению эффективности проверки состояния рельсов. Удач­ные варианты планировали реализовать в виде опыт­ных образцов и провести их испытания для оценки эксплуатационных возможностей. Наиболее эффек­тивные системы будут представлены к внедрению.

VI. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ПРИ РЕМОНТЕ И ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА


В.А. СМИРНОВ, заместитель генерального директора — главный инженер ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта», кандидат технических наук В.Л. ЛАЗАРЕВ, главный конструктор Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД»

Н.Ю. ИЛЬЮЩЕНКОВА, начальник сектора неразрушающего контроля Проектно-конструкторского бюро вагонного хозяйства ОАО «РЖД»

На предприятиях по ремонту подвижного состава железных дорог Германии и Франции при­меняются ультразвуковой, магнитопорошковый, вихретоковый, визуальный, капиллярный и рентге­нографический методы неразру­шающего контроля (НК). Основ­ным объектом неразрушающего контроля подвижного состава яв­ляются колесные пары.

При поступлении колесных пар в ремонт на первой позиции технологического процесса на автоматизированной установке ультразвукового контроля с элекромагнитоакустическими преоб­разователями измеряются оста­точные механические напряжения в колесах (для подвижного соста­ва с колодочными тормозами). Забракованные колес­ные пары направляются на тер­мообработку. В дробеструйной установке стальной дробью (диа­метром около 1 мм) очищаются диски колес, а также зоны контак­та ультразвукового преобразова­теля с поверхностью оси. Далее при помощи оптической или лазерной автоматизированной измерительной установки выполняются контроль геомет­рических параметров и обточка колесных пар. Установки измеря­ют диаметры и профили колес по кругу катания, расстояние меж­ду внутренними гранями, ширину обода, длину и диаметр шеек. Колесная пара подъемным уст­ройством устанавливается на стенд и приводится во вращение фрик­ционным роликом. На оптической установке профили обоих колес видны на экране на фоне шаблона стандартного профиля. Лазерная установка обеспечивает автома­тический контроль с электронной паспортизацией данных колесных пар колеи 1435мм диаметром от 630 до 1005мм массой до 2 т. Вре­мя проверки колесной пары - по­рядка 5 мин.

Неразрушающий контроль цельнокатаных колесных пар при ремонте осуществляется с исполь­зованием автоматизированной установки AURA (Фраунгофе-ровский институт НК, Германия), оснащенной манипуляторами со сканирующими устройствами для ультразвукового и вихретокового контроля и многоканальной сис­темой сбора и обработки данных.

Контроль поверхности катания на наличие термических трещин (образуются при торможении ко­лодочными тормозами) осущест­вляется с использованием вихре-токовых преобразователей. Для обеспечения высокой помехоза­щищенности блоки электроники ультразвукового модуля обра­ботки данных помещены в непос­редственной близости от датчиков на манипуляторе сканирующего устройства. В современных мо­дификациях используются мно­гоэлементные преобразователи с фазированными решетками, что позволяет сократить коли­чество датчиков. Перемещение сканирующих устройств, пода­ча контактирующей жидкости (вода) и контрольные операции осуществляются автоматически. Время проверки колесной пары -А—7 мин.

В зависимости от модификации установки контроль осей и колес выполняется раздельно или на од­ной позиции. Контроль оси произ­водится в зонах наиболее вероятного образования трещин (шейка оси, подступичная часть, места посадки тормозных дисков) с по­мощью многоэлементных ультра­звуковых преобразователей, ус­танавливаемых на цилиндрические поверхности оси. Преобразова­тель состоит из 64 чувствительных элементов, каждый из которых имеет определенный угол ввода ультразвука. Время проверки оси — 4—5 мин. В более поздних мо­дификациях установки применяют ультразвуковые преобразовате­ли с фазированными решетками (4 группы преобразователей), поз­воляющие существенно расширить диаграмму направленности (угол ввода луча может изменяться от 28 до 72°).

Использование установки поз­воляет выполнить весь спектр контрольных операций в авто­матическом режиме с элект­ронной паспортизацией данных. Окончательное решение о год­ности колесной пары принимает оператор.

Магнитопорошковый контроль дисков цельнокатаных колес под­вижного состава проводят вруч­ную с применением люминес­центных магнитных индикаторов. Намагничивание колеса произво­дится по секторам соленоидом переменного тока (способом приложенного поля). Размагни­чивание колеса при этом не тре­буется. Качество магнитного ин­дикатора (магнитной суспензии) проверяется на стандартном об­разце — диск со шлифовочными трещинами. Достаточность осве­щения ультрафиолетового облу­чателя проверяется с помощью люксметра. Для лучшей выявляе­мости дефектов в ультрафиоле­товом освещении рабочее место затемнено.

Технология неразрушающего контроля деталей буксового узла ограничена визуальным ос­мотром роликов, сепараторов и колец без разборки подшипников (подшипники на железных доро­гах Германии и Франции не ре­монтируют) . Следует отметить повышенное внимание к качеству очистки подшипников, корпусов букс и других деталей буксо­вого узла перед проведением контроля.

Для проведения контроля ко­лесных пар в процессе эксплуатации в смотровых канавах (на эстакадах) пунктов технического обслуживания высокоскоростных поездов ICE используются уста­новки UFPE. Установки осуществляют ультразвуковой контроль дисков колесных пар методом V-образного прозвучивания, для чего используются 4 группы преобразователей с фа­зированными решетками, работа­ющими на частоте 2 МГц (в первых модификациях установок исполь­зовались 17 и 12 измерительных головок для тяговых и ходовых колесных пар соответственно). В качестве контактной жидкости используется вода.

Для проверки различных типов колесных пар (разный диаметр колес) используют сменные мо­дули и измерительные головки с изменяемой геометрией. Время проверки одной колесной пары менее 10 мин. За последние годы разработаны разные модификации установки, позволяющие проверять одновременно две ко­лесные пары, что обеспечивает повышенную производительность и сокращает время простоя поез­да при ремонте и обслуживании. Установки внедряются в депо по обслуживанию скоростных по­ездов ICE всех модификаций с 2000г. Ежегодно ими выбрако­вывается около 1% проверенных колесных пар.

Контроль полых осей осущест­вляется ультразвуковым методом при помощи автоматизированных мобильных MPS 01 и стационарных MPS 02 установок. В состав мо­бильного комплекса HPS 01 входят держатель головок, телескопичес­кая штанга и тележка для подъезда и установки. Перемещение преоб­разователей осуществляется внут­ри оси по винтовой траектории, угол ввода лучей — 0, 37 или 45° в зависимости от диаметра отверс­тия в оси. Время проверки состав­ляет 20—25 мин.

Первая установка внедрена в 2002г. в депо Гамбург. Всего на предприятиях по ремонту и обслу­живанию высокоскоростных и при­городных поездов используется 16 таких установок. Стационарная ав­томатизированная установка HPS 02 оборудована тремя измери­тельными головками на телескопи­ческом манипуляторе и позволяет контролировать различные типы полых осей диаметром от 30 до 90 мм.

Для железных дорог Германии ведутся перспективные разработ­ки систем неразрушающего конт­роля колесных пар при движении поезда со скоростью до 5 км/ч. Датчики устанавливаются вдоль специальных рельсов в виде мат­рицы 4x130 шт. и осуществляют контроль дисков ультразвуковым методом. Для выявления дефек­тов в гребне колес используют 80 дополнительных преобразовате­лей. В качестве контактной жид­кости используется вода.

Неразрушающий контроль локомотивов на железных до­рогах Франции осуществляется преимущественно ручными при­борами на механизированных позициях. При осуществлении магнитопорошкового контроля крупногабаритных деталей пе­ремещение намагничивающего устройства, поворот и фиксация контролируемой детали в произ­вольном положении механизиро­ваны. Подача суспензии осущест­вляется вручную из пластиковой емкости с распылителем.

Величина магнитного поля оце­нивается по показаниям ампер­метра генератора тока намагничи­вающего устройства (допустимая для работы зона выделена на ин­дикаторе цветной маркировкой, которая наносится при аттестации установки). Особенностью орга­низации ультразвукового контро­ля на железных дорогах Франции является запрет использования заранее установленных програм­мных настроек. На предприятиях по ремонту и обслуживанию вы­сокоскоростных поездов TGV для сокращения времени проверки ис­пользуются автоматизированные установки, аналогичные применя­емым в Германии.

Широкое распространение на железных дорогах Франции полу­чили капиллярные методы контро­ля для обнаружения поверхност­ных дефектов крупногабаритных деталей (рамы тележек, картеры дизелей) и деталей, изготовленных из немагнитных материалов (алю­миниевые сплавы, легированные стали, композиционные матери­алы). Используются два вида пенетрантов на основе углеводоро­дов — цветные (окрашенные) для выявления крупных дефектов на больших площадях поверхностей и флюоресцентные - для поиска «тонких» дефектов.

Пенетранты на основе уайт-спирита не применяются в связи с опасностью для человека и низкой эффективностью использования средств индивидуальной защиты. Диапазон рабочих температур большинства применяемых пенетрантов 10-50 °С. В ряде случаев могут использоваться специаль­ные средства с диапазоном, сме­щенным в сторону более высоких или низких температур. Для визу­ализации дефектов используются жидкие проявители на базе лету­чих растворителей. Удаляют пенетрант и проявитель водой.

Типовое время дефектоскопии рамы тележки локомотива капил­лярным методом составляет 2 ч (без учета подготовительных опе­раций по очистки поверхности), расход пенетранта при нанесении кисточкой — 1 литр.

Из деталей сцепного устройс­тва в незначительном объеме производится контроль магнитопорошковым способом (либо рентгеноскопией) крюков, пре­имущественно после выполнения сварочных работ.

Система стандартов в облас­ти неразрушающего контроля концерна DB включает качество поставляемых деталей подвиж­ного состава, квалификацию пер­сонала и организацию обучения, технологические процессы и их составляющие, требования к мет­рологическому обеспечению, анализ результатов, мониторинг и менеджмент.

Головной организаций в облас­ти нормативно-технической доку­ментации на железных дорогах Германии является DB Systemtech-nik. Для разработки стандарта со­здается рабочая группа с участи­ем ведущих специалистов этого подразделения, представителей эксплуатирующих организаций концерна DB, научных центров и предприятий-изготовителей про­дукции. Согласование разрабо­танных стандартов осуществляется Федеральным ведомством желез­нодорожного транспорта (ЕВА).

Контрольные образцы (колес­ные лары с искусственными де­фектами и т.д.) централизованно изготавливаются и проходят пе­риодическую метрологическую аттестацию в испытательном цен­тре DB Systemtechnik. В качестве характерной особенности средств метрологического обеспечения следует отметить широкое рас­пространение контрольных об­разцов однократного применения, используемых для проверки ка­чества магнитной суспензии и пе-нетрантов.

Требования к организации и качеству подготовки персонала НК определены международным стандартом EN 473. Ответствен­ным за неразрушающий конт­роль на предприятиях является технический директор. Контроль качества проведения НК выполня­ет руководитель группы, имею­щий второй либо третий уровень и прошедший дополнительное обучение на специализированных курсах.

Дефектоскописты, как прави­ло, имеют первый уровень и при не-полнои занятости могут вы­полнять другие операции на ре­монтном участке. Сертификация персонала для предприятий DB не является обязательной при условии, что ответственный за НК имеет уро­вень квалификации не ниже второ­го по методам НК, применяемым на данном предприятии. Персонал, проводящий операции контроля, проходит начальную подготовку и периодическое (раз в 5 лет) повы­шение квалификации и ежегодную проверку состояния зрения (для операторов, осуществляющих ви­зуальный, магнитопорошковый и капиллярный контроль).

На железных дорогах Герма­нии подготовку дефектоскопистов осуществляют по единой про­грамме, но с разделением на НК рельсов и подвижного состава. Время подготовки специалиста по программе первого уровня составляет 40 ч. Для работы на автоматизированных установ­ках проводится дополнительное обучение.

Подготовка персонала по неразрушающему контролю на железных дорогах Франции осу­ществляется в дорожном учеб­ном центре в Руане. Годовая про­грамма обучения — 250 человек. Систему подготовки отличает уз­кая специализация по видам кон­троля и типам контролируемых деталей. Оператор готовится для конкретного технологического участка и операции, за счет этого сокращается время подготовки при обеспечении высокого качес­тва практических навыков обнару­жения дефектов. Так, обучение оператора ультразвукового конт­роля колесных пар первого уров­ня длится 12 дней, периодическое повышение квалификации — четы­ре дня. Последующее обучение на второй уровень занимает 12 дней. Для магнитопорошкового ме­тода соответственно четыре дня обучения на первый уровень, один день — повышение квалификации, семь дней для обучения на второй уровень. Для капиллярного мето­да — четыре дня на первый уро­вень, шесть дней на второй и один день — периодическое повышение квалификации.

VII. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Контроль качества изделий методами неразрушающего контроля. М.Ф.Капустьян, В.А.Рыбник. ОмГУПС, Омск 2002, 27 c

  2. Журнал “Железные дороги мира”-2003, № 9 стр.59-63

  3. Журнал “Железнодорожник” 2007, № 3 стр. 73-76

  4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Спра­вочник / Под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986. 357 с.

- 39 -