В соответствии с [1] одним из методов контроля цельнокатаных колес при текущем и среднем ремонте колесных пар вагонов является ультразвуковой.

В Российской Федерации на железных дорогах широкое применение получил механизированный контроль при помощи устройства сканирования колеса – УСК.

Сегодня на железной дороге пользуется популярностью УСК-5А-1 фирмы ООО НПГ «Алтек» (рис. 1).

Рис. 1. Устройство сканирования колеса УСК-5А-1

Способ ввода ультразвука осуществляется контактным способом. Толщина слоя контактной жидкости существенно меньше длины волны (λ>>h). Подача контактирующей жидкости может осуществляться под каждый пьезоэлектрический преобразователь (далее – ПЭП) через распределяющие патрубки или при нанесении вручную непосредственно на поверхность колеса.

    На Белорусской железной дороге хорошо зарекомендовал себя иммерсионный ввод ультразвука при помощи стенда ультразвуковой дефектоскопии ободьев и дисков колесных пар СДВК (рис. 2). Это патент Республики Беларусь № 6017 (патентообладатель – ГО «Белорусская железная дорога».

При иммерсионном способе ультразвука толщина слоя жидкости (расстояние между ПЭП и поверхностью колеса) существенно больше длины волны (λ˂˂h).

Применение такого способа связано в первую очередь с меньшим изменением чувствительности от нестабильности контакта через грубообработанную поверхность цельнокатаного колеса в сравнении с контактным способом [2]. При этом обеспечивается высокая скорость сканирования и производительность контроля. Также при иммерсионном вводе ультразвука исключается механический износ ПЭП из-за отсутствия трения между ним и поверхностью контролируемых колес, а значит и отпадает необходимость частой замены изношенных ПЭП.

Особенностью стенда СДВК является возможность работы на технологических путях цеха без дополнительных грузоподъемных механизмов, а также вписывание всех технологических элементов в межрельсовое пространство, что позволяет монтировать и внедрять стенд в условиях действующих цехов без существенных реконструктивных мероприятий [3].

Рис.2. Стенд СДВК

Сегодня данный стенд носит название стенд ультразвуковой дефектоскопии колесных пар СУДКП (рис. 3). Это усовершенствованный стенд, в котором доработаны некоторые проблемные вопросы в части механизации, компьютерного обеспечения, безопасности технологических операций при работе с СДВК, применяемого на Белорусской железной дороги уже на протяжении более 10 лет.

Рис.3. Стенд СУДКП

    К основным преимуществам стенда СУДКП можно отнести:

• применение компьютера со специальным программным обеспечением позволяет автоматизировать процесс дефектоскопии и вести учёт в базе данных;
  • стабильный акустический контакт ПЭП с колесом;
  • возможность одновременного сканирования двух колёс;
  • время контроля колёсной пары от 5 до 10 минут (в зависимости от выбранного режима работы);
• выявление дефектов по “обязательным” вариантам метода ультразвукового контроля DR2.1, DR2.2, DR3.1, DR3.3 в соответствии с [1];
• возможность настройки стенда для выявление дефектов по “дополнительным” вариантам метода ультразвукового контроля DR1.2, DR3.2 в соответствии с [1];
• реализован вариант метода, не указанный в нормативном документе [1], который позволяет выявить дефекты в опасном месте – зоне перехода обода в диск;
• контактная жидкость – техническая вода, что получается дешевле, чем применять контактные гели или масла, которые в последствии нужно ещё и вытирать [4].

Стенд предназначен для выявления дефектов ободьев и дисков (приободной зоны) цельнокатаных колес колесных пар типов РУ1, РУ1Ш, РВ2Ш при текущем и среднем ремонте.

Стенд позволяет выполнить ультразвуковую дефектоскопию колесных пар при полностью демонтированном буксовом узле, при наличии на оси лабиринтного кольца и внутренних колец подшипников, а также корпуса буксы со снятой смотровой крышкой и стопорной планкой (в случае контроля колесной пары типа РУ-1).

Стенд позволяет выявлять следующие дефекты цельнокатаных колес:

- поперечные единичные трещины в ободе;

- объемные дефекты (газовые пузыри, поры, раковины) в ободе и гребне колеса;

- сетка термических трещин в ободе;

- неметаллические включения;

- трещины в зоне перехода от обода к диску;

- трещины и расслоения в ободе, ориентированные параллельно торцевой поверхности;

- трещины и расслоения в ободе, ориентированные параллельно поверхности катания.

Основные узлы стенда приведены на рис. 4.

1 – каркас; 2 – рама; 3 – узел центровочный; 4 – механизм подъема; 5 – ванна иммерсионная; 6; 7 – механизм перемещения; 8 – акустический блок; 9 – узел определения координат дефектов; 10  ограждение привода вращения; 11 – механизм вращения колесной пары

Рис. 4. Устройство стенда

Контроль цельнокатаных колес колесных пар на стенде производится с помощью иммерсионного ввода ультразвука, применением программируемого одноканального ультразвукового дефектоскопа УД2-102 «Пеленг» и ПЭП с частотой 2,5 МГц (диаметр пьезоэлемента 20 мм), П211-2,5-20.

Акустический блок установлен на механизм перемещения и находится в водной среде иммерсионной ванны, может перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях с помощью механизма перемещения [5].

ПЭП для иммерсионного контроля П211-2,5-20 изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 26266-90 [6].

Расстояние между ПЭП и колесом устанавливается в пределах 45…60 мм. На практике чаще встречается расстояние 50 мм.

Определение угла ориентации ПЭП №11, №13, №21, №23 акустического блока в горизонтальной плоскости по отношению к внутренней поверхности проверяется шаблоном настроечным ШН-1 (ШН ДУВК.741156.001) совмещением одной стороны с плоскостью колеса, а с другой стороны – со срезом верхней части корпуса ПЭП акустического блока. Угол ориентации выше описанных ПЭП должен быть в пределах от 70⁰…72⁰.

Определение угла ориентации ПЭП №14, №15, №24, №25 акустического блока в вертикальной плоскости проверяемого колеса проверяется мерой плоского угла 2-60⁰-2 по ГОСТ 2875, прикладываемой одной стороной к плоской опоре, на которой устанавливается основание акустического блока, второй – к корпусу преобразователя акустического блока. Этот угол в вертикальной плоскости должен быть в пределах 59⁰…61⁰ [7].

Внешний вид иммерсионной ванны, акустического блока и механизма перемещения акустического блока показан на рис. 5.

1 – корпус ванны; 2 – преобразователь ультразвуковой; 3 – акустический блок; 4 – механизм перемещения акустического блока; 5 – проверяемое колесо; 6 – узел определения координаты дефекта.

Рис. 5. Ванна иммерсионная в сборе

Управление стендом осуществляется с пульта управления (рис. 6). Электропитание стенда обеспечивает шкаф электрический.

Процесс управления дефектоскопией осуществляет под управлением ПЭВМ.

Применение двух дефектоскопов УД2102 «Пеленг» с возможностью их коммутации для выбранного режима работы позволяет выполнять дефектоскопию ободьев и дисков колесных пар одновременно с двух сторон колесной пары (двухканальный режим работы) или поочередно с одной, а затем с другой стороны (одноканальный режим работы). Использование ПЭВМ позволяет автоматизировать процесс дефектоскопии колесных пар.

Блок управления и коммутации преобразователей БУКП-06 (далее – БУКП-06) предназначен для управления перемещением акустических блоков, переключения ПЭП, осуществлении связи с ПЭВМ.

1 – блок управления и коммутации преобразователей БУКП-06; 2 – блок розеток 230 В; 3 – блок устройства подготовки воздуха для подъема (опускания) колесной пары; 4 – блок устройства подготовки воздуха привода вращения колесной пары; 5 – шкаф электрический; 6 – дефектоскоп УД2-102ВД правый; 7 – передняя панель управления пульта; 8 – верхняя панель управления пульта; 9 – ПЭВМ; 10 – дефектоскоп УД2-102ВД левый

Рис. 6. Пульт управления

БУКП-06 может работать в трех режимах: ручном, полуавтоматическом и под управлением ПЭВМ. Индикация включенного режима осуществляется на дисплее БУКП-06.

Управление механизмом перемещения акустического блока осуществляется кнопками клавиатуры БУКП-06, виртуальными кнопками программы «СУДКП Регистратор» с ПЭВМ или самой программой «СУДКП Регистратор» при работе в автоматическом режиме.

Настройка браковочной чувствительности производится по настроечному образцу (далее – НО), который изготавливается в соответствии с чертежом [8]. Уровень поисковой чувствительности устанавливается не более 6 дБ к уровню браковочной чувствительности.

Для проверки работоспособности ПЭП и визуального сравнения дефектограмм необходима установка на СУДКП (СДВК) НО, его погружение в иммерсионную ванну, приведение акустического блока с ПЭП в рабочее положение.

Настройки режимов работы дефектоскопа УД2-102 (УД2-102ВД) в комплекте с ПЭП выполняются для каждого канала, а также отдельно для ПЭП левой и правой иммерсионных ванн (табл. 1).

Табл.1. Настройки режимов работы дефектоскопа в комплекте с ПЭП

При контроле обода и зоны перехода обода в диск недопустимыми дефектами являются дефекты, у которых амплитуда эхо-сигнала равна или превышает уровень браковочной чувствительности (средняя линия экрана, звуковой сигнал и свечение индикатора АСД).

При контроле гребня недопустимыми дефектами являются дефекты, у которых амплитуда эхо-сигнала равна или превышает уровень браковочной чувствительности (средняя линия экрана, звуковой сигнал и свечение индикатора АСД). При обнаружении допустимых дефектов, если условное расстояние между двумя дефектами менее 50 мм; количество допустимых дефектов на колесе превышает 10 штук [9].

В разделе «Архив» доступны просмотры результатов дефектоскопии с сортировкой по дате контроля, по номеру колесной пары, за текущий день (при открытии архива), а также возможность просмотра всего архива. Предусмотрена возможность сохранения архива в формате PDF на жестком диске ПЭВМ.

Стенд хорошо зарекомендовал себя в выявлении различных дефектов.

К примеру выявление скрытых одиночных трещин в гребне, когда при первой обточке на токарном станке визуально они еще не обнаруживались, а после второй (в результате забраковки на стенде СДВК после 1-ой обточки) дефекты начали «раскрываться» (рис. 7).

Рис. 7. Выявление одиночных трещин в гребне колеса

Также хорошо выявляются скрытые внутренние дефекты в ободе в виде раковин (рис. 8) в результате неправильной технологии изготовления цельнокатаного колеса на заводе-изготовителе.

Рис. 8. Выявление раковин в ободе колеса

Стенд предусматривает выявление дефектов в приободной зоне. К примеру из таких дефектов можно отнести трещины и расслоения, развивающиеся параллельно поверхности катания колеса (рис. 9).

Рис. 9. Выявление трещины в приободной зоне колеса

Трещина на рис. 9 визуально не обнаруживалась. Только после механической обработки определенного участка, в пределах которого наблюдался скачок амплитуды ультразвукового сигнала на экране ультразвукового дефектоскопа, был зафиксирован дефект в виде трещины.

Проведение контроля в автоматическом режиме на стенде СУДКП

1. На технологическую рельсовую колею подается колесная пара (далее – КП). При движении по рельсовой колее КП останавливают над штоком подъемного устройства. До подъема КП все подвижные узлы стенда должны быть приведены в нейтральное положение. Привод с фрикционным роликом механизма вращения КП, пиноли узлов центрирования отводят в дальнее от устройства подъемного положение, чтобы не препятствовать установке и необходимой ориентации КП. Акустические блоки смещают в ближнее к подъемному устройству положению, чтобы избежать их повреждения.
2. Подъемным устройством осуществляют подъем КП над рабочей поверхностью технологической рельсовой колеи и поворот ее на угол 90°. После поворота подъемным устройством КП опускают на подставки, вложенные в опоры для букс. Подъемное устройство опускается вниз и выходит из контакта с осью КП. КП фиксируется пинолями узлов центрирования. Привод с фрикционным роликом механизма вращения колесной пары подводится в контакт с боковой поверхностью колеса, резиновый ролик узла определения координат дефектов вводится в зацепление с внутренней торцевой поверхностью правого колеса (рис. 10).

После опускания КП убеждаются, что уровень воды, совпадает с верхней кромкой обода.

На внутренней стороне диска наносят меловую отметку, дублирующую расположение клейм.

Рис. 10. Фиксация КП на стенде СУДКП

Рис. 11. Скриншот смены пользователя

Рис. 12. Скриншот ввода параметров КП

5. Программа сама рассчитывает и перемещает ультразвуковые каретки с ПЭП на нужное расстояние по оси координат Х и У по отношению к каждому колесу.

6. После автоматического подвода кареток на рассчитанное программой расстояние, включается вращение КП вокруг своей оси.

7. Программа (рис. 13) фиксирует дефекты одновременно на двух колесах по 1 датчику (угол ввода ультразвука 40⁰).

При обнаружении дефекта КП высвечивается надпись «Дефект», а графическое изображение дефектного колеса и рамка окна контроля окрашивается в малиновый цвет.

Рис.13. Контроль ПЭП №11, №21 с углом ввода 40⁰

8. Программа «СУДКП Регистратор» (рис. 14) фиксирует дефекты одновременно на двух колесах по 2 датчику (угол ввода ультразвука 0⁰).

Рис.14. Контроль ПЭП №12, №22 с углом ввода 0⁰

9. Программа (рис. 15) фиксирует дефекты одновременно на двух колесах по 3 датчику (угол ввода ультразвука 50⁰).

Рис.15. Контроль ПЭП №13, №23 с углом ввода 50⁰

10. Программа (рис. 16) фиксирует дефекты одновременно на двух колесах по 4 датчику (угол ввода ультразвука +45⁰).

Рис.16. Контроль ПЭП №14, №24 с углом ввода +45⁰

11. Программа (рис. 17) фиксирует дефекты одновременно на двух колесах по 5 датчику (угол ввода ультразвука -45⁰).

Рис.17. Контроль ПЭП №15, №25 с углом ввода -45⁰

12. После проведения контроля с помощью программы идет автоматически возврат акустических блоков с ультразвуковыми датчиками (ПЭП) в исходное положение.

13. Все обнаруженные дефекты КП сохраняются в памяти ПЭВМ для последующего анализа. По окончании дефектоскопии высвечивается надпись «Завершено».

Оператор анализирует дефекты и убеждается в их наличии. При ложном срабатывании АСД дефекты идентифицируются как «ложные». К примеру при наличии клейм в той зоне, где фиксируются дефекты на колесе – они квалифицируются как «ложные». Оператор это исправляет и фиксирует как «ложные» нажатием в подменю «Причина» – «Сигн. от клейм» (рис.18).

Далее оператор пролистывает все этапы нажатием виртуальных клавиш «След. этап» или «Пред. этап» и убеждается, что все сделано правильно.

Рис.18. Скриншот исправления ложных дефектов (сигналов от клейм)

14. После пролистывания всех этапов контроля дефектоскопист завершает работу нажатием клавиши «Завершить» и просматривает результаты контроля в архиве в разделе «Архив» (рис.19).

Рис.19. Скриншот результатов ультразвукового контроля

15. По окончании контроля отводят из зацепления приводной ролик механизма вращения и пиноли с опорными центрами. С помощью подъемно-поворотного устройства КП удаляется со стенда и на ее место устанавливается следующая или завершается работа.

Примечание: автоматический контроль представлен для КП с толщиной обода 30 мм. Для колесных пар с толщиной обода более 50 мм после прохождения ультразвукового контроля всеми пятью датчиками (ПЭП) в каждой ванне, каретка опускается на 10 мм ниже от своего первоначального положения и повторно проводится контроль ПЭП с углом ввода 40⁰ (№11, №21) и ПЭП с углом ввода 0⁰ (№12, №22).

Таким образом, используя настройки программы «СУДКП Регистратор» можно создавать условия при которых будет проводится ультразвуковой контроль в зависимости от толщины обода колеса, количества ПЭП и ультразвуковых дефектоскопов, расстояния между колесом и ПЭП и др.

Заключение

Стенд СУДКП (СДВК) отлично зарекомендовал себя на Белорусской железной дороге. Иммерсионный ввод ультразвука позволяет полностью реализовывать варианты методов, описанных в нормативном документе [1]. Отличие только в том, что вместо контактного способа используются иммерсионный, который противоречит вышеописанному документу в части ввода ультразвука.

Соответственно настройка браковочной чувствительности при иммерсионном контроле будет по эталонным отражателям в НО (эквивалентная чувствительность), а при контактном способе ввода ультразвука по мере ОСО №1 из комплекта ОСО 32.008 и СО-2 или СО-3Р (условная чувствительность). Эталонные отражатели в НО при контактном способе в соответствии с [1] будут использоваться в целях проверки правильности настройки ПЭП УСК-5А-1.

Однако при контактном способе имеются ряд недостатков, которые полностью перекрывает иммерсионный с использованием стенда СУДКП (СДВК). Пропуск дефектов при контактном вводе ультразвука будет связано в первую очередь с повышенным износом ПЭП, неравномерностью нанесения контактной жидкости, трудностью проведения непосредственно самого контроля, что сказывается на низкой производительности.

Применение механизированного контактного контроля при помощи УСК-5А-1 или аналогичных устройств в условиях предприятий с большим объемом ремонта колесных пар приведет к потере чувствительности метода, а значит 100% контроль не может быть обеспечен.