RU2497108C1 - Способ измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес - Google Patents
Способ измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес Download PDFInfo
- Publication number
- RU2497108C1 RU2497108C1 RU2012122693/28A RU2012122693A RU2497108C1 RU 2497108 C1 RU2497108 C1 RU 2497108C1 RU 2012122693/28 A RU2012122693/28 A RU 2012122693/28A RU 2012122693 A RU2012122693 A RU 2012122693A RU 2497108 C1 RU2497108 C1 RU 2497108C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rim
- well
- radial
- directions
- residual stresses
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес. Сущность: заключается в том, что излучают в боковую стенку обода ультразвуковыми датчиками две акустические волны поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измеряют время их распространения между боковыми стенками обода с последующим расчетом остаточных напряжений, при этом дополнительно из колеса той же партии, к которой относится исследуемое колесо, вырезают образец в виде секторной части обода и излучают в его боковую стенку две акустические волны поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измеряют времена их распространения между боковыми гранями сектора обода и рассчитывают остаточные напряжения по соответствующему математическому выражению. Технический результат: повышение точности измерения значений остаточных механических напряжений ультразвуковым методом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и предназначено для повышения точности расчета значений остаточных механических напряжений ультразвуковым методом.
Известен ультразвуковой способ измерения остаточных механических напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес по международному стандарту EN 13262-2004 "Продукция для железных дорог - Колесные пары и тележки - Колеса - Требования к изделиям (Railway applications - Wheelsets and bogies - Wheels - Product requirement)", согласно которому остаточные напряжения в колесе определяют измерением скорости (времени распространения) ультразвука, при котором используют эффект акустоупругости, заключающийся в учете влияния упругого напряжения в материале на скорость (время распространения) ультразвуковых волн.
Известен российский стандарт ГОСТ 54093-2010 "Колеса железнодорожного подвижного состава. Методы определения остаточных напряжений", измерения в котором проводят образом, аналогичным международному стандарту. Измерение остаточных механических напряжений в ободе колеса проводят с боковой поверхности обода, обеспечивая распространение ультразвуковых волн между боковыми гранями обода. Поперечно поляризованную акустическую волну излучают с боковой поверхности обода колеса так, чтобы плоскость поляризации излучаемой преобразователем волны была ориентирована в радиальном направлении. Проводится измерение времени распространения волны tрад. После этого проводится измерение времени распространения волны, поляризованной в окружном направлении tокруж, для чего излучают волну, поляризация которой ортогональна исходной. После выполнения всех измерений, по относительной разности времен распространения волн tокруж и tрад с учетом известного коэффициента акустоупругости К по приведенной ниже формуле рассчитывается остаточное напряжение, которое определяется в соответствие с ГОСТом как разница основных напряжений σокруж-σрад:
В стандартах указано, что для получения эпюры распределения остаточных напряжений по высоте обода, измерения должны быть выполнены в нескольких точках, расположенных по ободу колеса в радиальном направлении.
Достоинством известного способа является учет акустоупругости материала (коэффициент K).
Недостатком известного способа является отсутствие учета влияния текстурированности материала обода колеса, свойственной производимой продукции и являющейся причиной проявления собственной анизотропии материала, которая, в свою очередь, влияет на значения измеренных времен распространения tокруж и tрад. За счет этого точность способа недостаточно высока.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа, учитывающего влияние анизотропии материала на величину остаточных напряжений.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ, также как и известный, осуществляют путем излучения в боковую стенку обода ультразвуковым датчиком двух акустических волн поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измерения времени их распространения между боковыми стенками обода с последующим расчетом остаточных напряжений, отличающийся тем, что дополнительно из колеса той же партии, к которой относится исследуемое колесо, вырезают образец в виде секторной части обода и излучают в его боковую стенку две акустические волны поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измеряют времена их распространения между боковыми гранями сектора обода и рассчитывают остаточные напряжения по формуле:
где σокруж, σрад - главные напряжения в окружном и радиальном направлениях;
K - коэффициент акустоупругости;
L, L0 - путь, пройденный ультразвуком в материале;
tрад, tокруж - время распространения поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
Техническим результатом является повышение точности измеренных значений остаточных механических напряжений ультразвуковым методом за счет учета влияния анизотропности материала.
Технический результат достигается за счет того, что проведение дополнительных измерений в образце, свободном от остаточных напряжений, позволяет выявить анизотропность материала, влекущую за собой погрешность измерения.
Совокупность признаков, сформулированных в п.2, характеризует способ определения остаточных напряжений в ободьях колес, в котором производят последовательное перемещение ультразвукового датчика по боковой поверхности в радиальном направлении обода, проводя измерение в каждой точке контроля. Сканирование по ободу колеса позволяет определить распределение остаточных напряжений в нем.
Известны уравнения, связывающие напряжения и скорость ультразвуковых поперечных волн (Е.Schneider in Hauk V.Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Elsevier Sci. B.V., Amsterdam, The Netherlands 1997. - 527 p.; Е. Schneider, R. Herzer, G. Hubschen, M. Wildau, K. Steinhoff. Bestimmung des oberflachennahen Spannungszustandes von Walzen, DGZfP-Jahrestagung 2009, Munster, 2009 - P31.):
где Срад, Сокруж - скорости поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
Ct - скорость поперечной волны в изотропном материале;
σосев, σрад, σокруж - основные напряжения в осевом, радиальном и окружном направлениях;
D, Е, F, K - комбинации упругих констант второго и третьего порядка для материала, рассчитываемые по известным формулам с помощью коэффициентов Ламе (второго порядка) и упругих постоянных Мурнагана (третьего порядка) для изотропного материала.
При выявлении собственной (текстурной) анизотропии в материале эти уравнения корректно записать в следующем виде:
где
,
- скорости поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях, в анизотропном материале.
Записав разность двух последних выражений и выразив скорости через время распространения ультразвука и путь, который одинаков для каждой пары сдвиговых волн и подставив комбинации упругих постоянных второго и третьего порядка для материала, получим:
где L, L0 - путь, пройденный ультразвуком в материале исследуемого колеса и в образце соответственно;
tрад, tокруж - время распространения поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
Выделив в последнем уравнении коэффициент собственной анизотропии, показывающий величину собственной анизотропии материала, уравнение можно записать в следующем виде:
Изобретение иллюстрируется фиг.1, на которой показано расположение датчика 1 на контролируемом ободе 2 колеса.
Изобретение основывается на том, что на металлургических предприятиях колеса одной плавки, т.е. изготовленные из объема стали, выплавленной единовременно в сталеплавильном агрегате, имеют одинаковые акустические характеристики материала колес.
В предлагаемом способе для определения остаточных напряжений в ободьях колес проводят измерения в контролируемом ободе и в образце, вырезанном из колеса той же плавки. Измерение в ободе контролируемого колеса проводят с боковой поверхности обода, обеспечивая распространение ультразвуковых волн между боковыми гранями обода. Поперечно поляризованную акустическую волну излучают с боковой поверхности обода колеса так, чтобы плоскость поляризации излучаемой преобразователем волны была ориентирована в радиальном направлении. Проводится измерение времени распространения волны tрад. После этого проводится измерение времени распространения волны, поляризованной в окружном направлении tокруж,, для чего в этой же точке излучают волну, поляризация которой ортогональна исходной.
Образец представляет собой сектор колеса без диска и ступицы минимальной длины дуги окружности, вырезанный из колеса той же плавки, что и контролируемые ободья. Разрезкой остаточные напряжения в ободе снимаются, и на время распространения ультразвука оказывает влияние только собственная анизотропия материала. Измерения опорных значений времен распространения поперечных волн
и
производятся аналогичным способом, как и в контролируемом колесе, в той же точке, в которой проводится измерение времен распространения tокруж и tрад. Величину собственной анизотропии предложено характеризовать коэффициентом, равным относительной разности значений времен распространения двух ортогонально поляризованных поперечных волн между боковыми гранями обода ненапряженного колеса
. С учетом этого были модифицированные известные и опубликованные в литературе уравнения, связывающие напряжения и скорость (время) распространения ультразвуковых поперечных волн, и получено выражение, позволяющее рассчитывать значения остаточных механических напряжений в ободе колеса с учетом собственной анизотропии материала.
Для получения распределения остаточных напряжений сканируют ультразвуковым датчиком боковую поверхность обода в радиальном направлении, проводя измерения в каждой точке контроля.
Методика измерений отличается от традиционной и описанной в стандартах дополнительным измерением опорных значений времен распространения поперечных волн в образце (
и
), вырезанном из колеса данной плавки, определением коэффициента анизотропии (Δа), а также его учетом при расчете остаточных напряжений по значениям времени распространения волн, измеренным в контролируемом колесе (tокруж и tрад)
Поскольку по техническим условиям на изготовление колес по ГОСТ 10791-2011 «Колеса цельнокатаные. Технические условия» из колес текущей плавки всегда отбирается колесо для проведения заводских испытаний, то изготовление соответствующего образца из колеса, назначенного на проведение испытаний, не требует дополнительных материальных затрат.
Claims (2)
1. Способ измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес, который осуществляют путем излучения в боковую стенку обода ультразвуковыми датчиками двух акустических волн поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измерения времени их распространения между боковыми стенками обода с последующим расчетом остаточных напряжений, отличающийся тем, что дополнительно из колеса той же партии, к которой относится исследуемое колесо, вырезают образец в виде секторной части обода и излучают в его боковую стенку две акустические волны поперечной поляризации, направления колебаний в которых ориентированы в радиальном и окружном направлениях, измеряют времена их распространения между боковыми гранями сектора обода и рассчитывают остаточные напряжения по формуле:
где σокруж, σрад - главные напряжения в окружном и радиальном направлениях;
K - коэффициент акустоупругости;
L, L0 - путь, пройденный ультразвуком в материале;
tрад, tокруж - время распространения поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
- коэффициент собственной анизотропии.
где σокруж, σрад - главные напряжения в окружном и радиальном направлениях;
K - коэффициент акустоупругости;
L, L0 - путь, пройденный ультразвуком в материале;
tрад, tокруж - время распространения поперечных волн, поляризованных в радиальном и окружном направлениях;
2. Способ измерения остаточных напряжений по п.1, отличающийся тем, что производят последовательное перемещение ультразвукового датчика по боковой поверхности в радиальном направлении обода, проводя измерение в каждой точке контроля.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012122693/28A RU2497108C1 (ru) | 2012-06-01 | 2012-06-01 | Способ измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012122693/28A RU2497108C1 (ru) | 2012-06-01 | 2012-06-01 | Способ измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2497108C1 true RU2497108C1 (ru) | 2013-10-27 |
Family
ID=49446825
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012122693/28A RU2497108C1 (ru) | 2012-06-01 | 2012-06-01 | Способ измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2497108C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589219C2 (ru) * | 2014-08-13 | 2016-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ИНКОТЕС" (ООО "ИНКОТЕС") | Способ оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций |
RU2761413C1 (ru) * | 2021-06-29 | 2021-12-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Способ ультразвукового контроля плоского напряженного состояния акустически анизотропных материалов при переменных температурах |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4050292A (en) * | 1976-10-18 | 1977-09-27 | Krautkramer-Branson, Incorporated | Method and apparatus for testing railroad wheels |
SU1043555A1 (ru) * | 1981-03-16 | 1983-09-23 | Всесоюзный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Железнодорожного Транспорта | Ультразвуковой дефектоскоп |
US5349861A (en) * | 1992-03-30 | 1994-09-27 | Valdunes | Device for automatically measuring the residual stresses in the rim of one wheel of a railway wheelset |
RU2093814C1 (ru) * | 1992-06-18 | 1997-10-20 | Вальдюнес | Устройство для контроля технического состояния обода железнодорожного колеса |
RU94715U1 (ru) * | 2009-12-24 | 2010-05-27 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Устройство для ультразвукового контроля механических свойств ободьев цельнокатаных колес |
-
2012
- 2012-06-01 RU RU2012122693/28A patent/RU2497108C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4050292A (en) * | 1976-10-18 | 1977-09-27 | Krautkramer-Branson, Incorporated | Method and apparatus for testing railroad wheels |
SU1043555A1 (ru) * | 1981-03-16 | 1983-09-23 | Всесоюзный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Железнодорожного Транспорта | Ультразвуковой дефектоскоп |
US5349861A (en) * | 1992-03-30 | 1994-09-27 | Valdunes | Device for automatically measuring the residual stresses in the rim of one wheel of a railway wheelset |
RU2093814C1 (ru) * | 1992-06-18 | 1997-10-20 | Вальдюнес | Устройство для контроля технического состояния обода железнодорожного колеса |
RU94715U1 (ru) * | 2009-12-24 | 2010-05-27 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Устройство для ультразвукового контроля механических свойств ободьев цельнокатаных колес |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ГОСТ 54093-2010. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589219C2 (ru) * | 2014-08-13 | 2016-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ИНКОТЕС" (ООО "ИНКОТЕС") | Способ оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций |
RU2761413C1 (ru) * | 2021-06-29 | 2021-12-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Способ ультразвукового контроля плоского напряженного состояния акустически анизотропных материалов при переменных температурах |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2020233359A1 (zh) | 一种用于金属薄板中应力分布测量的非线性Lamb波混频方法 | |
JP5251911B2 (ja) | 残留応力算出装置、残留応力測定装置、残留応力算出方法、残留応力測定方法およびプログラム | |
Moreau et al. | On-line measurement of texture, thickness and plastic strain ratio using laser-ultrasound resonance spectroscopy | |
WO2016090589A1 (zh) | 一种激光超声金属材料残余应力的无损测量方法及设备 | |
RU2497108C1 (ru) | Способ измерения остаточных напряжений в ободьях цельнокатаных железнодорожных колес | |
CN113533519B (zh) | 一种非接触无损评估材料各向异性的方法和装置 | |
Mohd et al. | Continuous wavelet transform analysis and modal location analysis acoustic emission source location for nuclear piping crack growth monitoring | |
Kim et al. | A method to estimate the absolute ultrasonic nonlinearity parameter from relative measurements | |
Grishchenko et al. | Experimental investigation of the acoustic anisotropy field in the sample with a stress concentrator | |
US9222918B2 (en) | Sizing of a defect using phased array system | |
JP2009025093A (ja) | 電磁超音波測定装置および電磁超音波を用いた板厚および応力の測定方法 | |
Gajdacsi et al. | High accuracy wall thickness loss monitoring | |
WO2022242238A1 (zh) | 一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法 | |
JP2001343365A (ja) | 金属薄板の厚み共振スペクトル測定方法及び金属薄板の電磁超音波計測方法 | |
RU2596694C1 (ru) | Способ измерения длины трещины и скорости ее развития в изгибаемых и растягиваемых элементах конструкций | |
KR101717501B1 (ko) | 이종재료의 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정장치 및 방법 | |
CN103323687A (zh) | 超声换能器频响特性的间接测量方法 | |
Choi et al. | Effect of localized microstructural evolution on higher harmonic generation of guided wave modes | |
JPH0454447A (ja) | 疲労損傷計測方法 | |
JP2003149214A (ja) | 超音波センサを用いた非破壊検査法及びその装置 | |
Johnson | Nonlinear reverberation spectroscopy with phase-sensitive superheterodyne reception | |
Dymkin et al. | An ultrasonic method for measuring residual mechanical stresses in the rims of solid-rolled railroad wheels that considers the intrinsic anisotropy of the material | |
Jimenez et al. | Handheld solution for measurement of residual stresses on railway wheels using EMATs | |
Ingram et al. | Calibration of ultrasonic phased arrays for industrial applications | |
Schneider et al. | Nondestructive determination of residual and applied stress by micro-magnetic and ultrasonic methods |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180602 |