Автоматизированная установка магнитопорошкового контроля оси колесной пары

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра "Вагоны и вагонное хозяйство"

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА МАГНИТОПОРОШКОВОГО КОНТРОЛЯ ОСИ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

Пояснительная записка к дипломному проекту

ИНМВ.103.256.000 ПЗ.

Студентка гр. 13 Ж

механического факультета

А.В. Роман

Руководитель -

профессор кафедры "Вагоны и

вагонное хозяйство"

Р. А. Ахмеджанов

Омск 2011

ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ СТУДЕНТА

1. Тема проекта: АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МАГНИТОПОРОШКОВОГО КОНТРОЛЯ ОСИ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ. ПОДСИСТЕМА - КАТКОВАЯ СТАНЦИЯ

утверждена приказом по университету от 21.04.2011 г. № 256/C

2. Срок сдачи законченного проекта 15 июня 2011 года

3. Исходные данные к проекту

- Объект контроля - ось РУ-1 свободная;

- Метод НК - магнитопорошковый;

- Намагничивающее устройство - МД-12ПС с блоком управления;

- Способ магнитного индикатора - "мокрый" на базе "ДИАГМА 1200".

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)

- Физические основы магнитного неразрушающего контроля;

- Анализ статистических данных затрат времени на магнитопорошковый контроль;

- Выбор намагничивающего устройства. Построение математической модели напряженности магнитного поля МД-12ПС;

- Автоматизированная система магнитопорошкового контроля оси колёсной пары;

- Конструкция катковой станции;

- Технико - экономическое обоснование;

- Разработка мер по обеспечению безопасности труда в технологическом процессе магнитопорошкового контроля оси колесной пары;

- Заключение;

- Библиографические источники.

5. Перечень графического материала

- Результаты статистического анализа - 1 л;

- Результаты математического моделирования - 2 л;

- Структурная схема автоматизированной системы магнитопорошкового контроля оси колесной пары - 1 л;

- Схема устройства катковой станции;

- Конструкция устройства катковой станции.

6. Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)

Раздел	Консультант	Подпись, дата
		Задание выдал	Задание принял
Общая часть	Ахмеджанов Р.А.
Конструкторская часть
Охрана труда	Уфимцева Л.Я.
Экономическая часть	Акользина Г.И.

7. Дата выдачи задания "15" марта 2011 г.

Руководитель проекта ____________________

Задание принял к исполнению ________________

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

№	Наименование разделов дипломного проекта	Срок исполнения	Примечание
1.	Общая часть проекта
2.	Конструкторская часть проекта
3.	Раздел экономики
4.	Раздел безопасности и экологичности
5.	Оформление пояснительной записки и чертежей
6.	Утверждение пояснительной записки и чертежей

Студент-дипломник ___________________А.В.Роман

Руководитель проекта __________________Р. А. Ахмеджанов

РЕФЕРАТ

Дипломный проект содержит 100 страниц, 45 рисунков, 12 таблиц, 13 источников, 2 приложений, 6 листов графического материала.

Ось колесной пары, магнитопорошковый вид неразрушающего контроля, седлообразный соленоид, автоматизированная установка магнитопорошкового контроля оси колёсной пары вагона, программируемый логический контроллер.

Объектом проектирования является автоматизированная установка магнитопорошкового контроля оси колесной пары вагона.

Цель работы - уменьшение времени контроля оси колесной пары и улучшение условий труда дефектоскописта.

Дипломный проект выполнен в тестовом редакторе Microsoft Word 2003 и представлен на диске в конверте на обороте обложки.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Физические основы магнитного неразрушающего контроля

1.1 Физическая сущность магнитной дефектоскопии

1.2 Схема и методы магнитного неразрушающего контроля. Классификация. Применение

1.3 Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля

1.4 Технология магнитопорошкового контроля

1.4.1 Подготовка детали к контролю

1.4.2 Намагничивание

1.4.3 Нанесение магнитного индикатора

1.4.4 Осмотр деталей

1.4.5 Расшифровка индикаторных рисунков дефекта

1.4.6 Размагничивание и очистка деталей после проведения контроля

1.5 Средства магнитопорошкового контроля

1.6 Анализ статистических данных

2. Намагничивающее устройство

2.1 Расчет составляющих напряженности магнитного поля

2.1.1 Исходные предпосылки

2.1.2 Математическая модель витка седлообразного намагничивающего устройства МД12-ПС

2.1.3 Расчетные значения напряженности магнитного поля МД12-ПС

2.1.4 Экспериментальные значения напряженности магнитного поля

2.1.5 Относительная погрешность математической модели

2.2 Расчет приставного намагничивающего устройства

2.2.1 Исходные предпосылки

2.2.2 Расчет магнитной цепи

2.3 Выбор намагничивающего устройства

3. Разработка автоматизированной установки магнитопорошкового контроля осей колёсных пар вагонов

3.1 Краткое описание технологии магнитопорошкового контроля

3.1.1 Подготовительные операции

3.1.2 Операции контроля

3.1.3 Размагничивание

3.2 Цели, задачи и исходные данные для создания установки

3.2.1 Ознакомление с существующей системой магнитопорошкового контроля осей колёсных пар вагонов

3.2.2 Цели и задачи, решаемые при создании автоматизированной установки магнитопорошкового контроля осей колёсных пар вагонов

3.3 Структура и функционирование разрабатываемой установки

4. Конструкция катковой станции

4.1 Принцип работы катковой станции

4.2 Назначение и принцип действия асинхронных машин

4.3 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

4.3.1 Регулирование скорости изменением первичной частоты

4.3.2 Частотное регулирование электроприводов

4.3.3 Регулирование скорости изменением числа пар полюсов p

4.3.4 Регулирование скорости уменьшением первичного напряжения

4.4 Типы редукторов и мотор - редукторов. Общие сведения

5. Расчет себестоимости автоматизированной системы магнитопорошкового контроля оси колесной пары. Подсистема - катковая станция

5.1 Общие принципы определения себестоимости

5.2 Расчет расходов на проведение научно -- исследовательских и конструкторских работ

5.3 Расчет затрат на изготовление установки

6. Анализ санитарно-гигиенической производственной обстановки в колесном цехе

6.1 Общие положения

6.2 Факторы, характеризующие санитарно-гигиеническую производственную обстановку

6.2.1 Метеорологические условия

6.2.2 Вредные вещества

6.2.3 Шум и вибрации

6.2.4 Освещение

6.3 Сравнение фактических данных (по санитарно-техническому паспорту) с нормативными. Установление причин отклонения

6.4 Обоснование и расчет коллективного средства защиты

Заключение

Библиографический список

Приложение А. Статистические данные по затратам времени на технологические операции магнитопорошкового контроля оси колесной пары

Приложение Б. Уменьшенные копии документов

ВВЕДЕНИЕ

Ось колесной пары является одним из самых ответственных элементов вагона, работающая в условиях знакопеременного нагружения. Поэтому к осям предъявляются особые, повышенные требования Госстандарта, Правил Технической Эксплуатации железных дорог, а также других нормативных - технических документов при проектировании, изготовлении и содержании в эксплуатации.

Одним из наиболее опасных дефектов является нарушение сплошности материала в виде усталостных трещин, которые непосредственно влияют на безопасность движения подвижного состава, сохранность перевозимых грузов и жизнь людей.

Важнейшие задачи неразрушающего контроля (НК) - выявление дефектов, определение их координат, формы, размеров, оценка степени опасности. НК при ресурсных испытаниях является одним из основных элементов технической диагностики, обеспечивающей надежность и безопасность эксплуатации конструкций, сокращения сроков испытаний и уменьшению материальных и временных затрат на ремонт.

С другой стороны объем поставки колесных пар на вагонно - колесные мастерские ВКМ постоянно растет. Это отрицательно сказывается на качестве проведенного контроля. Одним из выходов из сложившейся ситуации является применение новых физических явлений при НК колес, разработка более совершенных методов НК, внедрение автоматизированных установок, которые снижают влияния человеческого фактора, упрощая работу оператора.

При разработке новых методов и технических средств проведения НК перед разработчиком ставится задача не только получения достоверной информации о месте расположения и типе дефекта, но и сокращения времени контроля, улучшения и облегчения работы оператора.

В настоящее время к наиболее распространенному методу НК средней части оси для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов относится магнитопорошковый метод контроля (МПК).

Данным методом выявляются наиболее опасные дефекты, склонные к развитию. Он позволяет визуально зафиксировать наличие дефекта, раскрыв которого порядка одного микрометра.

Целью данного дипломного проекта является разработка автоматизированной системы магнитопорошкового контроля оси колесной пары вагон.

Основными требованиями к проектируемой установке является обеспечение автоматизированного контроля оси, минимизация затрачиваемого времени. При соблюдении исходных требований данная установка должна быть экономически целесообразна.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

1.1 Физическая сущность магнитной дефектоскопии

Возьмем бездефектный образец ферромагнетика с однородными магнитными свойствами и магнитной проницаемостью µ₁ и поместим его в продольное равномерно распределенное магнитное поле Н₀ (рисунок 1.1). Ферромагнетик намагнитится и в соответствии со своей кривой намагничивания приобретет магнитную индукцию В₀, линии которой распределяются равномерно внутри образца и не выходят за его поверхность [1]. Это объясняется тем, что внешняя среда (воздух) имеет магнитную проницаемость µ₀, значительно меньшую магнитной проницаемости µ₁ ферромагнетика, и, следовательно, значительно большее магнитное сопротивление R_m.

Рисунок 1.1 - Ферромагнетик в равномерном магнитном поле:

а - бездефектный образец; б - кривая намагничивания

Если в такое же магнитное поле поместить такой же образец ферромагнетика, но с поверхностной трещиной (например, прямоугольного профиля в поперечном сечении), ориентированной перпендикулярно направлению поля В₀, то произойдет перераспределение магнитного потока Ф как в пределах профиля трещины, так и в окружающей ее зоне (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Топография магнитного поля вблизи дефекта

В части сечения образца, прерванного трещиной, из-за более высокого магнитного сопротивления в ее воздушной полости плотность линий существенно снизится. Это приведет к тому, что часть линий индукции, расположенных ниже основания трещины, уплотнится, если, конечно, образец не намагничен до насыщения и может еще "поглотить" определенное количество магнитных линий. Значительно меньшая часть линий пойдет через воздушный зазор - полость трещины. Оставшаяся часть магнитных линий неизбежно преодолеет трещину снаружи по воздуху, магнитное поле как бы "вываливается" за поверхность образца. Здесь каждый выход и вход линий поля формирует магнитные полюсы. Это соответствует представлениям магнитостатики, когда каждый конец линии магнитной индукции, где она встречает воздушную среду с проницаемостью µ₀ << м₁ (рисунок 1.3), можно рассматривать как положительный "магнитный заряд" (северный полюс N), а каждое ее начало - как "отрицательный" (южный полюс S) (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Модель магнитного поля рассеяния над поверхностным дефектом

Такое явление в магнитостатике называют магнитной поляризацией стенок дефекта и в примыкающей к ним окружающей зоне его поверхности. Каждый положительный заряд создает магнитное поле, направленное из него как из центра. При этом магнитные линии поля, выходя за пределы образца, снова входят в него, замыкаясь с отрицательными магнитными зарядами. В результате над поверхностью в зоне трещины формируется суммарное поле рассеяния Н_д - магнитных зарядов, которое направлено в сторону внешнего намагничивающего поля Н₀, обеспечивая его местную концентрацию. В этом случае говорят, что поле становится неоднородным. Суммарное поле Н_д называют магнитным полем рассеивания дефекта или полем дефекта. Магнитное поле рассеяния дефекта - это локальное магнитное поле, возникающее в зоне дефекта вследствие поляризации его границ (ГОСТ 24450).

Формированию этого поля способствует также то, что трещины в месте выхода на поверхность часто имеют "рваные" заостренные края, расстояние между которыми может составлять десятки и сотни микрометров, которые играют роль концентраторов поля зарядов магнитной поляризации.

Случай внутреннего расположения дефекта показан на рисунке 1.4. Здесь также имеет место явление магнитной поляризации стенок полости дефекта. Однако степень неоднородности магнитного поля в данном случае уменьшается за счет экранирующего эффекта приповерхностного слоя ферромагнетика над дефектом. Чем толще этот слой, тем сильнее шунтируется поле рассеяния внутреннего дефекта, тем меньшее количество магнитных линий этого поля выходит за поверхность ферромагнетика.



Рисунок 1.4. - Модель магнитного поля рассеяния над внутренним дефектом

Возникновение поля дефекта Н_д над поверхностью намагниченной детали свидетельствует о том, что она дефектна. Остается это поле обнаружить каким-либо физическим способом, что предопределяет суть и содержание метода магнитной дефектоскопии.

магнитный дефектоскопия напряженность контроль

1.2 Схема и методы магнитного неразрушающего контроля. Классификация. Применение

Обобщенная схема магнитного контроля представлена на рисунке 1.5. Она содержит: 1 - полезадающую систему, которая, реализуя соответствующий способ намагничивания, создает ту или иную топографию магнитного поля в объекте контроля; 2 - объект контроля; 3 - сканер - устройство, обеспечивающее требуемую траекторию перемещения магнитного преобразователя (возможные направления сканирования показаны пунктирными линиями); 4 - первичный магнитный преобразователь; 5 - усилительный тракт, выполняющий усиление входных (входного) сигналов в выходные с преобразованием в вид, удобный для последующего использования или визуализации; 6 - индикатор, предназначенный для визуализации магнитных индикаций или световой и звуковой сигнализации о дефектах.

Результат взаимодействия намагничивающего поля, генерируемого полезадающей системой 1, с объектом контроля 2 воспринимается первичным магнитным преобразователем 4, затем его выходной сигнал усиливается и (или) преобразуется в блоке 5 до уровня, достаточного для принятия решения, например о наличии дефекта, и регистрируется индикатором 6. Первичный преобразователь 4, как правило, связан со сканером 3 в единый блок. Принятие решения осуществляется путем сравнения сигнала с выхода первичного преобразователя 4 с пороговым в блоке 5 (обозначен вертикальной стрелкой). Пороговый уровень сигнала может быть как фиксированным, так и следящим. Достоверность выявления, как дефекта, так и изменений структурного компонента или геометрического параметра в объекте зависит от выполнения всех условий правильной реализации соответствующего метода магнитного контроля.

Рисунок 1.5 - Обобщенная схема магнитного контроля

Метод контроля, как совокупность правил применения определенных принципов и средств в любом виде НК, различают по трем признакам классификации.

По характеру взаимодействия физического поля с объектом контроля. во всех случаях используют одно взаимодействие - намагничивание ОК - и измеряют (индицируют) первичные параметры магнитного происхождения.

По первичному информативному параметру, к которому относятся коэрцитивная сила Н_с, намагниченность М, остаточная индукция В_r, магнитная проницаемость (начальная - _нач - либо максимальная - _max), эффект Баркгаузена.

По способу же получения первичной информации магнитный вид НК подразделяется на семь методов: магнитопорошковый, феррозондовый, индукционный, магнитографический, эффекта Холла, пондеромоторный и магниторезисторный. Все они основаны на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами, но различными способами, а именно: в магнитопорошковом методе в качестве индикатора используется сухой или мокрый порошок, в магнитоиндукционном - величина или фаза индуцируемой в измерительную обмотку электродвижущей силы (ЭДС), в феррозондовом - измеренные напряженность или градиент магнитного поля рассеяния, в методе эффекта Холла - напряжение Холла, в магнитографическом - ферромагнитная пленка, в пондеромоторном - сила отрыва (притяжения) пробного магнита (электромагнита) от ОК и в магниторезисторном - изменение сопротивления магниторезисторов. Методы эффекта Холла и магниторезисторный объединяют в гальваномагнитные.

На железнодорожном транспорте России из названных методов для дефектоскопирования применяются: магнитопорошковый (МПК) - в вагонном и локомотивном хозяйствах.

Магнитопорошковый контроль основан на притяжении магнитных частиц силами неоднородных магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами в намагниченной детали. Он включает в себя намагничивание ОК, нанесение на его поверхность цветных или люминесцентных магнитных индикаторов (порошков), визуальное наблюдение скопления порошка на контролируемой поверхности и обнаружение дефектов. По надежности выявления поверхностных дефектов он не превзойден ни одним другим методом НК: чувствительность магнитопорошкового метода настолько высока, что могут быть обнаружены трещины с шириной раскрытия, составляющей доли микрона и длиной менее миллиметра. Это справедливо для деталей любой формы, если каждый участок их поверхности можно намагнитить до необходимого уровня и осмотреть. Наиболее оптимальными для магнитопорошкового контроля являются условия, когда деталь прошла технологическую обработку и имеет светлую качественную поверхность с шероховатостью R_a не выше 10 мкм.

Сопоставление МПК и обобщенной схемы магнитного контроля (рисунок 1.5) дает следующее. В МПК чувствительный элемент - порошинка, которая непосредственно "ложится на дефект", что отвечает функции блока 3, и при наличии в районе дефекта большой концентрации магнитного порошка происходит быстрое образование индикаторного следа достаточной ширины (усиление - блок 5), который визуально регистрируется (блок 6). Видно, что магнитный порошок одновременно выполняет функции первичного магнитного преобразователя 3, усилителя 5 и индикатора 6. нанесение порошка ручным или механизированным способом и его движение к дефекту отражено блоком 4.

Однако заключение о бездефектности внутренней части детали или подповерхностного слоя должно делаться осторожно - необходимо учитывать ограниченность применения данного метода: подповерхностные дефекты выявляются на глубине, не превышающей 1 - 2 мм.

Простота технологии и оснастки МПК, которую часто относят к достоинству метода, кажущаяся. Все операции, и особенно наблюдение за состоянием поверхности, выполняет оператор. Действительно, дефектоскопист непрерывно в течение нескольких часов должен всматриваться в магнитные индикации. Предельная концентрация внимания, длительная нагрузка на зрение, монотонно выполняемые операции - все это увеличивает вероятность пропуска дефекта. Устранение субъективного фактора - доминирующей роли оператора - возможно при использовании компьютерных программ автоматического поиска дефектов, заключающихся в обработке изображения, основанной на вычислении градиентов контрастности видеосигнала по различным направлениям, построении топологически связанных областей поверхности и фильтрации изображения от априорно известных структурных элементов. Здесь оператор не работает в рутинном утомительном режиме непрерывного контроля. Он занимается изучением только тех немногих участков контролируемой поверхности, на которую программа обратила внимание. Если она не обнаружила дефектов, то установка работает по заданной программе без участия оператора. При этом вероятность пропуска дефекта существенно снижается.

На ремонтных предприятиях подвижного состава применяются магнитопорошковые дефектоскопы на базе соленоидов типа МД-12ПШ, МД-12ПЭ, МД-13ПР, седлообразного типа МД-12ПС и установки типа УМДП-01 и МДУ-1КПВ.

1.3 Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля

МПК позволяет обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты типа нарушения сплошности металла: трещины различного происхождения, флокены, закаты, надрывы, волосовины, расслоения, дефекты сварных соединений в деталях, изготовленных из ферромагнитных материалов.

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

Для обнаружения дефектов данным методом на контролируемые участки намагниченной детали наносят ферромагнитные частицы, имеющие удлиненную форму [2]. в магнитном поле каждая частица намагничивается и становится диполем с четко выраженными магнитными полюсами N и S на концах. Вдали от дефекта магнитное поле однородно. Это означает, что в каждой его точке напряженность Н одинакова по величине и направлению, и взаимодействие полюсов N и S каждой частицы с напряженностью поля дефекта образует пару сил, момент которых разворачивает частицу и устанавливает ее ось по направлению Н.

В зоне дефекта (по обе стороны и над дефектом) поле искажено (рисунок 1.6), оно неоднородно, т. е. напряженность у обращенных к краям дефекта полюсов частицы имеет большее значение, чем у других, поэтому на частицы кроме вращающих моментов действуют пондеромоторные (магнитные) силы F_m, стремящиеся втянуть их в область с более высоким значением напряженности, что перемещает частицы к краям дефекта, где концентрация магнитных линий наибольшая.

(1.1)

где V - объем частицы, м³;

- магнитная восприимчивость частицы;

Н_д - напряженность поля над дефектом, А/м;

- градиент этого поля.

Эффективность МПК зависит от магнитных характеристик материала, формы и размеров объекта, шероховатости его поверхности, наличия и уровня поверхностного упрочнения, толщины немагнитных покрытий, местоположения и ориентации дефектов, напряженности магнитного поля и его распределения на поверхности дефектов, угла между направлением намагничивающего поля и плоскости дефектов, свойств магнитного индикатора и способа его нанесения на объект контроля, а также способа и условий регистрации индикаторного рисунка выявляемых дефектов. Основное значение здесь имеют напряженность и градиент поля. Величина зависит от формы и материала частицы, в частности, если она имеет удлиненную форму, то ее значение тем больше, чем больше отношение длины частицы к размеру ее в поперечнике.



Рисунок 1.6 - Магнитопорошковый метод: упрощенная схема сил, действующих на частицу в поле дефекта:

а - частица в магнитном поле дефекта; б - магнитное поле внутри ОК

Совокупное действие магнитной силы F_m (рисунок 1.6) и силы тяжести G частицы образует результирующую силу F_p. Действие этих сил для перемещения частиц порошка является необходимым условием, а достаточным - их подвижность, которая зависит от сил трения F_тр.

Применяют нанесение на контролируемую поверхность ферромагнитного порошка "сухим" способом, "мокрым", или способом магнитной суспензии, и способом магнитогуммированной пасты. В последних двух способах силы трения значительно уменьшены по сравнению с первым.

При "сухом" способе магнитный порошок наносят распылением или способом воздушной взвеси, когда частицы находятся в воздухе и образуют воздушную взвесь. Последний рекомендуется применять при выявлении подповерхностных дефектов, а также дефектов под слоем немагнитного покрытия толщиной от 100 до 200 мкм; его наносят в камерах с отсасывающим вентиляционным устройством, обеспеченным фильтром для улавливаемого отсасываемого порошка.

В магнитной суспензии частицы взвешены в жидкости. Ее наносят поливом, распылением или погружением в ванну. Рекомендуется обеспечивать условия для стекания магнитной суспензии с контролируемой поверхности.

Магнитогуммированную пасту приготавливают и применяют в соответствии с рекомендациями поставщика.

Таким образом, частицы порошка, перемещаясь к дефекту, накапливаются у его краев, формируя изображение дефекта, которое выявляется при осмотре детали. Наиболее контрастное изображение дают усталостные поверхностные трещины. Ширина валика из осевшего порошка значительно превышает ширину (раскрытие) трещины.

МПК отличают высокая чувствительность, наглядность, простота реализации и относительно высокая производительность контроля. Потенциально метод позволяет выявлять трещины с раскрытием 1 мкм, глубиной 10 мкм и более и протяженностью 0,5 мм. Чувствительность МПК характеризуется условными уровнями чувствительности по ГОСТ 21105-87 (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Условные уровни чувствительности МПК

Условный уровень	Минимальная ширина раскрытия условного дефекта, мкм	Максимальная протяженность условного дефекта, мкм	Шероховатость контролируемой поверхности Ra, мкм, не более
А	2,0	0,5	2,5
Б	10,0	0,5	10,0
В	25,0	0,5	10,0

Условный уровень чувствительности А достигается при R_а 2,5 мкм, уровни Б и В - при R_а 10,0 мкм. При выявлении подповерхностных дефектов, а также при R_а > 10,0 мкм условный уровень чувствительности не нормируется. Практика магнитопорошкового контроля свидетельствует о том, что применение условных уровней чувствительности не оправдывает себя.

Выявляемость дефектов снижается при обследовании следующих объектов: а) плоскости которых составляют угол менее 30 с контролируемой поверхностью или с направлением магнитной индукции; б) подповерхностных; в) на поверхности объекта с параметром шероховатости R_z 10 мкм; г) при наличии на поверхности объекта немагнитных покрытий толщиной более 40 мкм (краски, нагара, продуктов коррозии, шлаков, термообмазок). В данных случаях чувствительность не нормируется.

Магнитопорошковый метод не позволяет определять глубину и ширину поверхностных дефектов, размеры подповерхностных дефектов и глубину их залегания. Недостатками метода следует считать также трудность автоматизации и влияние субъективных качеств оператора-дефектоскописта.

1.4 Технология магнитопорошкового контроля

В ремонтном производстве подвижного состава технология МПК представляется следующей последовательностью операций: подготовка деталей к контролю, намагничивание детали, нанесение магнитного индикатора, осмотр контролируемой поверхности и разбраковка, размагничивание, контроль размагниченности.

1.4.1 Подготовка детали к контролю

Перед осмотром детали должны быть очищены от окалины, грязи, смазки. Однако, в ремонтных депо до настоящего времени повсеместно отсутствуют эффективные средства очистки деталей, что вносит значительные трудности в обеспечение достоверности МПК.

Подготовительные операции при МПК имеют огромное значение, так как они решающим образом влияют на выявляемость дефектов и, в конечном счете, определяют достоверность результатов контроля. Содержание работ при данной операции следующее:

- деталь очищается до металла;

- детали, подвергавшиеся машинной мойке, дополнительно очищают вручную, если на поверхности остались загрязнения;

- при очистке применяют волосяные и металлические щетки, скребки, ветошь и салфетки, не оставляющие ворса на очищенной поверхности. Применение металлических щеток или скребков после намагничивания не допускается, так как это может привести к ложным осаждениям магнитных индикаторов;

- при контроле детали "сухим" способом нанесения магнитного порошка необходимо принять меры к удалению масляных загрязнений и просушке, так как масляная или влажная поверхность затрудняет движение магнитных частиц;

- при контроле деталей с темной поверхностью и при использовании темных магнитных порошков на очищенную поверхность необходимо наносить тонкий слой светлой краски или алюминиевого порошка (контрастный слой не должен превышать 30 мкм);

- при использовании водных магнитных суспензий на основе концентратов магнитной суспензии (КМС) "ДИАГМА" подлежащие контролю поверхности обезжиривают с помощью губки, смоченной этой же суспензией.

1.4.2 Намагничивание

Приведем особенности намагничивания деталей различными намагничивающими устройствами:

1) Намагничивание соленоидами:

а) При намагничивании соленоидами длину зоны достаточной намагниченности (ДН) определяют в зависимости от диаметра или максимального размера поперечного сечения детали и уточняют экспериментально путем измерения составляющей Н_т вектора напряженности магнитного поля на поверхности детали.

Для обеспечения достаточной длины зоны ДН деталь в соленоиде следует размещать так, чтобы ось соленоида совпадала с контролируемой поверхностью детали (рисунок 1.7).

Это объясняется тем, что величина магнитного поля соленоида максимальна в его центре.

Рисунок 1.7 - Установка детали в НУ для контроля

б) Намагничивание длинных деталей (L/D > 5) осуществляют непрерывным перемещением соленоида вдоль детали или дискретным перемещением соленоида вдоль детали - по участкам. Скорость непрерывного перемещения соленоида должна быть такой, чтобы он за 10 с перемещался в пределах зоны ДН. Смежные участки должны перекрывать друг друга не менее чем на 20 мм.

в) Для намагничивания участков деталей, прилегающих к торцам, соленоид устанавливают так, чтобы торец детали входил в соленоид не менее чем на 30 мм, и перемещают соленоид от торца детали к центру.

г) При намагничивании деталей с переменным сечением определяют длину зоны ДН для отдельных участков, и каждый участок намагничивают как отдельную деталь, контролируя ее от концов к центру.

д) Детали с односторонней массивной частью намагничивают перемещением соленоида от конца детали с меньшим сечением к ее массивной части.

е) Короткие детали (L/D < 5) при намагничивании сами становятся магнитами, у которых появляются собственные магнитные полюсы (рисунок 1.8).



Рисунок 1.8 - Намагничивание коротких деталей

Направление вектора магнитного поля намагниченной детали противоположно направлению магнитного поля соленоида, в результате деталь оказывается намагниченной на величину результирующего поля Н_рез:

Н_рез=Н_сол - Н_сол, (1.2)

т. е. чем короче деталь, тем больше размагничивающий фактор. Для уменьшения действия размагничивающего фактора принимают следующие меры: составляют детали в цепочки, при этом площадь соприкосновения торцевых поверхностей детали должна быть не менее 1/3; удлиняют детали специальными удлинителями, изготовленными из магнитомягкой стали.

2) Намагничивание с помощью СНУ:

а) Седлообразные намагничивающие устройства (СНУ) применяют для намагничивания деталей длиной не менее 600 мм и диаметром не менее 100 мм, в тех случаях когда требуемое значение Н_ф не превышает 25 А/см (средней части оси колесной пары, литых деталей автосцепки).

б) Зона контроля СНУ находится с двух внешних сторон дуг, а между дугами СНУ - неконтролируемая зона, в которой Н_n больше Н_ф в три раза.

в) СНУ располагают над контролируемой поверхностью так, чтобы расстояние между верхней дугой и контролируемой поверхностью было 40 - 60 мм.

г) При контроле СНУ намагничивается только верхняя часть детали в пределах 120°, поэтому цилиндрические детали контролируют не менее трех раз, поворачивая на угол не более 120°.

3) Намагничивание магнитами и электромагнитами:

а) Электромагниты и постоянные магниты применяют при контроле участков крупногабаритных деталей или деталей сложной формы, если известны зоны контроля и преимущественное расположение дефектов. Как правило, их применяют для подтверждающего контроля.

б) Постоянные магниты применяют для намагничивания деталей с толщиной стенки не более 25 мм.

в) Постоянные магниты не применяют для намагничивания деталей из магнитожестких материалов.

г) Полюсы магнитов образуют на поверхности детали при намагничивании неконтролируемые зоны (рисунок 1.9) шириной С = 5 - 15 мм, в которых дефекты не выявляются. Конкретная величина зоны С зависит от материала стали, конструкции магнита, размеров детали и определяется экспериментально.

Рисунок 1.9 - Контроль детали с помощью электромагнитов и постоянных магнитов

Факторы, влияющие на чувствительность контроля:

1) Направление намагничивания.

Направление намагничивания детали при магнитопорошковом контроле оказывает существенное влияние на чувствительность контроля.

Картина выявляемости усталостных и шлифовочных трещин, полученная на основе исследований и многолетнего опыта контроля деталей, показала следующие зависимости:

при а = 0 - 10° трещины не выявляются, так как силовые линии поля не прерываются на дефекте и не образуют магнитного поля рассеяния дефекта;

при а = 0 - 30° выявление трещин не гарантируется;

при а = 30 - 80° трещины выявляются гарантированно, однако при а = 60 - 80° индикаторный рисунок выявляется более четко;

при а = 80 - 90° достигается максимальная чувствительность контроля, где а - угол между вектором напряженности магнитного поля и наиболее вероятным направлением возникновения дефекта.

Рисунок 1.10 - Выбор направления намагничивающего поля

Если направление вероятных трещин неизвестно, то деталь последовательно намагничивают в двух направлениях, производя после каждого намагничивания нанесение суспензии и осмотр.

Для выявления зигзагообразной трещины необходимым условием является а 30° направления намагничивающего поля к звеньям такой трещины.

2) Толщина немагнитного покрытия.

При наличии немагнитного покрытия на поверхности проверяемой детали (краски, грязи и т.п.) чувствительность магнитопорошкового контроля снижается.

3) Соотношение нормальной и тангенциальной составляющих поля. Зона достаточной намагниченности.

Вектор напряженности магнитного поля Н в любой точке на поверхности намагниченной детали может быть разложен на две составляющие: Н_ф - тангенциальную (направленную по касательной к поверхности детали) и Н_n - нормальную (направленную перпендикулярно к поверхности детали). Магнитное поле над дефектом формируется тангенциальной составляющей поля. Рассмотрим влияние соотношения составляющих поля Н_ф и Н_n на выявление дефектов. Представим себе намагниченный с помощью соленоида образец (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Формирование магнитного поля над дефектом

Действующее магнитное поле соленоида покажем в виде двух замкнутых силовых линий, расположенных на некотором удалении друг от друга. Естественно, что при удалении от соленоида магнитное поле уменьшается. Проведем касательные к линиям поля соленоида в местах выхода силовых линий на поверхность детали в точках 1 и 2, обозначив направление вектора Н. Разложим вектор Н в точках 1 и 2 на составляющие поля Н_ф и Н_n. Выполнив разложение, видим, что в точке 1, которая ближе к соленоиду, величина вектора Н_ф больше, чем Н_ф в точке 2, и, наоборот, по мере удаления от соленоида уменьшается величина вектора Н_n. Опытным путем определено, что для выявления дефектов необходимо выполнение условия Н_n / Н_ф < 3.

Зоне достаточной намагниченности - зона, которая характеризуется расстоянием от источника магнитного поля и в которой возможно выявление дефектов. Зона ДН определяется несколькими факторами: величиной тангенциальной составляющей Н_ф на поверхности контролируемой детали, соотношением Н_ф и Н_n, мощностью источника магнитного поля, взаимным расположением источника магнитного поля и контролируемой детали, формой, размером и материалом контролируемой детали.

1.4.3 Нанесение магнитного индикатора

Магнитные индикаторы - это магнитные порошки (взвесь магнитных частиц в воздухе), магнитные суспензии (взвесь магнитных частиц в дисперсной среде - жидкости), полимеризирующиеся смеси, применяемые для визуализации дефектов. Магнитные индикаторы и способы их нанесения выбирают в зависимости от цели и условий контроля. Магнитные индикаторы наносят на контролируемую поверхность "сухим" или "мокрым" способами. При "сухом" способе применяют более крупные частицы, так как они меньше задерживаются неровностями поверхности. Поэтому применение сухого порошка предпочтительнее для деталей литых или грубообработанных. "Мокрый" способ эффективен для деталей с чисто обработанной поверхностью. "Сухой" способ нанесения магнитного индикатора не применяют при контроле колец подшипников, шеек оси колесной пары, средней части оси с применением СНУ, шеек валов и других деталей круглого сечения менее 60 мм, а также деталей с резьбой.

Магнитный порошок наносится с помощью пульверизатора, резиновой груши и сита тонким слоем зигзагообразно вдоль детали с шагом не более 30 мм. Сам распылитель располагают на расстоянии 30 - 50 мм от поверхности. Скопление порошка вблизи намагничивающего устройства следует сдувать с помощью резиновой груши, а на участки, оказавшиеся без порошка, следует подсыпать порошок повторно.

Магнитную суспензию наносят путем полива слабой струей, не смывающей осевшие над дефектами магнитные частицы, погружения детали в емкость с суспензией, распыления из пульверизатора. При этом необходимо обеспечить небольшой наклон контролируемой поверхности для равномерного стекания суспензии. Перед нанесением суспензии ее тщательно перемешивают лопаткой из немагнитного материала так, чтобы она равномерно распределилась по всему объему дисперсионной сремиды.

Зависимость от шероховатости и цвета контролируемой поверхности используют магнитные порошки, имеющие естественную окраску (черные, красно-коричневые) либо окрашенные - цветные или люминесцентные.

Кроме концентрата магнитной суспензии "Диагма 1100 и ДИАГМА 1200" могут применяться люминесцентные - "Диагма 1613 и ДИАГМА 2623" соответственно желто-зеленого и серого цвета для контроля деталей с темной поверхностью с концентрацией (20 + 5) г на 1 л водопроводной воды.

1.4.4 Осмотр деталей

При осмотре детали обнаруживают и анализируют осаждение магнитного индикатора с целью определения характера дефекта и принятия решения о пригодности детали к дальнейшей эксплуатации.

Индикаторный рисунок из осевшего порошка на дефектах различного происхождения неодинаков.

Его размеры и форма зависят от характера, величины и глубины залегания дефектов, что иногда дает возможность по форме индикаторного рисунка установить происхождение дефекта.

Для облегчения расшифровки индикаторных рисунков на рабочих местах изготавливают и вывешивают дефектограммы характерных дефектов, в том числе и мнимых, выявленных при контроле конкретных деталей.

Основные требования к операции осмотра деталей:

- осмотр детали проводят при комбинированном освещении: общем и местном, при этом освещенность контролируемой поверхности должна быть не менее 1000 лк, для местного освещения применяют переносные светильники с непрозрачным отражателем, обеспечивающим рассеяние света и защиту глаз дефектоскописта от слепящего воздействия источника света;

- не допускается попадания прямых солнечных лучей света в глаза;

- при осмотре деталей необходимо применять лупы пяти- - семикратного увеличения;

- при контроле магнитной суспензией осмотр необходимо начинать через 20 - 30 с после нанесения индикатора для обеспечения формирования валика порошка.

1.4.5 Расшифровка индикаторных рисунков дефекта

рассмотрим особенности дефектов, которые необходимо учитывать при расшифровке магнитных индикаций

1) Трещины усталости возникают в процессе эксплуатации и обнаруживаются, как правило, в деталях, испытывающих в работе многократные знакопеременные нагрузки. Причинами их появления могут быть конструктивные недостатки, например наличие концентраторов напряжений - резких переходов в сечениях, несоблюдение требований чертежа при производстве или ремонте (надрезы или глубокие риски), наличие на детали дефектов металлургического происхождения (волосовин, шлаковых включений, флокенов), возникновение дефектов при обработке детали (шлифовочных, ковочных, закалочных).

Трещины усталости являются чрезвычайно опасными, так как, возникнув, они постепенно развиваются и углубляются внутрь детали по ее сечению, пока ослабление последнего не приведет к завершающему хрупкому разрушению детали.

Трещины усталости независимо от их происхождения выявляются по резко очерченному, плотному, четкому валику порошка, формирующегося по всей длине трещины.

2) Дефекты, возникающие при шлифовании, из-за повышенного местного нагрева шлифуемой поверхности детали. Наиболее склонны к образованию этого вида трещин цементированные, азотированные и закаленные детали из легированных и малоуглеродистых сталей. При неправильно подобранных режимах шлифования на поверхности хромированных деталей, как правило, возникают шлифовочные трещины.

При магнитном контроле шлифовочные трещины легко отличить от других трещин: они тонки, неглубоки (от 0,0001 до 0,01 мм) и, как правило, располагаются на поверхности группами в виде сетки или тонких линий поперек направления шлифовки.

Шлифовочные трещины резко понижают усталостную прочность деталей, их ни в коем случае нельзя допускать к эксплуатации в местах концентраторов напряжений.

3) Закалочные трещины возникают главным образом при охлаждении деталей в процессе закалки в результате действия внутренних напряжений. Они могут возникать и на деталях, длительное время не подвергавшихся отпуску, уменьшающему внутренние напряжения.

Отличительным признаком закалочных трещин является неопределенность их направления на поверхности детали. При магнитном контроле они легко выявляются даже при слабом намагничивании, так как материал закаленных деталей имеет достаточно высокие значения остаточной индукции и коэрцитивной силы, а трещины - большие и почти всегда выходят на поверхность. Закалочные трещины имеют достаточную длину и выходят на поверхность в виде ломаных, извилистых линий, идущих в различных направлениях. Четкие и рельефные рисунки осажденного порошка, получающиеся над закалочными трещинами, позволяют отличить их от других дефектов.

4) ковочные и штамповочные трещины возникают из-за наличия в исходном материале литейных изъянов (усадочных раковин, рыхлот) или из-за несоблюдения температурных режимов ковки или штамповки. Магнитопорошковым методом данные дефекты выявляются достаточно хорошо, как и закалочные трещины, - в виде четких рельефных линий, имеющих разнообразные направления на поверхности детали.

5) Флокены представляют собой мелкие трещины длиной 20 - 30 мм разнообразного направления, залегающие преимущественно во внутренних, более глубоких зонах стальных поковок (глубже 60 мм). О происхождении флокенов существует несколько гипотез. Одна из них объясняет их происхождение двумя причинами: действием высокого давления водорода, выделяющегося из стали при ее охлаждении и действием значительных внутренних напряжений, обусловленных неравномерностью фазовых превращений в различных объемах стали в связи с дендритной неоднородностью.

Флокены являются опасными дефектами. Их присутствие в стали значительно ухудшает ее механические свойства, особенно если направление действия сил не совпадает с плоскостью залегания флокенов. Магнитопорошковым методом они могут быть обнаружены только в том случае, если они выходят на поверхность или залегают неглубоко под ней. Выявляются в виде отдельных прямолинейных или искривленных черточек длиной от одного до 25 - 30 мм, расположенных в большинстве случаев группами и имеющих разнообразное направление.

6) Неметаллические (шлаковые) включения представляют собой:

- выделившиеся продукты реакций окисления, протекающих в ванне или ковше, при выплавке и разливе стали;

- шлаки, растворенные при высоких значениях температуры и выделяющиеся в виде включений;

- продукты, образовавшиеся от случайно попавших в сталь механических включений.

Неметаллические включения могут располагаться на поверхности деталей и под ней. Опасными являются включения, расположенные цепочками или сеткой по границе зерен, так как они понижают пластические свойства материала и приводят к появлению трещин вдоль таких включений (цепочек) при обжиме слитков стали.

7) Волосовины. Тонкие нити неметаллических включений или газовых пузырей, вытянутых вдоль волокон металла при его ковке, прокате или протяжке. Типичным признаком волосовин является их прямолинейность. При магнитном контроле волосовины выявляются в виде прямых параллельных линий различной длины, расположенных в одиночку или группами. Если волокна изогнуты, то волосовины следуют за направлением волокна. Крупные волосовины, выходящие на поверхность, являются опасными дефектами, понижающими предел усталости. Детали с такими дефектами не должны допускаться в эксплуатацию.

8) Расслоения образуются при прокатке слитков, внутри которых имеются такие дефекты, как крупные усадочные раковины, большие участки неметаллических включений или плены, т. е. окисленные слои металла. При прокатке включения, раковины, плены раскатываются и образуют расслоения. Выявляются в виде осаждений порошка по границам расслоения.

9) Мнимые дефекты, или ложные осаждения магнитных индикаторов, представляют собой магнитные индикации, по внешнему виду схожие с индикациями магнитных полей рассеяния дефектов, но вызваны они иными факторами. Умение отличить ложную индикацию от индикации дефекта позволит во многих случаях избежать необоснованной перебраковки деталей. Рассмотрим основные случаи возникновения ложных индикаций дефектов:

- в месте соприкосновения с намагниченной поверхностью ферромагнитного изделия. Происходит четкое отложение магнитного порошка, аналогичное осаждению над трещиной, причем, чем сильнее намагничена деталь, тем интенсивнее осаждение. Для расшифровки деталь необходимо размагнитить и намагнитить повторно;

- при контроле, особенно в приложенном поле, могут возникнуть ложные осаждения по рискам на поверхности детали. Чтобы исключить из дальнейшего анализа данный мнимый дефект, необходимо зашлифовать риску мелкой наждачной шкуркой и повторно проконтролировать деталь. Чтобы устранить влияние осаждения порошка по риске, имеющей в кратере трещину, на результат анализа, необходимо сразу же после полива суспензией наблюдать за осаждением порошка. Если риска в кратере имеет трещину, то образование валика происходит по всей длине одновременно, если нет, то магнитный индикатор накапливается постепенно, "цепляясь" по краям риски;

- осаждение порошка в местах поверхностного наклепа и забоин. в этих местах образуется слабое магнитное поле и происходит осаждение порошка. рекомендуется зачистить поверхность для удаления наклепа и повторить контроль;

- осаждение порошка по границам зон термического влияния сварки проявляется в околошовной зоне, повторяя форму границ сварного шва в виде неплотных размытых полосок;

- осаждение порошка по границам незачищенного сварного шва. Рекомендуется зачистить шов заподлицо и повторно провести контроль;

- осаждение порошка в виде цепочек, ориентированных по магнитным силовым линиям поля, возникает при контроле в приложенном поле и свидетельствует о чрезмерной концентрации суспензии или неправильно выбранной вязкости дисперсионной среды;

- осаждение порошка по местам грубой обработки поверхности. в этом случае порошок заполняет все углубления поверхности, "ложное осаждение" распознается визуально;

- осаждение по границам накатанных и ненакатанных участков вызывается изменением твердости поверхностного слоя.

1.4.6 Размагничивание и очистка деталей после проведения контроля

Факторы, определяющие необходимость размагничивания.

Кроме намагничивания при магнитном контроле детали могут намагничиваться при электродуговой сварке, при случайном контакте с постоянными магнитами или электромагнитами, при близком нахождении объекта от места грозового разряда. Детали, подвергающиеся вибрации и знакопеременным нагрузкам, могут достаточно сильно намагничиваться даже в слабом магнитном поле Земли. При вибрации ослабляются "силы трения" доменов и облегчается их ориентация в направлении внешнего магнитного поля, т. е. ослабляется намагничивание деталей.

Магнитные поля неразмагниченных деталей могут создать известные ситуации, ведущие к отказу технических средств, поэтому детали размагничивают и проверяют качество их размагничивания.

Поскольку все детали находятся в магнитном поле Земли, то полного размагничивания достичь не удается. Детали размагничивают до уровня, при котором остаточная намагниченность уже не нарушает нормальной работы механизмов или технических средств.

Способы размагничивания деталей.

Применяют следующие способы размагничивания деталей:

- нагреванием детали до точки Кюри;

- однократным приложением встречным магнитным полем такой напряженности, после уменьшения которой до нуля, деталь оказывается практически размагниченной;

- воздействием на деталь полем уменьшающейся амплитуды от максимального значения до нуля при одновременном периодическом уменьшении его полярности.

Первые два способа размагничивания, как правило, не применяются. В основу большинства схем размагничивания положен третий, сущность которого состоит в следующем.

При периодическом перемагничивании детали полем с убывающей напряженностью Н ее магнитное состояние, характеризуемое магнитной индукцией В, изменяется по уменьшающимся симметричным частным петлям гистерезиса. При достижении напряженности размагничивающего поля "нулевого" значения процесс размагничивания заканчивается и деталь оказывается размагниченной. При этом магнитная структура детали приходит в такое состояние, при котором магнитные поля доменов направлены хаотично и компенсируют друг друга.

Требования к размагничиванию деталей подвижного состава:

1) Размагничиванию после проведения МПК подвергаются детали, имеющие трущиеся при эксплуатации поверхности, а также детали, находящиеся с ними в контакте после сборки (кольца роликовых подшипников, шейки оси колесной пары, шейки валов, валики, ролики).

2) Размагничивание деталей осуществляют воздействием на контролируемую деталь магнитным полем с напряженностью, изменяющейся по направлению и убывающей по величине от начального значения до нуля. При этом начальное значение напряженности размагничивающего поля должно быть не меньше, чем значение намагничивающего поля.

3) Для размагничивания деталей применяют те же намагничивающие устройства, что и для намагничивания (МД12-ПС, МД12-ПШ, МД12-ПЭ, МД12-ПР).

4) Детали при размагничивании устанавливают относительно намагничивающего устройства так, чтобы направление магнитного поля при их размагничивании совпадало с магнитным полем при намагничивании.

5) При размагничивании деталей дефектоскопами, в которых не предусмотрен режим автоматического размагничивания, детали помещают в соленоид, включают его и плавно (в течение 5 с и более) перемещают относительно детали (или деталь относительно соленоида) до удаления их друг от друга на расстояние не менее 0,5 м, после чего соленоид выключают.