Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и внедрение портативных средств неразрушающего контроля остаточных напряжений в ответственных изделиях железнодорожного транспорта на основе создания нового методического подхода и научно-методологических разработок прямого неразрушающего рентгеновского метода определения механических напряжений в элементах верхнего строения пути и подвижного состава.

Докладчик: Никулин Сергей Анатольевич

Должность: Проф., заведующий кафедрой металловедения и физики прочности, НИТУ "МИСиС"., заведующий каф. МиФП

Цель проекта:
1. Основной задачей, на решение которой направлен реализуемый проект, является определение (прогноз) жизненного цикла деталей машин, механизмов и изделий при изготовлении и эксплуатации ответственных элементов железнодорожного транспорта путем определения остаточных напряжений неразрушающим рентгеновским методом с помощью портативных средств измерений. 2. Целью реализуемого проекта является разработка портативного рентгеновского дифрактометра и методических рекомендаций по определению неразрушающим рентгеновским методом напряженного состояния, безопасной нагрузки и ресурса работы ответственных деталей железнодорожного транспорта.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Условия применения рентгеновского метода определения остаточных напряжений в ответственных элементах железнодорожного транспорта. Экспериментальные данные о влиянии характеристик элементов верхнего строения пути и подвижного состава железнодорожного транспорта, а так же материалов из которых они изготовлены на результативность определения остаточных напряжений рентгеновским методом.
Требования к элементам портативного рентгеновского дифрактометра и их характеристикам. Конструктивные схемы расположения элементов. Технические условия на портативный рентгеновский дифрактометр, в том числе на вспомогательное оборудование для крепления прибора, подготовки поверхности и обеспечения радиационной безопасности.
Опытный образец (макет) портативного рентгеновского дифрактометра в комплекте со вспомогательным оборудованием. Специальное программное обеспечение портативного рентгеновского дифрактометра.
Методика и результаты опытной эксплуатации прибора применительно к неразрушающему контролю остаточных напряжений в элементах верхнего строения пути и подвижного состава: в ободьях и на поверхности дисков железнодорожных цельнокатаных колес; в бандажах локомотивов; в железнодорожных рельсах; в литых деталях тележек грузовых вагонов.
Методические рекомендации по применению портативного рентгеновского дифрактометра для определения остаточных напряжений. Предложения по внесению изменений в действующие нормативные документы по неразрушающему контролю деталей железнодорожного транспорта.
2. Характеристики аппарата должны обеспечивать малую массу и габаритные размеры, высокий уровень радиационной безопасности, высокую точность измерения, удобство обслуживания и эксплуатации.
Масса и размеры макета портативного рентгеновского дифрактометра будут позволять переносить его к месту измерения одному человеку (общий вес не более 16 кг).
Высокая радиационная безопасность макета портативного рентгеновского дифрактометра будет обеспечена использованием миниатюрных рентгеновских трубок мощностью всего 5 Вт. На расстоянии 25 см от точки измерения уровень радиации не должен превышать уровень природного фона, источники рентгеновского излучения портативного дифрактометра не будут требовать контроля и регистрации в СЭС РФ.
Точность определения значений напряжений будет составлять от 1 до 10% от измеряемой величины в зависимости от исследуемого образца.
Обслуживание и эксплуатация макета портативного рентгеновского дифрактометра будут осуществляется одним оператором. Прибор будет снабжен специальным программным обеспечением с возможностью визуализации процесса накопления данных и параметров измерений и расчетов. Питание макета портативного рентгеновского дифрактометра должно осуществляться от сети напряжением 220В и частотой 50-60 Гц. Дифрактометр должен быть работоспособным в условиях влажности до 80% при температурах от 3 до 25ºС и влажности до 70% при температурах от 3 до 40 ºС;
Технические характеристики: рентгеновская трубка: мощность- 5 Вт, анод – Cr (Cu, Fe, V - опции), размер фокуса – 1х 1,4 мм, охлаждение – радиационное, воздушное; угловой интервал по 2θ: 10 градусов; угловое разрешение: 0.01 градуса/канал; максимальный угол наклона по Ψ : 45 градусов; детектор: газонаполненный, позиционно чувствительный, пропорциональный, угол одновременной регистрации по 2θ – 10 градусов; радиус гониометра: 114.8 мм; коллиматор: сменный, обеспечивает получение фокального пятна на исследуемой поверхности диаметром 0.5; 1.0; 2.0; 3.0; 5.0 мм; электрическая мощность: 220В, 50-60 Гц, 250 Вт.
Макет портативного рентгеновского дифрактометра будет применим для оценки остаточных напряжений в металлах ответственных деталей железнодорожного транспорта после технологических операций изготовления (например, резание, шлифование, и т.д.), а также в ходе и после их эксплуатации и для оценки ресурса ответственных деталей и конструкций железнодорожного транспорта в процессе их эксплуатации.
3. При создании портативного рентгеновского дифрактометра новизну представляют следующие решения:
- инновационные способы формирования первичного пучка рентгеновских лучей посредством многократных полных внешних отражений от миллионов полых поликапилляров, технологически сформированных в конденсор для создания малогабаритных коллимационных устройств, способные формировать интерференционную картину дифракции от объектов с разной величиной областей когерентного рассеяния (металлографически определяемых как зёрна), что позволяет исследование разнозернистых кристаллических материалов на реальных объектах без их разрушения.
- выход на неразрушающий контроль реальных деталей, механизмов и конструкций, возможность проводить этот контроль в местах расположения этих объектов исследования без изготовления контрольных образцов, возможность безэталонным методом определять упругие деформации в кристаллических материалах и рассчитывать по ним остаточные напряжения.
- портативность разрабатываемого аппарата открывает возможность применения новых дифрактометрических схем съёмок, уже применяемых на дорогих стационарных дифрактометрах, таких как съёмка на скользящем первичном рентгеновском пучке и съёмка на скользящем дифрагированном рентгеновском пучке (асимметричные схемы съёмки). Это особенно актуально для измерений упругих деформаций и в значительной мере влияет на прогнозирование, основанное на скорости протекания процессов накопления дефектов и их релаксации и, следовательно, на точность в определении остаточного ресурса изделий.
4. Проведенный анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы и патентных документов по более чем 500 источникам затрагивающим рассматриваемую научно-техническую проблему позволил выделить 15 научно-технических решений, являющихся аналогами или прототипами разрабатываемого портативного аппарата. Сопоставление характеристик разрабатываемого прибора, методик измерений и эффективности определения остаточных напряжений с этими решениями, а также в целом с опубликованными результатами ведущих специалистов в этой области (например, PSA -Германия, Seifert/GE - США), в том числе полученных на большом стационарном роботе-дифрактометре CHARON, показывают преимущество разрабатываемого дифрактометра по ряду характеристик, а также в целом правильность реализуемых в проекте исследований, методических и технических решений, в том числе использование разрабатываемой оригинальной рентгено-оптической схемы.
5. Планируемые результаты будут достигнуты путем выполнения комплексных прикладных научных исследований включающих разработку и испытания портативного рентгеновского дифрактометра применительно к оценке остаточных напряжений в металлах ответственных деталей железнодорожного транспорта.
Предшествующий началу выполнения прикладных научных исследований этап научных и технических поисков, а также успешная эксплуатация портативных рентгеновских дифрактометров отечественных разработчиков предыдущего поколения, в том числе авторского коллектива, позволили определить возможности отечественной производственной базы для выпуска источников рентгеновского излучения и его детекторов, как основных составляющих любого рентгеновского дифрактометра.
Достижение всех заявленных результатов возможно при использовании элементной базы и комплектующих только отечественного производства.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Применение портативных средств неразрушающего контроля остаточных напряжений в ответственных изделиях на основе создания нового методического подхода и научно-методологических разработок прямого неразрушающего рентгеновского метода определения механических напряжений будет осуществлено для оценки остаточного ресурса элементах верхнего строения пути и подвижного состава железнодорожного транспорта. К другим областям эффективного применения результатов относятся: транспорт, машиностроение, продуктопроводы, двигателестроение, ракетно-космическая техника, авиация, флот, строительство, атомная энергетика.
2. Конструкция прототипа прибора защищена патентами: Евразийским патентом № 000345;- патентом РФ № 2215280; а также «ноу-хау». Прототип прибора сертифицирован Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Сертификат об утверждении типов средств измерений RU.С.38.002.А №23217 от 21.02.2007г.).
Ранее разработанные портативные приборы для рентгеновской дифрактометрии прошли испытания на таких фирмах как: ЕКО-сталь (Германия); Мак-Донелл-Дуглас (США); Хромаллой (США), а также апробацию на ОАО «ОКБ Сухого» (акт от 13.01.2000г.), 13 ГНИИ МО РФ и ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь (технический акт № 40568 от 24.02.2004г.).
Прототип прибора ранее рекомендован к использованию в ВВС РФ в соответствии с Методическими рекомендациями для ВВС РФ (выпуск № 7106, 2004 год, «Применение портативных рентгеновских дифрактометров для определения напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя деталей и узлов авиационной техники»).
Разработка методики проведения опытной эксплуатации портативного рентгеновского прибора позволит провести опытную эксплуатацию прибора применительно к неразрушающему контролю остаточных напряжений ответственных элементов железнодорожного транспорта: железнодорожных цельнокатаных колес, бандажей локомотивов, рельсах, в литых деталях тележек грузовых вагонов и других.
В процессе выполнения работы будут разработаны научно-методические рекомендации по применению рентгеновского метода определения остаточных напряжений в сталях, применяемых в железнодорожном транспорте, а также будет разработан опытный прибор со вспомогательным оборудованием и предложениями по внесению изменению в действующие нормативные документы по неразрушающему контролю деталей железнодорожного транспорта.
Опытный образец, а также опытную экспериментальную партию рентгеновских дифрактометров для применения на железнодорожном транспорте предполагается изготовить на предприятии – индустриального партнера проекта - ОАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов – сборка».
3. Метод рентгеновской дифрактометрии получил новый виток развития в связи сотрудничеством НИТУ «МИСиС» с японской компанией Rigaku, разрабатывающей дифрактометры, в том числе, варианты портативных приборов.
В 2009 г. в НИТУ «МИСиС» начал функционировать «Центр компетенции по рентгеновской дифрактометрии», а в 2013 г. открылась учебно-научная лаборатория «Центр рентгеноструктурных исследований и диагностики материалов». В 2013 году был продлен Меморандум о сотрудничестве НИТУ «МИСиС» с японскими партнерами и компания Rigaku оснастила лабораторный комплекс НИТУ «МИСиС» дифрактометром SmartLab. Данное оборудование используется в данном проекте для проведения проверочных сравнительных измерений разрабатываемого портативного дифрактометра с лучшими мировыми аналогами. Кроме этого, НИТУ «МИСиС» имеет многолетний опыт успешного сотрудничества с Институтом рентгеновской оптики, заводом ОАО «Буревестник» (Санкт-Петербург), ОАО «ФОН» (Рязань), ОАО «Радикон» (Санкт- Петербург), ОАО «Пульсар» (Москва) по различным направлениям в области рентгеновской дифрактометрии.

Текущие результаты проекта:
Показано, что рентгеновский метод является прямым и наиболее точным методом неразрушающего контроля механических напряжений в железнодорожных деталях и позволяет получить достоверную картину распределения напряжений по поверхности детали, в частности, в зонах их опасной концентрации.
Проведенные патентные исследования и обзор имеющихся разработок современных отечественных дифрактометров показал, что накопленный опыт позволяет технически разработать и создать опытный образец современного отечественного дифрактометра для нужд железнодорожного транспорта.
Разработана методика и определены основные необходимые условия проведения исследований остаточных напряжений в железнодорожных деталях рентгеновским методом для различных типов дифрактометров.
Проведено лабораторное моделирование остаточных напряжений в образцах металлических деталей железнодорожного транспорта, определены рентгеновские константы расчетных формул поверхностных механических напряжений.
Разработаны технические требования для создания и применения макета портативного рентгеновского дифрактометра: к излучателю и приемнику рентгеновского излучения; к подготовке поверхности и технологическому оборудованию для ее осуществления, к технологии проведения работ при измерении остаточных напряжений рентгеновским методом; к условиям применения неразрушающего рентгеновского метода определения поверхностных напряжений железнодорожных деталей;
Изготовлены образцы сталей из основных деталей железнодорожного транспорта для исследований применимости рентгеновского метода к деталям железнодорожного транспорта, выполнены предварительные исследования и испытания. Разработана и опробована методика верификации рентгеновского метода определения остаточных напряжений. Приобретено необходимое технологическое и вспомогательное оборудование для изготовления макета портативного рентгеновского дифрактометра.