2. Выбор неразрушающего контроля

В своей работе я хочу подробно ознакомиться с вихретоковым методом контроля. Цель настоящей работы обратить внимание на возможность эффективного применения вихретокового метода для выявления поверхностных дефектов деталей с грубо обработанной поверхностью на примере контроля литых деталей подвижного состава железнодорожного транспорта.

Факторы влияющие на выбор:

- высокая надежность обнаружения поверхностных дефектов;

-высокая скорость контроля;

-возможность бесконтактного съема информации;

-широкие возможности автоматизации;

-сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами;

-не требует расходных материалов, энергоемок и, как показывает мировая практика, значительно удешевляет проводимые работы по контролю и диагностике;

-вихретоковый метод с применением селективных вихретоковых преобразователей мультидифференциального типа и дефектоскопа типа ВД 3-71 может эффективно применяться для дефектоскопии грубо обработанных поверхностей литых изделий;

-дальнейшее улучшение соотношения сигнал/помеха при контроле грубо обработанных поверхностей может быть достигнуто на основе дифференциальной обработки сигнала при сканировании.

В своей работе для вихретокового контроля, из деталей подвижного состава я выбираю надрессорную балку тележки модели 18-100. Это одна из наиболее важных и очень значимых деталей тележек вагонов. Она воспринимает колоссальные продольные и поперечные нагрузки, поэтому должна удовлетворять жестким требованиям неразрушающего контроля, в том числе и вихретоковому методу.

Требования к материалам.

Рамы и балки и должны отливаться из низколегированной стали, выплавляемой в электрических или мартеновских печах с основной футеровкой. Сталь должна быть раскислена алюминием. Рекомендуемая массовая доля алюминия в стали всех марок от 0,020 % до 0,060 %. Вид и количество других раскислителей (модификаторов), а также способов раскисления (модифицирования) выбирает предприятие-изготовитель.

При суммарном содержании хрома, никеля и меди более 0,90 % в стали марок 20ГФЛ, 20ГЛ. 20ГТЛ содержание углерода не должно превышать 0,24 %. Суммарное содержание серы и фосфора в стали этих марок не должно быть более 0,060 %, а при выплавке стали в мартеновских печах, работающих только на мазуте - не более 0,070%.

Рамы и балки следует подвергать термической обработке (нормализации или нормализации с отпуском) по режиму предприятия-изготовителя.

Вид излома и микроструктура стали рам и балок после окончательной термической обработки должны быть мелкозернистыми и соответствовать контрольным образцам, утвержденным в установленном порядке.

Материал для изготовления надрессорных балок

Надрессорные балки изготавливают из сталей марок 20ГЛ, 20ГФЛ, 20 ГТЛ согласно ОСТ 32.183-2001. При суммарном содержании хрома, никеля и меди более 0,90 % в стали марок 20ГФЛ, 20ГЛ, 20ГТЛ содержание углерода не должно превышать 0,24%. Суммарное содержание серы и фосфора в стали этих марок не должно быть более 0,060 %, а при выплавке стали в мартеновских печах, работающих только на мазуте - не более 0,070 %.

Чистота поверхности( уровень шероховатости).

Рассмотрим возможность применения вихретокового контроля деталей с грубо обработанной поверхностью на примере контроля боковой рамы тележки подвижного состава и надрессорной балки. Указанные узлы изготавливаются из стали марки 20ГЛ методом литья в землю. После нормализации материал имеет феррито-перлитную мелкозернистую структуру. Шероховатость поверхности соответствует RZ 320. Обнаруженные литейные дефекты подлежат разделке с последующим исправлением сваркой. Типичный характер контролируемой поверхности представлен на рис. 1

Отчетливо видны типичные для литой поверхности спайки (углубления с закругленными краями) и газовая шероховатость, обусловленная ростом газовых раковин на границе с формой (а), а также выпуклая сетка следов от формы (б).

Рис. 1. Типичное состояние поверхности литых деталей рамы тележки и балки.

Проведенные исследования позволили усовершенствовать технологию вихретоковой дефектоскопии литых деталей.

Формы и размер надрессоной балки тележки модели 18-100

Формы и размеры надрессоной балки тележки модели 18-100 представлены на рис. 2,3

Рис. 2 Надрессорная балка тележки модели 18-100

Рис. 3 Надрессорная балка тележки модели 18-100

Зоны контроля надрессоной балки

При контроле надрессорной балки тележки тщательно контролируют зону подпятника, в том числе, кромки наружного и внутреннего бурта, переходы от наружного бурта подпятника к верхнему поясу балки. Кроме того, контролируется верхний пояс надрессорной балки, кромки технологических отверстий, зоны боковых стенок, нижний пояс надрессорной балки, наклонные плоскости для клина и переходы от ограничительных буртов к наклонным плоскостям.

На рис. 4 представлены схемы сканирования при контроле зоны подпятника надрессорной балки. Сканирование центральной зоны подпятника рекомендуется проводить по радиальным (а) и круговым (б) траекториям.

Рис. 4. Пример сканирования центральной зоны подпятника надрессорной балки.

На рис. 5 показаны схемы сканирования при контроле кромок технологических отверстий в верхнем (а) и нижнем (б) поясе надрессорной балки.

Рис. 5. Пример сканирования кромок технологических отверстий надрессорной балки.

3. Физическая сущность вихретокового метода контроля

Методы вихретокового контроля основаны на законе электромагнитной индукции, согласно которому во всяком замкнутом проводящем контуре с числом витков W при изменении потока Ф магнитной индукции В через площадь S, ограниченную этим контуром, возникает электродвижущая сила индукции:

e = -W* dФ/dt

Последняя уменьшается при возрастании и увеличивается при уменьшении Ф (закон Джоуля--Ленца).

В общем случае в контур входит ферромагнитный сердечник с проницаемостью µ_с, а напряженность Н внешнего поля зависит от угла а к нормали контура. Тогда:

Ф = BScosa = µ0µc*Нcosб.

В результате в контуре наводится ЭДС:

е = -Wµ₀µ_cScosб*dH/dt

что обеспечивает преобразование переменного магнитного поля в электрический сигнал. Пусть источником переменного магнитного поля служит накладная катушка вихретокового преобразователя (ВТП), питаемая переменным током (рис.6,7).

Рис. 6 Сущность ВТК

Обсудим два самых простых, но обладающих достаточной общностью способа формирования этого сигнала, когда источником переменного магнитного поля служит:

однообмоточная катушка, питаемая переменным током;

катушка с двумя индуктивно связанными обмотками, одна из них питается переменным током. Средой, обеспечивающей наведение ЭДС, будет ОК, обладающий или немагнитными или ферромагнитными свойствами.

Рис. 7 К сущности ВТК: позиция постановки ВТП "на металл" электромагнитное взаимодействие ВТП с ОК в бездефектной зоне

ЭДС (а также сопротивление катушки) зависит от многих параметров ОК (наличия поверхностных дефектов, изменения проводимости и магнитной проницаемости) и взаимного расположения катушки и ОК (зазор, близость к "краю", наклоны катушки и т.п.), при этом получаемая информация зависит от результата взаимодействия полей Н_вт и Н_в0. Это и хорошо (преимущество в полноте контроля), и плохо (трудности в селекции).

Важно последнее, так как измерение одного параметра ОК, например выявление трещины, сопровождается проявлением взаимодействия по другим параметрам, а они выступают как мешающие факторы. Для их подавления (отстройки) требуются специальные аппаратурные методы.

Вихретоковый контроль -- бесконтактный, так как между катушкой и ОК всегда имеется зазор, достаточный для ее свободного перемещения, что способствует достижению высоких скоростей сканирования и, следовательно, высокой производительности контроля. Вторым достоинством является возможность автоматизации ВТК, что предопределено электрической природой сигнала ВТП. Третья отличительная особенность ВТК заключена в возможности его портативного исполнения за счет использования средств микроэлектроники.