Введение

Эксплуатационные свойства железнодорожных колес в значительной степени определяются качеством поверхностного слоя металла по профилю катания, которое зависит от таких основных физико-механических характеристик, как твердость, пластичность, химический состав, фазовый состав, структура и остаточные напряжения. Прямые методы измерения этих характеристик без снятия с эксплуатации изделия невозможны, а косвенные методы имеют существенные ограничения, которые не лучшим образом сказываются на достоверности измерений.

Для оценки текущего технического состояния железнодорожных колес непосредственно в процессе эксплуатации необходимо использование мобильных средств технического диагностирования (ТД) в режиме реального времени (мониторинг). На основе данных мониторинга предполагается осуществление контроля технического состояния и оценка технического ресурса (ОТР) железнодорожных колес [1, 2].

Техническая диагностика – область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов [1]; наука о распознавании состояния технической системы, включающая широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации [2]. Основной задачей технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации [2].
Согласно ГОСТ [3, 4] различают восемь основных видов технического состояния объектов. На основании этого составлен условный график зависимости степени поврежденности объекта от времени эксплуатации, показывающий распределение всех видов технического состояния на всем сроке ресурса объекта (рис. 1).

Основной задачей технического диагностирования наряду с фиксацией отдельных нарушений, влияющих на безопасность эксплуатации железнодорожных колес, должен стать переход к определению их фактического состояния, динамики развития дефектов и прогнозированию перехода в предотказное состояние с целью своевременного принятия мер по предотвращению отказов.

Выбор метода и средств диагностирования

На практике время образования дефектов на поверхности катания железнодорожных колес зачастую намного меньше назначенных межремонтных периодов, что повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций. Самыми распространенными причинами возникновения аварийных ситуаций являются усталостные разрушения, предупреждение которых возможно за счет разработки системы мониторинга критических состояний структуры металла поверхности катания железнодорожных колес [5].
В процессе обслуживания для оценки технического состояния железнодорожных колес применяются традиционные методы неразрушающего контроля, которые малопригодны для непрерывного контроля параметров объектов и представлены в основном магнитными и акустическими (ультразвуковыми) методами. Акустические методы не позволяют проводить оценку технического состояния непосредственно в процессе эксплуатации железнодорожных колес.

Поскольку степень поврежденности металла является не столько особенностью процесса эксплуатации железнодорожных колес, сколько внутренним обобщенным свойством самого материала, то целесообразно использовать в качестве оперативного метода [6] для мониторинга технического состояния измерение магнитных свойств по аналогии с методикой магнитной разведки [7]. Данная концепция не предполагает операций намагничивания (размагничивания) или любого другого специального наведения магнитных полей от внешних источников, а также непосредственного контакта с поверхностью исследуемого изделия.
Поэтому наиболее подходящим для оценки критических состояний структуры металла поверхности катания железнодорожных колес в процессе эксплуатации из соотношения затрат и контролепригодности является магниторезистивный метод, так как он позволяет определить не только интенсивность магнитного поля, как в датчике Холла, но и направления магнитных полей. Это создает возможность отображения взаимосвязи магнитного и структурного состояния металла, благодаря чему возможно применение физических критериев для оценки конфигурации магнитного поля вблизи возможных зон концентрации напряжений в исследуемом изделии [8].
Автором на базе кафедры «Электротехника и теплоэнергетика» ФГБОУ ВО ПГУПС выполнена разработка устройства [8], позволяющего производить мониторинг критических состояний структуры металла при эксплуатации, функциональная блок-схема которого представлена на рисунке 2.

1 – источник тока; 2, 8 – датчики магнитного поля; 3, 9 – усилители; 4, 10 – аналого-цифровые преобразователи; 5 – микроконтроллерный блок; 6 – блок вывода информации; 7, 13 – датчики положения; 11, 12 – регистрирующие блоки; 14 – блок тактовой синхронизации.

Технические характеристики разрабатываемого устройства представлены в таблице 1.

Используемый датчик (рис. 3) способен сочетать высокое пространственное разрешение и высокую точность измерений с низким энергопотреблением, кроме того, он может измерять ускорения и повороты.

Измерение магнитного поля в устройстве происходит по изменению сопротивления чувствительных элементов, соединенных в мостовую схему (мост Уитстона), при прохождении сквозь них магнитного потока, благодаря чему возможно определение не только интенсивности, как в датчике Холла, но и направления магнитных полей. Это создает возможность отображения взаимосвязи магнитного и структурного состояния металла, благодаря чему становится возможным применение физических критериев для оценки конфигурации магнитного поля вблизи возможных зон концентрации напряжений (ЗКН) в исследуемом изделии [8].

Режимы эксплуатации устройства

Режимы эксплуатации предлагаемого устройства на железнодорожном транспорте обусловлены:
– частотой дискретизации самого устройства;
– скоростью движения поезда;
– частотой вращения железнодорожных колес;
– диаметром железнодорожных колес.
Вначале была определена зависимость частоты дискретизации предлагаемого устройства от линейной скорости движении поезда. Для учета угловой скорости поверхности катания колеса в зависимости от его диаметра расстояние, измеряемое по ППК вращающегося колеса, определялось по формуле (1).

В таблице выделенная цветом область показывает допустимые пределы частоты дискретизации устройства в зависимости от скорости движения поезда, если условно допустить, что максимальное расстояние между измерениями не должно превышать 100 мм. Стоит отметить, что при увеличении скорости движения ПС должна быть увеличена и частота дискретизации устройства. Современное развитие технологий микропроцессорных устройств позволяет решить данную задачу.

Алгоритм методики оценки структурной неоднородности [9]
Алгоритм разработанной методики оценки структурной неоднородности металла поверхности катания железнодорожных колес (ПКЖК) подвижного состава с возможностью определения ее критических состояний и прогнозирования ОТР представлен на рисунке 4.

Представленная методика состоит из пяти основных модулей [9]:

1. В модуль измерения заложен алгоритм работы разработанного устройства.
2. В модуле распознавания происходит анализ и сравнение вектора и величины магнитного поля В в «эталонной» точке с вектором и величиной магнитного поля В в конкретной области, что дает истинные значения собственного магнитного поля объекта диагностирования (ОД) с помощью вейвлет-преобразования. Для сравнения предела разности максимальных отклонений магнитного поля В используется алгоритм скользящего среднего с элементами интеллектуального анализа данных.
3. В модуле определения типа дефекта создается база данных (БД) критических состояний ОД с последующим сравнением их с уже известными картинами критических состояний дефектов.
4. В модуле прогнозирования ОТР определяется характер тренда стохастического временного ряда измеренных значений индукции собственного магнитного поля В с помощью показателя Херста с последующим уточнением существующих стандартных алгоритмов расчета ОТР, на основе которых получаются вновь разработанные алгоритмы расчета ОТР.
5. Модуль БД ОД состоит из двух логических баз данных: типовых дефектов и критических состояний.

Экспериментальные исследования

С помощью представленного устройства для магнитометрии [8] в дефектоскопической лаборатории ФГБОУ ВО ПГУПС на кафедре «Методы и приборы неразрушающего контроля» проведен эксперимент по измерению магнитных свойств вблизи поверхности образцов железнодорожных колес.
При обработке результатов эксперимента ставилась задача построения аналитических зависимостей, качественно описывающих полученные результаты. Для этого попутно замерялась твердость поверхности профиля колеса.

Графическое изображение соотношения твердости НВ и индукции магнитного поля В, измеренное на расстоянии 40 мм от поверхности по кругу катания всех четырех колесных пар можно увидеть на рисунке 5.

Таким образом, получено наглядное подтверждение корреляции полученных значений твердости НВ углеродистой стали и индукции магнитного поля В, измеренной на расстоянии 40 мм от поверхности образцов, которая позволяет качественно оценить структурное состояние металла поверхности исследуемых изделий.

Выводы

Разработка и внедрение системы оперативного технического диагностирования для подвижного состава, реализующей предлагаемый метод, должны происходить на основе принципов модульности и универсальности, а также они способны обеспечить переход на новые современные принципы эксплуатации по реальному техническому состоянию, что, в свою очередь, позволит:

1. повысить надежность объектов и безопасность их эксплуатации;
2. своевременно и оперативно диагностировать дефекты и неисправности;
3. полностью использовать межремонтный ресурс ответственных деталей ЖК ПС, что обеспечит резкое сокращение затрат на их эксплуатацию;
4. обеспечить оперативное принятие обоснованных решений по дальнейшему использованию ЖК ПС с учетом условий эксплуатации и индивидуальных особенностей;
5. обеспечить возможность доступа к информации о состоянии ЖК ПС в режиме реального времени вне зависимости от места их расположения.

Библиографический список

1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.
2. Биргер, И. А. Техническая диагностика. – М. : Машиностроение, 1978. – 240 с. : ил. – (Надежность и качество).
3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике.
4. ГОСТ 32192-2013. Надежность в железнодорожной технике. Основные понятия. Термины и определения.
5. Сахаров, Р. А. Обоснование возможности процесса восстановления профиля поверхности катания вагонных колесных пар на основе алгоритма функционирования нейронных сетей [Электронный ресурс] / Р. А. Сахаров // Бюллетень результатов научных исследований : сб. науч. тр. кафедры «Технология металлов». – СПб., 2014. – Вып. 1 (10). – С. 159–169.
6. ГОСТ Р 53006-2008. Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов.
7. Блох, Ю. И. Совместная интерпретация данных магниторазведки и метода незаземленной петли при определении магнитных свойств магнетитовых руд / Ю. И. Блох // Известия АН СССР. Физика Земли. – 1981. – № 11. – С. 74–81.
8. Патент РФ на полезную модель № 155669 от 12.08.2015 г. Устройство для магнитометрии / Р. А. Сахаров, Я. С. Ватулин.
9. Сахаров Р. А. Техническое диагностирование профиля поверхности катания железнодорожных колес в процессе эксплуатации : дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук : 05.22.07 / Сахаров Роман Александрович. – М., 2020. – 183 с.