Разработка магнитопорошкового метода неразрушающего контроля надрессорной балки тележки КВЗ-ЦНИИ

В процессе эксплуатации надрессорная балка испытывает как статические, так и динамические нагрузки. Температурный диапазон эксплуатации составляет (–50 °С – +40 °С).

Статическую нагрузку балка испытывает при стоянке вагона, а также  и при движении вагона. Ее величина зависит от массы брутто вагона, а также от массы пассажиров и массы груза, перевозимого пассажирами. При стати-

 

ческой нагрузке условием нагружения является горизонтальный изгиб.

Динамическую нагрузку надрессорная балка испытывает при вписывании в кривые участки пути, а также при воздействии боковых ветровых нагрузок. При динамической нагрузке условием нагружения является горизонтальный и вертикальный изгибы.

При ремонте подвижного состава  главным образом контролируются эксплуатационные дефекты.

Эксплуатационные дефекты  возникают при длительном нагружении конструкций подвижного состава  знакопеременными динамическими усилиями. В эту группу входят следующие дефекты:

• Трещины усталости, возникающие под действием переменных напряжений, в местах резких переходов сечений и других концентраторов напряжений (трещины и отколы).
• Трещины при перегрузке — надрывы в поверхностном слое детали при нагрузках, превышающих предел прочности детали.
• Механические повреждения в виде забоин, вмятин, рисок, местного наклепа, местного уширения.

   Также к эксплуатационным  дефектам можно отнести:

• Трещины контактной усталости (фретинг-коррозия);
• Трещины ползучести;
• Коррозионное повреждение;
• Трещины химической усталости;

Так, механические повреждения  могут возникать на сварных соединениях боковой стенки с верхней и нижней пластинами; опорной поверхностью подпятника; внутренним буртом подпятника; наружным буртом подпятника; сварном соединении опорной плиты с кронштейном гасителя колебаний; сварном соединении кронштейна поводка с опорной плитой; кронштейне гасителя колебаний.

После выявления дефектов принимается решение о ремонте  либо браковке надрессорной балки. Характеристики металла надрессорной балки приведены в таблице 2.

Литейные дефекты на поверхностях допускается исправлять заваркой после предварительной  вырубки или очистки до чистого  металла. Исправлять заваркой допускается  не более 15 % площади поперечного  сечения детали. Общая масса наплавленного металла не должна превышать 3 % массы детали. Заваривать литейные дефекты необходимо до термической обработки. Не допускается исправлять заваркой поперечные трещины, расположенные на тяговых полосах.

Литейная поверхностная пористость допускается по всей отливке, если на 1 см² приходится не более двух пор. Сосредоточенная пористость на отдельных участках допускается, если на 1 см² пор не более трех и площадь пораженных порами участков на деталях не более 25 см² и таких участков не более трех на поверхности детали. Глубина пор допускается не более 3 мм, а диаметр – не более 1,5 мм.

 

2  Анализ исходных  данных и характеристик объекта  контроля

Исходя из того, что магнитные характеристики марок сталей, из которых сделана надрессорная балка, невозможно найти, то заменим сталь Ст3 на более близкую по своей структуре и составу, но более дорогую сталь Ст5.

 

Таблица 2.1 – Характеристики объекта контроля

Метод НК	Материал магнито- провода	Материал изделия	Толщина стенок намагничиваемого изделия b, мм	Шероховатость поверхности объекта контроля Ra, мкм	Уровень чувствительности	Толщина полюсов устройства d, мм	Расстояние между полюсами устройства L, мм	Высота электромагнита h, мм
Магнито- порошковый	Сталь 10	Ст5сп	30	6,3	Б	60	240	160

 

Продолжение таблицы 2.1

Толщина неферромагнитного покрытия δ, мкм	Коэрцитивная сила Нс, А/м	Ширина полюсов электромагнита с, мм	Остаточная индукция Вr, Тл	Напряженность, необходимая для получения Hпр, А/м	Напряженность намагничивающего поля Н, А/м		Магнитная индукция В, Тл
30	640	55	1,10	3600	Сталь10	Ст5	Сталь10	Ст5
					200	200	0,090	0,200
					500	5000	0,535	0,850
					1000	1000	1,110	1,220
					1500	1500	1,250	1,350
					2000	2000	1,360	1,400
					2500	2500	1,445	1,470
					3000	3000	1,490	1,510
					4000	4000	1,575	1,570
					5000	5000	1,635	1,620
					7500	75000	1,710	1,700
					10000	10000	1,780	1,770
					12500	12500	1,835	1,830
					15000	15000	1,870	1,870
					20000	20000	1,940	1,950
					25000	25000	2,000	2,010
					30000	30000	2,040	2,070
					35000	35000	2,070	2,120

 

Минимальная ширина раскрытия  дефектов составит 10∙10^-6 м, а минимальная протяжённость дефекта составит 5∙10^-4 м. Глубина дефекта составит 1∙10^-4 м. Цвет контролируемой поверхности чёрный. Ориентация трещин будет различной для разных мест надрессорной балки, так как разные части надрессорной балки воспринимают различную нагрузку, и направление векторов сил в надрессорной балке также будут различны.

 

3  Выбор  и обоснование метода контроля

       При выборе  метода контроля руководствуются  следующими положениями:

• Выбранный метод должен обеспечить максимальную вероятность выявления поверхностных и подповерхностных дефектов.
• Выбранный метод должен быть экономически эффективным.

В практике неразрушающего контроля нашли применение следующие  методы.

1. Магнитный контроль – основан на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов;
2. Электрический контроль – заключается в регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с объектом контроля
3. Вихретоковый контроль – основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля;
4. Радиоволновой контроль – основан на регистрации изменения параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующего с объектом контроля;
5. Тепловой контроль – основан на регистрации изменения тепловых и температурных полей объекта контроля;
6. Оптический контроль – заключается в регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с объектом контроля;
7. Радиационный контроль – основан на анализе и регистрации проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с объектом контроля;
8. Акустический неразрушающий контроль – основан на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых в объекте контроля;
9. Проникающими веществами – основан на проникновении пробных веществ в полость дефектов объекта контроля.

В связи с тем, что  материал, из которого изготовлена  надрессорная балка, является ферромагнетиком, а возможные дефекты лежат в  поверхностной и подповерхностной зоне, наиболее целесообразно проводить контроль магнитопорошковым, ультразвуковым или феррозондовым методом. По заданию курсового проектирования выбираем магнитопорошковый метод контроля. 

Суть магнитопорошкового  метода заключается в следующем: магнитный поток в бездефектной части изделия не меняет своего направления, если же на пути его встречаются участки с пониженной магнитной проницаемостью, например дефекты в виде разрыва сплошности металла (трещины, неметаллические включения и т.д.), то часть силовых линий магнитного поля выходит из детали наружу и входит в нее обратно, при этом возникают местные магнитные полюсы и, как следствие, магнитное поле над дефектом. Так как магнитное поле над дефектом неоднородно, то на магнитные частицы, попавшие в это поле, действует сила, стремящаяся затянуть частицы в место

наибольшей концентрации магнитных силовых линий, то есть к дефекту. Частицы в области  поля дефекта намагничиваются и  притягиваются друг к другу как магнитные диполи под действием силы так, что образуют цепочные структуры, ориентированные по магнитным силовым линиям поля.

Наиболее распространенным способом нанесения порошка на контролируемую поверхность является нанесение порошка в виде магнитной суспензии. После намагничивания или во время него, деталь или её контролируемый участок должны быть равномерно и обильно обработаны суспензией с заданной концентрацией порошка. Обработка проводится либо путём полива детали суспензией, либо путём окунания её в ванну с хорошо перемешанной суспензией. Осмотр деталей проводится, как правило, невооруженным глазом после полного стекания с контролируемого участка основной массы суспензии.

Для обеспечения надёжного магнитопорошкового контроля необходимы следующие вспомогательные устройства:

• намагничивающее устройство;
• устройство для нанесения магнитной суспензии или порошка на детали;
• осветители контролируемой поверхности видимым (белым) или ультрафиолетовым светом;
• измерители напряженности магнитного поля;
• измерители концентрации порошка в магнитной суспензии;
• контрольные образцы с тонкими дефектами;
• размагничивающие устройства.

Магнитопорошковый метод позволяет  обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты типа нарушений сплошности материала: трещины различного происхождения, флокены, закаты, надрывы, волосовины, расслоения, дефекты сварных соединений и др. соединений.

Необходимым условием применения магнитопорошкового метода для выявления  дефектов является наличие доступа  к объекту контроля для намагничивания, обработки индикаторными материалами и оценки качества.

Результаты контроля объектов магнитопорошковым методом  зависят от следующих условий:

• магнитные характеристики материала,
• форма и размеры объекта контроля;
• шероховатость поверхности объекта контроля;
• наличие и уровень поверхностного упрочнения;
• толщина немагнитных покрытий;
• местоположение и ориентация дефектов;
• напряженность магнитного поля и его распределение по поверхности объекта;
• угол между направлением намагничивающего поля и плоскости дефектов;
• свойства магнитного индикатора и способ его нанесения на объект;
• способ и условия регистрации индикаторного рисунка выявляемых дефектов.

Для надрессорной балки  выполняются все вышеперечисленные  условия. Магнитопорошковый метод  может быть использован как для контроля деталей, изготовленных из ферромагнитных материалов, так и для контроля объектов с немагнитным покрытием (слой краски, лака, хрома, меди, кадмия, цинка и др.). Объекты с немагнитными покрытиями толщиной < 40 мкм могут быть проконтролированы без существенного уменьшения выявляемости дефектов. Надрессорная балка имеет немагнитное покрытие толщиной 30 мкм, то поэтому можно использовать для её контроля магнитопорошковый метод.

Магнитопорошковый метод не позволяет  определять глубину и ширину поверхностных дефектов, размеры подповерхностных дефектов и глубину их залегания, поэтому магнитопорошковый метод совмещают с ультразвуковым методом. Основными недостатками магнитного неразрушающего контроля являются сложность его автоматизации, невозможность обнаружения подповерхностных трещин и определения размеров дефектов, а также большую роль играет человеческий фактор.

Магнитный контроль в зависимости  от физико-химических свойств ОК, его формы и размеров, типа и расположения искомых дефектов, а также мощности намагничивающих устройств проводят способом приложенного магнитного поля (СПП) или способом остаточной намагниченности (СОН).

СПП контролируют детали из магнитомягких, малоуглеродистых сталей, обладающих малыми значениями В_r (не менее 0,6 Тл) и коэрцитивной силы Н_c (менее 800 А/м). Например, оси колесных пар, детали автосцепки

 дефектоскопируют  в приложенном переменном магнитном  поле при продольном намагничивании магнитопорошковым методом. Явление поверхностного эффекта, проявляющееся при этом, способствует лучшему выявлению поверхностных трещин: магнитный поток концентрируется в поверхностном слое металла, увеличивая магнитное поле рассеяния над дефектом.