Ультразвуковой контроль колесных пар высокоскоростных поездов
Описана полностью автоматизированная установка "AURA" для УЗК железнодорожных колесных пар. Установка разработана в конце 1998 г., а с февраля 1999 г. эксплуатируется на дочернем предприятии DB-AG в Нюрнберге. Вторая установка "AURA" с августа 1999 г. работает на предприятии DB-AG в Мюнхене.
Об авторах
Бернд Рокштро
Заведующий отделом Центра прикладных наук Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (№Р; Саарбрюккен, Германия). Многолетний опыт в области НК на атомных станциях. III европейский уровень по ультразвуковому, радиографическому, магнитопорошковому и капиллярному методам НК. Член Германского общества неразрушающего контроля.
Фридгельм Baльтe
Научный сотрудник Центра прикладных наук, директор по проектам. Работает в институте со дня его открытия (1973). Руководил группой "Специальный контроль", разрабатывавшей новейшие методы контроля для АЭС. Член других германских комитетов и комиссий. Научные интересы - системы ультразвукового контроля деталей и узлов железнодорожного транспорта.
Boльфгaнг Kaппec
Член Центра прикладных наук, руководитель группы "Системы контроля". С 1980 г. занимается вопросами разработки и применения автоматизированных систем УЗ контроля стального проката, а также изделий в процессе эксплуатации. Разрабатывал компьютерные методы характеристики дефектов и методы повышения надежности УЗК. III европейский и американский уровни по НК.
Гepxapд Хюбшен
Постоянная оптимизация средств рельсового транспорта, особенно скоростных поездов дальнего следования типа ICE и TGV, требует постоянного совершенствования техники безопасности. Эти требования ставят сложные задачи и перед неразрушающим контролем материалов.
Для обеспечения безопасности эксплуатации и движения рельсового транспорта предусмотрено проведение контроля колес и целых колесных пар в процессе изготовления и при эксплуатации в заданных временных интервалах и по различным регламентам. При более полном контроле все колесные пары поезда, состоящие из дисков, втулок, осей и навесных деталей, снимаются и исследуются на дефекты в материале и на механические повреждения (изменения). Основанием служит регламентирующее предписание по содержанию железных дорог в исправности.
До сих пор снятые колесные пары в размонтированном состоянии подвергали ультразвуковому контролю (УЗК). Ультразвуковой ручной контроль одной пары занимал более одного часа, причем протоколирование результатов велось вручную. Такой метод отнимает много времени, и результаты лишь ограниченно поддаются воспроизведению.
В тесном сотрудничестве с акционерным обществом Deutsche Bahn AG (его научно-техническим центром в г. Кирхмезер и предприятием в Нюрнберге) Фраунгоферовский институт неразрушающего контроля (IzfP) и Группа разработки технологий (TEG) создали полностью автоматизированную установку "AURA" для контроля железнодорожных колесных пар. С февраля 1999 г. установка эксплуатируется на дочернем предприятии Deutsche Bahn AG в Нюрнберге. Она дает положительные результаты при высоких экономических показателях.
Рис. 1. Установка "AURA" для УЗК колесных пар на предприятии DB-AG в Нюрнберге
В колесных парах с помощью ультразвука проверяют на дефекты ободы и диски колес.
Из-за слоя краски на колесных дисках и звукопоглощающих деталях УЗ датчики можно закрепить только на рабочей поверхности и внутренней торцовой поверхности обода колеса.
Устройство сконструировано так, что можно обнаружить идущие от поверхностей трещинообразные и объемные дефекты. На установке можно проконтролировать колесные пары с диаметром в диапазоне от 780 до 1200 мм. Контроль одной колесной пары длится около 8 минут.
Можно отказаться от магнитопорошкового контроля диска колеса и тем самым снизить затраты времени и средств на демонтаж и монтаж звукопоглощающих деталей. Кроме того, не нужно удалять слой антикоррозийного покрытия.
Рис. 2. Общий вид держателя системы ультразвуковых преобразователей: пневматический
цилиндр прижимает его к контролируемым поверхностям
Для ультразвуковой электроники используется 28-канальная система PCUS40, встроенная в промышленный компьютер. Обслуживание и управление установкой осуществляется при помощи интерактивной программы, которая работает под операционной системой Windows NT 4.0.
УЗК обода и диска колеса проводится 26 обычными УЗ датчиками и двумя ЭМА-датчи- ками, закрепленными в пружинящих держателях, которые обеспечивают контакт с поверхностью.
Контроль проводится перпендикулярно и наклонно УЗ волнами следующих видов:
- продольными волнами (пьезоэлектрический способ);
- поперечными волнами (пьезоэлектрический способ);
- поперечными волнами, поляризованными параллельно диску колеса (ЭМА-метод).
Во время контроля колесо поворачивается на 360°. После поворота держателя датчиков на 180° контроль повторяют.
Рис. 3. Колесная пара с искусственными дефектами
Для настройки системы УЗК используется образец колесной пары с искусственными дефектами. Он проходит через установку в начале и в конце смены, т. е. приблизительно через каждые 8 часов, для контроля параметров настройки и чувствительности.
Искусственные дефекты выполнены на ободе и диске во всех зонах контроля, имеющих значение для выявления дефектов.
Преимущества стенда для УЗК колесных пар заключаются в следующем:
- малые затраты времени на контроль одного колеса;
- автоматические подача и отвод колесных пар;
- отсутствие необходимости в магнитопорошковом контроле диска колеса;
- простота обслуживания систем программными средствами, ориентированными на потребителя;
- удобство ухода и ремонта посредством интегрированного контроля функций;
- возможность дистанционной диагностики состояния установки;
- непосредственное документирование результатов контроля;
- возможность последующей оценки показаний, благодаря запоминанию разверток типа А, В и С;
- составление документации с обеспечением качества;
- быстрое получение информации о наличии бездефектных колесных пар с помощью программного обеспечения "Информационный менеджмент";
- возможность задания параметров и запоминание функций контроля;
- визуализация техники контроля в системе CAD;
- возможность проверки и документирование работоспособности установки в соответствии с регламентирующим документом.
Система УЗК "AURA" оснащена самой современной компьютерной техникой. Все механические, гидравлические и пневматические движения осуществляются автоматически. Данные измерений в ходе контроля вводятся в память для возможного воспроизведения, анализируются, а обнаруженные индикации отмечаются непосредственно на объекте контроля. Данные измерений и результаты вводятся в память для постоянного контроля за качеством колесных пар (в течение всего срока эксплуатации).
Вторая установка "AURA" введена в эксплуатацию в августе 1999 г. на предприятии акционерного общества Deutsche Bahn AG в Мюнхене. На рис. 4 показана установка "AURA" в Мюнхене с контрольной колесной парой.
Рис. 4. Установка "AURA" на предприятии DB-AG в Мюнхене
Разработка системы контроля колесных пар "AURA" основывалась на:
- использовании "ноу-хау" железной дороги на базе очень подробного журнала обследования;
- использовании разработанной в IzfP электронной карты PCUS40 в виде модульных УЗ карт для интеграции в ПК;
- применении оправдавших себя механических элементов прежних стендов контроля DB-AG;
- тесном сотрудничестве с предприятием DB-AG в Нюрнберге еще на этапе создания концепции;
- многолетнем "ноу-хау" контроля при бесконтактном возбуждении поляризованных поперечных волн (ЭМА-метод);
- многолетнем опыте контроля сложных поковок;
- компетенции группы TEG в вопросах автоматизации.
Установка "AURA", созданная IzfP и TEG в сотрудничестве с DB-AG, работает автоматически и существенно облегчает контроль колес. В результате повышается не только надежность контроля, но и его воспроизводимость. Параметры и результаты контроля документируются точно и полностью.