Модернизация установки для МПД осей колесных пар и внутренних колец подшипников

Модернизация установки для магнитопорошкового контроля осей колесных пар и внутренних колец подшипников буксового узла 6733Б​

Данная статья – вторая в цикле статей, посвященных установкам магнитопорошкового контроля колец подшипников буксового узла. В первой статье были обозначены критические проблемы установок, выпускаемых серийно. Напомню основные из них:

• некорректная схема намагничивания;
• недостаточная напряженность магнитного поля на объектах контроля.

Решение обозначенных проблем в большинстве случаев требует внесения значительных изменений в конструкцию дефектоскопов, что, как правило, не может быть выполнено силами организации, эксплуатирующей дефектоскоп. Однако в моем опыте аттестации магнитопорошковых дефектоскопов есть пример, когда изменения, рекомендованные по итогам аттестации, были реализованы, чему и посвящена эта статья.

Хочу поблагодарить за помощь в написании статьи Гагарина Илью Дмитриевича, Мисюреву Татьяну Анатольевну, Черниховского Михаила Юльевича.

1. Описание и принцип работы установок 6733Б
Дефектоскопы проекта 6733Б – установки для магнитопорошкового контроля осей колесных пар и внутренних колец подшипников буксового узла, напрессованных на шейки оси колесной пары. Данные дефектоскопы были разработаны в начале 70-х годов и являются предшественниками установок типа Р8617. Экземпляр, о котором речь пойдет далее, был изготовлен в 1982 году Московским механическим заводом «Красный путь».

На рисунке 1 представлен общий вид установки без объекта контроля, намагничивающие устройства размещены на стойках. Установка содержит следующие элементы (см. рис. 1 и рис. 2):

• шкаф пульта управления (красная рамка);
• соленоиды продольного намагничивания (синие рамки);
• контактные головки циркулярного намагничивания (зеленые рамки).

На рисунке 2 представлена часть установки с объектом контроля, на котором размещены намагничивающие устройства.

На рисунке 3 представлена структурная схема установки 6733Б. В шкафу пульта управления расположен источник импульсного тока намагничивания. Рассмотрим принцип работы источника тока. Первичная обмотка трансформатора гальванической развязки (Разделительный трансформатор) подключена к источнику сетевого напряжения. Напряжение со вторичной обмотки трансформатора поступает на вход диодного моста (Выпрямитель). Когда оператор нажимает Кнопку «Заряд конденсаторов» на панели управления, выпрямленный двухполупериодный ток с выхода выпрямителя через токоограничивающий резистор (на схеме не показан) поступает на Блок конденсаторов. Кнопка «Заряд конденсаторов» удерживается нажатой, пока показания Вольтметра напряжения заряда, индицирующего текущее значение напряжения на блоке конденсаторов, не достигают значения, указанного в технологической карте. Когда оператор отпускает кнопку «Заряд конденсаторов», напряжение с блока конденсаторов через резистивный делитель (на схеме не показан) поступает на управляющий контакт тиристорного ключа (Тиристор). Открытие тиристора приводит к разряду блока конденсаторов через подключенные к выходу тиристора намагничивающие устройства, соединенные параллельно: Соленоиды и Контактные головки, подключенные к Оси колесной пары.

2. Реализованные изменения конструкции установки

2.1 Разделение намагничивающих устройств
Первый необходимый шаг к приведению установки в соответствие с требованиями действующей нормативных документов на магнитопорошковый контроль – разделение намагничивающих устройств. Для его реализации на выходе тиристора были установлены два магнитных пускателя, каждый из которых отвечает за подключение одной из цепей намагничивания (Переключатель, см. рис. 4). На панель управления выведен тумблер Выбор намагничивающих устройств.

Нужно отметить, что при такой электрической схеме возможно возникновение опасной ситуации, если в результате ошибочных действий оператора будет допущен заряд блока конденсаторов при включенном режиме циркулярного намагничивания и отсоединенных от объекта контроля контактных головках. Это приведёт к появлению на свободных контактных головках опасного напряжения. Чтобы исключить возможность возникновения описанной ситуации, параллельно цепи намагничивания оси колесной пары через контактные головки было подключено разрядное сопротивление с номиналом, значительно превышающим сопротивление цепи циркулярного намагничивания (на схеме не показано).

На рисунке 5 представлена панель управления установки после разделения намагничивающих устройств.

2.2 Увеличение суммарной емкости блока конденсаторов
Основной параметр магнитопорошкового контроля, на который влияет емкость блока конденсаторов – длительность импульса тока намагничивания, определяющая глубину проникновения магнитного поля в материал объекта контроля, и, следовательно, возможность выявления подповерхностных дефектов. В нормативных документах на магнитопорошковый контроль отсутствуют требования к длительности импульса тока намагничивания. В п. 9.8 ГОСТ Р 56512-2015 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. Типовые технологические процессы» упоминается намагничивание кратковременным пропусканием тока в течение 1,5-2 мс, но данная информация несет справочный, а не регулирующий характер. Для других дефектоскопов с емкостным источником тока нормированные и/или типовые измеренные значения длительности импульса на уровне 50 % от амплитуды находятся в диапазоне от 0,5 до 3 мс. Исходя из этого, критерий оценки достаточности емкости блока конденсаторов установки 6733Б был определен как емкость, при которой длительность импульса будет больше 1-1,5 мс.

С целью осуществления периодического контроля параметров импульса тока намагничивания (амплитуды и длительности), в разрыв кабеля, соединяющего выход блока конденсаторов и вход тиристора, был установлен шунт лабораторный со значением номинального тока 75 А и сопротивлением 0,001 Ом.

До внесения изменений в конструкцию источника тока емкость блока конденсаторов не превышала 2 мФ, но постепенно была увеличена до 10 мФ, что соответствует длительности импульса на уровне 50 % амплитуды 0,85 мс. Предположительно, значения длительности импульса 1-1,5 мс могут быть достигнуты при увеличении суммарной емкости блока конденсаторов до 20-30 мФ, но точное значение должно быть подобрано с учетом следующего ограничивающего фактора.

Увеличение емкости блока конденсаторов приводит к увеличению времени, необходимого для их заряда. Коррекция времени заряда выполняется путем замены резистора, ограничивающего ток заряда конденсаторов. Номинал нового резистора подпирается таким образом, чтобы длительность заряда блока конденсаторов до нормированного напряжения не превышала 10-15 с, типичных для аналогичных источников тока намагничивания, используемых в других дефектоскопах. Точное значение сопротивления зависит от максимальных токов, на которые рассчитаны вторичная обмотка разделительного трансформатора, диоды выпрямителя, ключ включения тока заряда и сам токоограничивающий резистор.

2.3 Влияние внесенных изменений на напряженность магнитного поля
Что касается критерия оценки достаточности напряженности магнитного поля в соленоидах продольного намагничивания и на объекте контроля при циркулярном намагничивании, то, согласно п. 12.22 ГОСТ Р 56512-2015, при контроле способом остаточной намагниченности деталь должна намагничиваться до насыщения, что для марки стали, из которой изготавливаются внутренние кольца подшипников буксового узла (ШХ15СГ), составляет 180 А/см. Там же указано, что «в обоснованных случаях допускается применять поле меньшей напряженности», при этом критерии оценки «обоснованности» отсутствуют. В ходе консультации с разработчиками магнитопорошковых дефектоскопов выяснилось, что индикаторный рисунок, полученный при контроле способом остаточной намагниченности, перестает отличаться от индикаторного рисунка, полученного при контроле способом приложенного поля, при значениях напряженности магнитного поля примерно 100 А/см. Для того, чтобы как-то связать это значение с нормативными документами на магнитопорошковый контроль, исключительно из удобства обратимся к отмененному ГОСТ 21105-87 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод», в котором, в отличие от ГОСТ Р 56512-2015, описаны три уровня чувствительности, соответствующие разным значениям остаточной намагниченности детали. Критерий оценки достаточности напряженности магнитного поля установки 6733Б был определен как 120 А/см, что соответствует началу уровня А по ГОСТ 21105-87.
а) Продольное намагничивание
В таблице 1 приведены значения напряженности магнитного поля в центре рабочих отверстий соленоидов, соответствующие определенным изменениям конструкции.

Определение напряженности магнитного поля в центре рабочего отверстия соленоидов вместо определения напряженности магнитного поля непосредственно на объекте контроля выбрано из соображений удобства, лучшей повторяемости результатов и того факта, что напряженность магнитного поля у краев рабочего отверстия, где находится наружная поверхность объекта контроля, помещенного в соленоид, выше, чем в центре. Как мы видим, значение, измеренное для второй версии установки, удовлетворяет как критерию 120 А/см, о котором речь шла выше, так и критерию 180 А/см, нормированному в ГОСТ Р 56512-2015. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля объясняется тем, что для продольного и циркулярного намагничивания используется один источник тока.

б) Циркулярное намагничивание
В таблице 2 приведены значения напряженности магнитного поля на внутренних кольцах подшипников, напрессованных на ось колесной пары при циркулярном намагничивании, соответствующие определенным изменениям конструкции.

На момент написания статьи установка позволяет намагничивать объект контроля полем циркулярного намагничивания с напряженностью, соответствующей уровню условной чувствительности В по ГОСТ 21105-87. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля циркулярного намагничивания возможно только путем увеличения силы импульсного тока.

3. Рекомендованные изменения конструкции установки
3.1 Дальнейшее увеличение тока намагничивания
Ожидаемое значение силы тока намагничивания I, А, в момент открытия тиристора можно рассчитать по закону Ома I = U∙R, где U – напряжение на блоке конденсаторов, В, а R – сопротивление нагрузки, Ом. Отсюда следует, что добиться увеличения силы тока можно двумя путями:

• увеличение напряжения заряда блока конденсаторов;
• уменьшение сопротивления нагрузки источника.

а) Увеличение напряжения заряда блока конденсаторов
Максимальное напряжение заряда блока конденсаторов Uмакс рассчитывается по формуле Uмакс = Urms∙√2, где Urms – среднеквадратическое значение напряжения на входе выпрямителя. Так, если напряжение на входе выпрямителя равно номинальному сетевому напряжению 220 В, то максимальное напряжение заряда составляет 311 В. Увеличить напряжение на входе выпрямителя можно путем замены разделительного трансформатора повышающим, но тогда возникает вопрос подбора трансформатора с подходящим коэффициентом трансформации. В рассматриваемой установке 6733Б напряжение на блоке конденсаторов ограничено сверху номинальным значением используемых конденсаторов, составляющим 450 В. Для уверенности ограничим верхний предел значением 400 В, что дает необходимое среднеквадратическое значение на вторичной обмотке трансформатора примерно 280 В. Можно избежать затруднений при подборе повышающего трансформатора и добиться большей гибкости, если к первичной обмотке повышающего трансформатора подключить лабораторный автотрансформатор (см. рис. 6).

Повышение напряжения, поступающего на вход выпрямителя, может потребовать замены диодного моста, если он не рассчитан на работу при повышенном напряжении. Также может потребоваться подстройка делителя напряжения, к выходу которого подключен управляющий контакт, если напряжение на его выходе превышает значение напряжения, на которое рассчитан тиристор. Также следует учитывать, что увеличение напряжения на блоке конденсаторов при неизменном резисторе, ограничивающем ток заряда конденсаторов приводит к увеличению тока заряда — следует убедиться, что вторичная обмотка повышающего трансформатора, диоды выпрямителя, ключ включения тока заряда и сам токоограничивающий резистор рассчитаны на работу при увеличившемся токе заряда.

б) Уменьшение сопротивления нагрузки источника импульсного тока
Для уменьшения сопротивления нагрузки необходимо:

• уменьшить длину кабелей, проложенных от шкафа панели управления к контактным головкам (на рисунке 6 выделены оранжевым цветом);
• смонтировать параллельно кабелям, проложенным от шкафа панели управления к контактным головкам дополнительные кабели.

3.2 Повышение равномерности поля циркулярного намагничивания
Для повышения равномерности поля циркулярного намагничивания необходимо обеспечить:

• плотное прилегание пластины контактной головки к торцевой поверхности оси колесной пары;
• нахождение точки подключения токоподводящего кабеля к пластине контактной головки в точке, соответствующей центру торца оси колесной пары.

На момент написания статьи подключение контактных головок к торцам оси колесной пары осуществляется двумя болтами, что обеспечивает плотное прилегание пластины контактной головки к торцу оси. Что касается точек подключения токоподводящего кабеля к пластинам контактных головок, то они смещены относительно центра вниз, что отражено на графиках, приведенных на рисунке 7. На кольцах, расположенных ближе к торцу оси колесной пары, наблюдается разброс значений напряженности магнитного поля от 59 до 102 А/см на условно левой стороне оси колесной пары и от 65 до 105 А/см на условно правой стороне. По мере удаления от торца оси колесной пары ток в объеме оси распределен более равномерно, что также отражено на графиках – магнитное поле на кольцах, более удаленных от торца оси, распределено более равномерно.

3.3 Изменение системы управления процессом намагничивания
В более новых установках, реализующих тот же принцип работы, что и установка 6733Б, управление процессом намагничивания осуществляется иначе, чем в 6733Б. Если в 6733Б оператор удерживает кнопку заряда блока конденсаторов нажатой до момента, когда показания вольтметра напряжения заряда достигнут определенное значение, то в установках РМ8617 и УМДП-01 кратковременное нажатие кнопки запуска процесса намагничивания инициирует процесс заряда блока конденсаторов с последующим разрядом через намагничивающие устройства. Аналогичный механизм управления процессом намагничивания может быть достаточно просто реализован на основе реле времени (например, реле типа ВЛ68), которое будет замыкаться при нажатии кнопки запуска процесса намагничивания и размыкаться через время, определяемое настройкой реле. Время замыкания должно быть достаточным для заряда блока конденсаторов до значения напряжения, определенного в качестве номинального. Для подтверждения правильной работы установки, достижение номинального значения максимального напряжения заряда должно проверяться при аттестации установки в качестве испытательного оборудования.

Также, в отличие от эксплуатационной документации установки 6733Б, в эксплуатационной документации установок Р8617, ТПС 9706А, УМДП-01 предполагается намагничивание объекта контроля тремя последовательными импульсами тока. Эмпирические данные, согласно информации, полученной от разработчиков магнитопорошковых дефектоскопов, свидетельствуют о том, что увеличение количества последовательных импульсов тока намагничивания увеличивает глубину проникновения магнитного поля в материал объекта контроля. Реализовать автоматическое намагничивание последовательностью импульсов без значительного усложнения конструкции установки (как в УМДП-01) проблематично, поэтому было решено, что внесения требования о необходимости намагничивания объекта контроля тремя импульсами в технологическую карту будет достаточно.

4. Заключение
Возможно, было бы правильнее дождаться окончания процесса внесения изменений в конструкцию установки 6733Б, а уже после этого приступать к написанию статьи об этом. Тем не менее, технические решения, описанные в статье, могут подтолкнуть кого-то к доработке такого же или аналогичного магнитопорошкового дефектоскопа.

5. Список литературы
ГОСТ 21105-87 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод»;
ГОСТ Р 56512-2015 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. Типовые технологические процессы».​

Благодарим Динара за качественный материал и рекомендуем подписаться на его паблик - "Метрологический разбор".