Loading

Ultradźwiękowe badania osi lokomotyw spalinowych serii ST44 i SM42

mgr inż. Roman Bawolski
Zakład Badań Materiałów i Elementów Konstrukcji w COBiRTK

 

 

"Trakcja i Wagony" Nr10-11-12/1981

UKD:629.424.1: [629.4.027.11:620.179.16]

Prawidłowa kontrola materiałów i elementów eksploatowanych pojazdów szynowych, przeprowadzona przy użyciu metod badań nieniszczących, przyczyniła się - jak wiadomo - do podnoszenia bezpieczeństwa ruchu kolejowego, a tym samym do zapewnienia przez PKP gwarancji bezpieczeństwa przewożonych pasażerów oraz ładunków towarowych. Obecnie w jednostkach PKP przeprowadza się kontrolę defektoskopową przy użyciu kilku metod badań nieniszczących materiałów, między innymi takich,jak: radiograficzna, penetracyjna, magnetyczno-- proszkowa i ultradźwiękowa.
Wymienione metody badań są stosowane przeważnie w ZNTK, które mają zaplecze "badawcze wyposażone wl aparaturę defektoskopową, niezbędne wyposażenie i warsztat napraw defektoskopów ultra-1 dźwiękowych oraz dysponują wykwalifikowaną kadrą operatorów do prowadzenia badań. W lo-komotywowniach, w których zakres napraw lokomotyw jest znacznie mniejszy w porównaniu z zakresem napraw w ZNTK - jest stosowana kontrola ultradźwiękowa lub penetracja. Natomiast w wagonowniach ze względu na mały zakres napraw wagonów - w porównaniu z ZNTK - jest stosowana metoda kontroli ultradźwiękowej.
Ponieważ każda lokomotywa - po określonym przebiegu - jest kierowana do naprawy w ZNTK, stąd w ZNTK przeprowadza się kontrolę defektoskopową niektórych elementów układu biegowego tych lokomotyw, a przede wszystkim wszystkich osi zestawów kołowych. Jeśli lokomotywownia wykonuje naprawy zestawów kołowych, po uprzednim wymontowaniu zestawów spod lokomotywy, wówczas osie tych zestawów powinny być kontrolowane metodą ultradźwiękową. Ultradźwiękowo są kontrolowane osie zestawów tych serii lokomotywy, w których w okresie międzynaprawczym występują pęknięcia zmęczeniowe. Podczas naprawy wagonu w wagonowni przeprowadza się też kontrolę ultradźwiękową osi zestawów tych wagonów.

Rys. 1. Sposób nastawiania progów odniesienia czułości układów defektoskop-głowica na wzorcach kontrolnych

a - wzorzec typu A,
b - wzorzec typu Wl,
l - miejsce przyłożenia głowicy normalnej,
2- głowicy skośnej

Ze względu na to, że osie zestawów różnych serii lokomotyw różnią się konstrukcją i gatunkiem materiału, konieczne jest stosowanie różnej technologii badania defektoskopowego, a niekiedy również odmiennej techniki badania.
Brak obecnie opracowanej technologii badań osi zestawów kołowych wyżej wymienionych serii lokomotyw naprawianych, np. w kilku jednostkach, jest przyczyną przeprowadzania badań tych osi zależnie od wiedzy i uznania operatorów. Badania takie są prowadzone przeważnie w sposób uproszczony. Chcąc łatwiej zinterpretować otrzymywane wyniki badań, badania osi przeprowadza się z reguły przy zaniżonych parametrach badań, powodując jednocześnie zaniżenia wykrywalności wad.

Rys. 2. Ultradźwiękowe wzorce porównawcze

a - lokomotywy serii ST44,
b - lokomotywy serii SM42; uwaga: nacięcia muszą być wykonane względem siebie na obwodzie ok. 90°

Niniejszy artykuł zawiera niezbędne wskazówki i informacje z zakresu stosowania aparatury ultradźwiękowej, jej wyposażenia^ parametrów badania oraz techniki prowadzenia badań osi zestawów będących w różnym stopniu przygotowania ich do kontroli, a także obejmuje wskazówki dotyczące zasad interpretacji otrzymywanych wyników badań. Wskazówki te mogą być wykorzystane do badania osi zestawów, zwłaszcza osi lokomotyw serii SM42, w których odnotowano obecnie dwa wypadki złamań osi w eksploatacji, oraz do badania osi zestawów tych serii lokomotyw, dla których nie ma dotychczas opracowanych, instrukcji technologicznych kontroli defektoskopowej, a których konstrukcja i gatunek materiału są zbliżone do konstrukcji oraz materiału osi lokomotyw spalinowych serii ST44 lub SM42.

1. Aparatura i wyposażenie do badania osi

Aparatura defektoskopowa powinna spełniać przede wszystkim warunki skalowania, a więc - mieć nastawianie czułości poszczególnych układów defektoskop-głowica konieczne do badania osi zestawów danej serii lokomotyw.
Czułość poszczególnych układów nastawia się na wzorcach kontrolnych typu A lub Wl ;- pokazanych na rysunku 1. Jako próg odniesienia czułości przyjmuje się taki jego poziom, przy którym na ekranie defektoskopu otrzymuje się . echa dna wzorca podczas jednokrotnego lub wielokrotnego odbicia fal bądź echa krzywizny wzorca o promieniu 100 mm również jednokrotnie lub wielokrotnie odbitą falą. Echa te muszą mieć z góry określoną wysokość.
Do ustalonego w ten sposób progu czułości odniesienia dodaje się taki przyrost wzmocnienia, wyrażony w decybelach, aby układ defektoskop-głowica był zdolny wykrywać w osi zestawu tych serii lokomotyw nieciągłości materiału o znanej wielkości, występujące w określonych obszarach. Następnie tak nastawioną czułość układu poddaje się kontroli na wzorcu porównawczym (rys. 2a i 2b) i zanim przystąpi się do badania osi eksploatowanych przeprowadza się korektę wzmocnienia, tak aby wysokości ech - od znanych powierzchni odbijających - były równe wysokościom ech ustalonych do badania osi.

2. Sposób badania osi zestawów wymontowanych spod lokomotywy

 

2.1. Badanie osi wymontowanych z zestawu i osi w zestawie ze ściągniętymi z czopów osiowych pierścieniami wewnętrznymi łożysk tocznych

Do badania osi zestawów lokomotyw spalinowych serii ST44 i SM42 stosuje się głowicę normalną 2LO°20C oraz głowicę Skośną 2T45°18C. Głowicą normalną wykrywa się zasadniczo nieciągłości wewnętrzne materiału osi, penetrując oś na całej jej długości. Natomiast głowicą skośną wykrywa się nieciągłości zewnętrzne, zwłaszcza poprzeczne pęknięcia powierzchniowe, oraz nieciągłości wewnętrzne materiału osi w takich obszarach, jak: czop, przedpiaście i podpiaście pod koło bose od strony czopa, po powierzchni którego przesuwa się głowicę oraz podpiaście pod koło bose, a także zębate - podczas badania z powierzchni części środkowej osi.
Przed rozpoczęciem badań ustala się najpierw próg odniesienia czułości układów defektoskop-głowica. W tym celu głowicę normalną przykłada się do wzorca kontrolnego, w miejscu 1, jak pokazano na rysunku 1, głowicę skośną zaś - w miejscu 2. Próg odniesienia czułości układu defektoskop-głowica normalna ustala się tak, aby wysokość echa dna wzorca była równa 0,4 H*> podczas pięciokrotnego odbicia fal. Następnie podwyższa się wzmocnienie o 14 dB. Czułość ta jest wystarczająca do badania osi lokomotyw serii ST44 tym układem.
Do badania osi zestawów lokomotyw serii SM42 próg odniesienia czułości powinien wynosić 0,4 H - podczas jednokrotnego odbicia fal od dna wzorca. Do badania podwyższa się wtedy wzmocnienie defektoskopu o 25 dB.
Czułość układów defektoskop-głowica sprawdza się oddzielnie na wzorcach porównawczych, wykonanych z osi zestawów lokomotyw serii ST44 i SM42 (rys. 3 i 4).
Po przyłożeniu głowicy do powierzchni czołowych wzorców porównawczych, na ekranie defektoskopu powinno wystąpić echo o wysokości H dna wzorca podczas dwukrotnego odbicia fal (dla badania osi lokomotyw serii ST44) oraz o wysokości 0,8 H z tego samego odbicia fal (dla badania osi lokomotyw serii SM42). Jeśli wysokości ech | dna wzorców porównawczych są różne od wysokości ech podanych wyżej, wówczas wzmocnienie aparatu koryguje się tak, aby wysokość tych ech była równa wysokościom ustalonym przy skalowaniu.
Do badania głowicą skośną, z powierzchni bocznej osi zestawów lokomotyw serii ST44, próg odniesienia czułości układu defektoskop-głowica nastawia się tak, aby wysokość echa dna krzywizny wzorca o promieniu 100 mm była równa 0,4 H - podczas jednokrotnego od-bicia fal. Następnie podwyższa się wzmocnienie o 33 dB.
Do badania osi zestawów lokomotyw serii SM42 wysokość echa krzywizny wzorca powin- <j na wynosić 0,8 H przy jednokrotnym odbiciu fal, a czułość badania powinna być podwyższona o 20 dB - przy kontroli osi falą jednokrotnie odbitą i o 45 dB - przy kontroli falą dwukrotnie odbitą. Przy tak nastawianych czułościach układów sprawdza się je na wzorcach porównawczych. Głowicę przykłada się do wzorców w miejscu 1 (rys. 3 i 4).
Do badania osi zestawów obu serii lokomotyw j wysokość ech od wad o głębokościach 2 mm - wykonanych na obu wzorcach porównawczych, ; w obszarze pod kołem zębatym, odr strony części środkowej osi, które są wykrywane falą jed-nokrotnie odbitą - powinna wynosić 0,2 H. Natomiast wysokość echa od wady o głębokości 2 mm - wykonanej na podpiaściu pomiędzy I podpiaściem koła bosego i zębatego lokomotywy serii SM42, która jest wykrywana falą dwukrotnie odbitą -- powinna wynosić 0,8 H. odchylenie wysokości ech od wysokości ustalonych należy skorygować.
Badania głowicą normalną osi zestawów lokomotyw serii ST44 i SM42 przeprowadza się z powierzchni czołowych obu czopów, przykładając głowicę w odległości jej środka od nakiełka, równej odpowiednio ok. 65 i 35 mm.
W czasie badania głowicę przesuwa się po okręgach, zachowując w każdym punkcie jej przyłożenia tę samą odległość od nakiełka. W wypadku wykrycia w materiale osi nieciągłości Określa się jej lokalizację i wielkość.
Do określenia lokalizacji należy również ną-Stawić czułość układu defektoskop-głowica normalna. W tym celu głowicę przykłada się do wzorca kontrolnego w miejscu 1 (rys. 1) i na-stawia próg odnjesienia czułości, tak aby otrzymać echo o wysokości 0,4 H dna wzorca przy pięciokrotnym odbiciu fal. Następnie podwyższa się wzmocnienie o 20 dB. Przy tak nastawianej I czułości i przyłożeniu głowicy do powierzchni j bocznej osi w miejscu 3 i 4, tak jak na rysunkach 3 i 4, powinno ukazać się echo w wysokości H od dna wzorca podczas dwukrotnego odbicia fal.

 

Rys. 3. Sposób sprawdzania czułości układów defektoskop-głowica na osi wzorcowej lokomotywy serii ST44 i drogi przebiegu w osi fal ultradźwiękowych 

1÷5 - miejsca przyłożenia giowic podczas sprawdzania czułości,
6- miejsce przyłożenia głowicy w czasie badania czopa drugiego

Przy takiej czułości układu defektoskop-głowica przeprowadza się badania z powierzchni bocznej osi zestawu. Głowicę przykłada się do powierzchni bocznej w takiej odległości od powierzchni czołowej czopa, w której podczas badania z powierzchni czołowej ustalono położenie wykrytej wady. Następnie przesuwa się ją rucnem zygzakowatym w odległości, względem punktu jej przyłożenia, ?25mm i po całym obwodzie osi zestawu.

 

Rys. 4. Sposób sprawdzania czułości układów defektoskop-głowica na osi wzorcowej lokomotywy serii SM42 i drogi przebiegu w osi fal ultradźwiękowych

1÷5 - miejsca przyłożenia głowic podczas sprawdzania czułości

Skok zygzaka nie może być większy od średnicy lub boku przetwornika.Jeśli nieciągłość materiału osi zestawu występuje na podpiaściu pod kołem bosym lub zębatym, to do określenia lokalizacji tej nieciągłości stosuje się głowicę skośną.
Oś zestawu poddaje się badaniom z powierzchni walcowej czopa lub z jej części środkowej, kierując w obu wypadkach wiązką fal ultradźwiękowych na podpiaściu pod koło bose. Głowicę przesuwa, się wzdłuż tworzących powierzchni walcowej czopa Jub wzdłuż tworzących części środkowej osi zestawu ruchem zygzakowatym i po obwodzie na długości 1,50, począwszy od krawędzi podpiaścia, gdzie 0 - jest średnicą części środkowej osi zestawu w miejscu przyłożenia głowicy.

2.2. Badanie osi w zestawie wymontowanym spod lokomotywy z osadzonymi na czopach osiowych pierścieniami wewnętrznymi łożysk tocznych lub łożyskami tocznymi

Badania osi zestawów obu serii lokomotyw przeprowadza się przy użyciu głowicy normalnej, jak podano w punkcie 1.1, oraz przy użyciu głowicy skośnej z powierzchni części środkowej, jak podano również w tym punkcie.Niezależnie od badań osi zestawów, wymienionymi wyżej głowicami, przeprowadza się również badania tą samą głowicą normalną, ale z klinami załamującymi, o kątach nachylenia głowicy 8° i 7° oraz głowicą skośną,2T45°18C z powierzchni czołowych czopów osiowych.
Do badania osi zestawów lokomotyw serii ST44 stosuje się głowicę normalną z klinem załamującym o kącie nachylenia głowicy 8° oraz głowicę skośną. Do badania osi lokomotyw serii SM42 stosuje się tylko głowicę normalną z klinem o kącie nachylenia głowicy 7°.
Głowicą z klinem 8° penetruje się czop, przedpiaście i podpiaście od strony czopa. Do badania osi zestawów głowicą normalną z klinem 8° próg odniesienia czułości nastawia się, używając głowicy normalnej (bez klina załamującego) i przykładając ją do wzorca kontrolnego w miejscu 1 (rys. 1). Na ekranie defektoskopu powinno otrzymać się echo o wysokości 0,4 H dna wzorca - podczas pięciokrotnego odbicia fal. Następnie podwyższa się wzmocnienie o 30 dB i na głowicę nasadza się klin załamujący. Układ ten poddaje się sprawdzeniu na wzorcu porównawczym, przykładając głowicę do wzorca w miejscu 4 (rys. 3). Wysokość echa wady o głębokości 1,5 mm powinna wynosić 0,2 H. Tak samo postępuje się przy nastawianiu czułości układu defektoskop-głowica normalna do badania osi zestawów głowicą, z klinem załamującym o kącie nachylenia 7°.
Echo dna wzorca kontrolnego wynosi tu 0,4 H przy jednokrotnym odbiciu fal, czułość zaś badania będzie wyrażać się wzorem: 0,4 H + 40 dB. Czułość sprawdza się, przykładając głowicę do wzorca w miejscu 2 (rys. 4). Wysokość echa wady o głębokości 3 mm, otrzymanego na ekranie defektoskopu, będzie wynosiła 0,4 H.
Podobnie ustala się czułość układu defektoskop-głowica skośna, przeznaczonego do badania osi zestawu z powierzchni czołowej czopa. Głowicę przykłada się do wzorca w miejscu 2 (rys. 1) i wzmocnienie nastawia tak, aby od krzywizny wzorca o promieniu 100 mm otrzymać echo o wysokości 0,4 H, przy jednokrotnym odbiciu fal. Do badania osi zestawów eksploatowanych czułość tę podwyższa się o 20 dB.
Głowicę przykłada się do powierzchni czołowej czopa wzorca porównawczego w miejscu 2 (rys. 2), tak aby wiązka fal ultradźwiękowych padała na nacięcie o głębokości 1,0 mm. Wysokość echa tego nacięcia powinna wynosić 0,2 H. Ewentualne odchylenie wysokości echa od wysokości nominalnej należy również skorygować. Podczas badania osi lokomotyw eksploatowanych serii ST44 - głowicą normalną z klinem załamującym oraz głowicą skośną - głowicę przykłada się do powierzchni czołowych czopów osi (poniżej nakiełków) w tych samych odległościach ich środków od nakiełków, w których były one przykładane do wzorców porównawczych podczas sprawdzania nastawionej czułości.
Głowicą skośną wykrywa się pęknięcia na podpiaściu osi zestawu pod kołem bosym od strony przedpiaścia, podczas dwukrotnego lub trzykrotnego odbicia fal, jak pokazano na rysunku 3, przy przyłożeniu jej odpowiednio w miejscu 2 i 6. Natomiast podczas kontroli głowicą normalną z klinem załamującym czopa osi zestawu eksploatowanego lokomotyw serii SM42, głowicę tę przykłada się do powierzchni czołowej czopa poniżej nakiełka w odległości 20 mm, przy kontroli zaś przedpiaścia i podpiaścia - przykłada się ją w odległości ok. 25 mm (rys. 4). Głowicę przesuwa się po powierzchniach czołowych obu czopów (zachowując stały promień przesuwu) i- obraca się je tak, aby w każdym punkcie ich przyłożenia oś symetrii wiązki fal ultradźwiękowych pokrywała się z tworzącymi czopa, przedpiaścia i podpiaścia osi. 

3. Badania osi w zestawie zamontowanym pod lokomotywą z odkręconymi do badań pokrywami czołowymi obudowy łożysk osiowych

Badania osi zestawów kołowych zamontowanych w lokomotywach obu serii przeprowadza się głowicą normalną, jak podano w punkcie 2.1., z wyłączeniem badań przy użyciu głowicy skośnej z powierzchni części środkowej osi. Obszary osi penetrowane w luźnych zestawach kołowych z powierzchni części środkowej głowicą skośną - w zestawach kołowych zamontowanych bada się z powierzchni czołowej czopa głowicą normalną z klinami załamującymi, stosując parametry omówione w punkcie 2.2.
Do kontroli osi zestawów lokomotyw serii ST44 w obszarze pomiędzy podpiaściami pod koło bose i zębate oraz w obszarze końca podpiaścia pod koło bose, jak również w obszarze zaokrąglonego przejścia od podpiaścia do części środkowej osi - stosuje się głowicę normalną z klinem załamującym o kącie nachylenia głowicy 8°, którą przykłada się w powierzchni czołowej czopa - poniżej nakiełka - w odległości ok. 55 mm, do kontroli zaś podpiaścia pod koło zębate - głowicę przykłada się w odległości ok. 60 mm.
Do kontroli tych samych obszarów osi zestawów, jak podano wyżej, ale pochodzących od lokomotywy serii" SM42, stosuje się głowicę normalną z klinem załamującym o kącie nachylenia głowicy 7°, którą przykłada się poniżej nakiełka w odległości ok. 55 i 65 mm.

4. Interpretacja wyników badań osi

Właściwa interpretacja wyników badań jest podstawowym warunkiem prawidłowego zakwalifikowania osi po badaniach.Jak wiadomo, nie wszystkie echa, które występują na ekranie, pochodzą z odbicia fal od nieciągłości występujących w materiale osi.
Przyczyną występowania tych ech, pochodzących od różnych powierzchni odbijających, są z reguły stosowane wysokie parametry badań. Zaniżenie parametrów badań pociąga za sobą zaniżenie wykrywalności wad. Echa te otrzymuje się przeważnie podczas odbicia fal ultradźwiękowych od pierścieni wewnętrznych łożysk tocznych, pierścieni labiryntowych, piast kół bosych i zębatych oraz zaokrąglonych przejść od jednej średnicy osi do drugiej. Zdarza się również, że występowanie ech, w różnych miejscach podstawy czasu defektoskopu, jest przyczyną transformacji fal ultradźwięko--wych. Zjawisko to występuje wtedy, gdy głowica zostanie przyłożona do powierzchni czołowej czopa osi w skrajne położenie.
Echa pierścieni, piast kół i zaokrąglonych przejść występują przeważnie w jednym i tym samym miejscu podstawy czasu defektoskopu podczas prowadzenia głowicy po powierzchni czołowej czopa osi, w stałej odległości jej środka od nakiełka. Prowadzenie głowicy względem nakiełka w różnej odległości powoduje skrócenie lub wydłużenie drogi przebiegu fal ultradźwiękowych od głowicy do powierzchni odbijających fale ultradźwiękowe.
W związku z tym na ekranie defektoskopu następuje przesunięcie ech od tych powierzchni (przyspieszenie lub opóźnienie ech). Dlategoi też w czasie badania należy zwracać szczególną uwagę, aby głowice były przykładane do powierzchni czołowej czopa we właściwe miejsce i prowadzone po okręgu o stałej długości promienia.
Jeśli głowice są prowadzone w sposób prawidłowy, wówczas echa danych powierzchni odbijających występują w innych miejscach podstawy czasu defektoskopu niż echa pochodzące od poprzecznych pęknięć powierzchniowych. Te ostatnie echa występują prawie zawsze w tych samych miejscach podstawy czasu co echa wad (nacięć), występujące podczas sprawdzania czułości układów na wzorach porównawczych.