ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Уральский государственныйуниверситет путей сообщения
Кафедра «ТКМ и химии»
Ультразвуковой контроль осиколёсной пары электровоза ВЛ-10
Проверил
преподаватель
Ригмант М.Г. Выполнил
студент группы 2003 — Т — 1062
Шумаков Г.В.
Екатеринбург
2008
Содержание
1 Описание контролируемой детали
2 Сущность метода контроля УЗК
2.1 Физические основы
2.2 Пьезоэффект и пъезоэлектрические преобразователи
3 Методика работы
4 Обоснование метода
Список используемых источников
1 Описание контролируемой детали
Унифицированные колёсные пары с зубчатымколесом на удлиненной ступице устанавливаются на электровозы ВЛ60к,ВЛ80, ВЛ80к, а так же ВЛ10 и ВЛ11. Они состоят из оси, накоторую с усилием 110-150 тс напрессованы колёсный центр с бандажом и зубчатымколесом. Колёсные пары должны удовлетворять требованиям ГОСТ 11018-64.
Оси изготовляют из осевой локомотивнойстали Ос. Л ГОСТ 4728-72. Откованные заготовки осей нормализуют с последующимотпуском. Ось должна удовлетворять требованиям ГОСТ 3281-59. Допуск диаметраподступичной части оси подбирают по фактическим размерам сопрягаемых поверхностейколеса и оси, обеспечивающим условия запрессовки.
/>
Рисунок 1 – Унифицированная колёсная параэлектровозов ВЛ60к, ВЛ80, ВЛ80к, а так же ВЛ10 и ВЛ11.
2 Сущность метода контроля УЗК
2.1Физические основы
Акустические методы контроляоснованы на свойствах упругих механических колебаний, которые могут бытьвозбуждены в различных физических средах: твёрдых, жидких и газообразных.Упругие колебания представляют собой колебания частиц среды относительно своегоположения равновесия, которые могут передаваться от одних частиц к другим т.е.такие колебания сопровождаются распространением энергии. Распространение энергиипри упругих колебаниях происходит в виде волн за счёт упругих межмолекулярныхсвязей.
В зависимости от частотымеханических колебаний различают звук (механические колебания с диапазономчастот от 16 Гц до 20 кГц, воспринимающиеся человеческим ухом), ультразвук(механические колебания с частотой свыше 20 кГц) и инфразвук (механическиеколебания с частотой ниже 16 Гц). При контроле акустическими методаминеразрушающего контроля используется, как правило, ультразвук. Упругие волны,распространяемые в среде источником ультразвука, в зависимости от своих свойствподразделяются на продольные, поперечные и поверхностные, причём поперечные иповерхностные волны могут распространяться только в твёрдых телах. Поверхностныеволны могут распространяться в твёрдых телах только в поверхностном слое,глубина которого не превышает длину волны (λ). Акустическиепараметры некоторых материалов приведены в таблице 1.
Длина волны равна пути,пробегаемому волной за время полного цикла колебаний. Это время называетсяпериодом колебаний (Т ). Число периодов колебаний в секунду называется частотойколебаний (f). Частота колебаний с периодом колебаний связаныпростой зависимостью:
f=/>(1)
Длина волны выражаетсязависимостью
λ = с∙Т,(2)
где с — скоростьраспространения волны в данной среде.
Учитывая формулы (1) и(2) длину волны можно выразить через частоту:
λ=/>. (3)
Эти соотношениясправедливы для всех типов волн.
Величина энергии,проходящая в единицу времени через площадь 1 м2, расположенную перпендикулярно к направлению движения волны, называется интенсивностью волны IВт/м (силой звука). Но поскольку на практике интенсивности звуковых волнизменяются в больших пределах, то для удобства их сравнения применяютсяотносительные логарифмические единицы -децибелы (дБ). Уровень силы звука вдецибелах будет:
N = 10∙lg/>(4)
где I0 — некоторое пороговое значение интенсивности звуковойволны.
Важными характеристикамидля ультразвукового контроля являются значения амплитуд колебаний (А) извукового давления (Р):
Р = р∙с∙ώ∙А, (5)
где р — плотность среды;
с — скоростьраспространения волны;
ώ = 2∙π∙f — круговая частота колебаний.
Волновое сопротивление среды Z (Z = р∙с)имеет большое значение при переходе ультразвуковой волны через границу разделасред.
При прохождении ультразвуковой (УЗ) волнычерез границу раздела двух сред одна часть энергии волны проходит через границу,а другая отражается от неё. В этом случае интенсивность отражённой волны (Iотр)будет пропорциональна интенсивности падающей волны (Iпад) икоэффициенту отражения R:
Iотр = R∙Iпад.(6)
Коэффициент отражения в свою очередь равенразности волновых сопротивлений граничащих сред:
R = Z1 -Z2(7)
При R=0 будет наблюдаться полноепрохождение ультразвука через границу раздела сред. Чем больше различиеволновых сопротивлений сред, тем большая часть энергии отразится от границыраздела сред.
На этом физическом явлении основаны всеконтактные методы ультразвуковой дефектоскопии. Т.к. при наличии дефекта(несплошности) всегда имеется граница раздела между материалами несплошности иизделия c R ≠ 0 (сталь — шлак, сталь — воздух и т.п.), то врезультате на ней будет происходить отражение Уз волны и частичное прохождениееё через границу раздела. Поэтому дефекты могут быть обнаружены путёмрегистрации отражённых или прошедших УЗ волн.
Основными контактнымиметодами являются теневой, зеркально-теневой и эхо-импульсный методы.
Важное значение вультразвуковой дефектоскопии имеет угол падения волны на границу двух сред,т.к. он влияет на образование продольных, поперечных и поверхностных волн.Например, если ввести продольную ультразвуковую волну в металл через призму изоргстекла с углом менее 7°, то в метши введётся только продольная волна, от 28до 55° — только поперечная, более 55° — только поверхностная волна. В связи свышесказанным необходимо обратить внимание на то, что при прозвучивании осиколёсной пары вагона с торца продольной волной, последняя падает нацилиндрическую поверхность оси в её средней части под углом, близким к 90°, итрансформируясь в поперечную, отражается от неё под углом в 33°. Эти явлениянеобходимо учитывать для получения достоверных результатов контроля.
2.2 Пьезоэффект и пьезоэлектрическиепреобразователи
Ультразвуковаядефектоскопия как средство обнаружения дефектов в изделиях базируется насвойствах ультразвука — проникновении в различные среды и отраженииультразвуковых волн от границы раздела сред.
В определённых условияхультразвуковые колебания могут излучать некоторые природные и искусственныевещества, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. К ним относятся кристаллическиевещества: кварц, турмалин, сегнетова соль, сульфат лития; керамическиевещества: титанат бария (ТБК-3), цирконат титанат свинца (ЦТС-19, ЦТСНВ-1,ЦТС-23). Сущность пьезо-эффекта состоит в том, что сжатие пластины изпьезоматериала приводит к появлению на её поверхностях электрических зарядов.Это явление называется прямым пьезоэффектом. Если жепластинупоместить в переменное электрическое поле, то её толщина будет колебаться счастотой изменения поля. Такой пьезоэффект называется обратным. Эти явленияпозволяют преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые колебания иобратно. Наибольший эффект пьезопреобразования достигается при равенствесобственной частоты пьезопластины и частоты приложенного электрического поля(резонансе), который достигается при соотношении:
d=/>, (8)
где λп — длина волны впьезопластине.
Пьезоэлектрическийпреобразователь (ПЭП) предназначен для ввода ультразвуковых колебаний вконтролируемую деталь, а также для приёма отражённых от границы раздела УЗ волни преобразования их в электрические сигналы для последующей обработкиэлектронными блоками дефектоскопа.
Пьезоэлектрическийпреобразователь представленный на рисунке 1 состоит из корпуса, в которыйустановлена пьезоэлектрическая пластина, наклеенная на протектор из оргстекла(для наклонных преобразователей на призму из оргстекла), питающих проводов,электроразъёма и демпфера.
/>
Рисунок 1 — Конструкцияпьезоэлектрических преобразователей:
а- прямой; б- наклонный; в- раздельно-совмещённый
Пьезопластина покрыта сдвух сторон токопроводящими слоями металла (например, серебра), которые являютсяэлектродами. Т.к. при колебании пластины колебания Распространяются в обестороны, то пространство с обратной стороны пластины заполняется демпфирующимматериалом, который гасит эти колебания и, следовательно, исключает возможностьфиксирования их дефектоскопом.
ПЭП работает следующимобразом. Пьезопластина колеблется с частотой подведённого к её электродамнапряжения. Если подачу напряжения прекратить, то пластина ещё некоторое времябудет совершать свободные колебания и отдавать энергию этих колебаний вконтактирующую с ней среду, но их амплитуда будет быстро затухать. Такимобразом, формируется короткий ультразвуковой зондирующий импульс. Пьезопластинавозбуждает в призме исключительно продольную волну.
ПЭП бывают различныхвидов:
В зависимости угла вводаУЗ волн
- Прямые, когда у.з. колебания вводят в контролируемуюдеталь под углом 0° к вертикали (позволяют вводить только продольные волны);
- наклонные — вводят УЗ колебания под углом, заданнымконструкцией ПЭП.
В зависимости отконструктивного исполнения ПЭП могут быть:
- раздельными, когда они выполняют функцию приёмника илиизлучателя УЗ колебаний;
- совмещёнными, когда выполняют функцию приёмника иизлучателя УЗ колебаний;
- раздельно-совмещенными, когда два раздельныхпреобразователя смонтированны в общем корпусе и разделены акустическим экраном.
Кроме того, существуютспециализированные преобразователи, изготовленные для контроля конкретного типадеталей. Например, ПЭП для контроля осей колёсных пар с торца оси (РУ-1Ш) или сзарезьбовой канавки (РУ-1). Корпус этого преобразователя повторяет собой формуоси в месте его установки. Внутри этого ПЭП смонтированы два совмещённых ПЭП(один прямой и один наклонный), а также схема их коммутации.
Оператор-дефектоскопистдолжен хорошо знать параметры и свойства преобразователей, применяющихся дляконтроля. Эти знания помогают правильно оценить значения сигналов, возникающихна электронно-лучевой трубке дефектоскопа. От этого зависит достоверностьультразвукового контроля. Характеристики ПЭП нормируются по ГОСТ 23702-79.
3 Методика работы
3.1 Общие положения
3.1.1 Ультразвуковому контролюподвергаются оси локомотивных колёсных пар при заводском и деповском ремонте.
3.1.2 Выполнение ультразвукового контроляпо данной технологии обеспечивает выявление в осях усталостных трещин ивнутренних несплошностей, являющихся браком завода-изготовителя, эквивалентныхили большим по своим отражающим свойствам искусственным отражателям в КО оси,используемым для настройки чувствительности, а так же позволяет оценитьструктуру металла осей.
3.1.3 Контроль осей производитсяультразвуковым дефектоскопом УД2-12, имеющим в комплекте прямойП111-2,5-К12-002 и наклонные П121-2,5-40-002, П121-2,5-18 преобразователи.
3.1.4 Для проверки работоспособности, атак же настройки чувствительности дефектоскопа необходимо изготовитьконтрольный образец (КО) оси электровоза. КО изготавливается по эскизу,приведённому на рисунке 2
3.1.5 Технология контроля включает в себяследующие этапы:
– подготовка к контролю;
– проведение контроля;
– оценка качества проконтролированнойдетали.
3.2 Подготовка к контролю
Подготовка к контролю включает:
– подготовку аппаратуру к работе;
– подготовку оси.
3.2.1 Подготовка аппаратуры к работе
Подготовка аппаратуры к работе включает:
– подготовку дефектоскопа к работе;
– настройку масштаба развёртки;
– настройку чувствительности дефектоскопа.
Подготовка дефектоскопа к работе
Установить органы управления дефектоскопав исходные положения в исходные положения в соответствии с картой,представленной в виде таблицы 1.
Таблица 2 — Технологическая карта процессаультразвукового контроля болтов крепления полюсов ТЭДКонтроль неразрушающий Ультразвуковой метод На листах 4
Предприятие ТЧ-5 Тип Колёсная пара Электровоза ВЛ-10 лист № 1
УТВЕРЖДАЮ:
Главный инженер
__________________________
дата ___________ Изделие: Ось. Дефектоскоп УД2-12 №123456.
Преобразователи ультразвуковые
П111-2,5-К12-002,
П121-2,5-40-002,
П121-2,5-18 Контролируемый объект
Объем
контроля
Поверхность
сканирования Браковочная чувствительность
Зона контроля,
положение эхо-сигнала НД на контроль инструкции Цтэр-13/3 Болт крепления полюсов. цилиндрическая часть Торец головки болта. Контроль проводится электронным блоком и преобразователями, для которых зафиксированы значения браковочных режимов чувствительности /> /> /> /> /> /> /> /> />