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.

Номер контракта: 14.578.21.0020

Руководитель: Никулин Сергей Анатольевич

Должность: зав.кафедрой

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
неразрушающий контроль, остаточные напряжения, напряжённо-деформированное состояние, легированные и углеродистые стали, рентгеновская дифрактометрия, портативные рентгеновские дифрактометры, термическая обработка, цельнокатаные колёса

Цель проекта:
Проект направлен на повышение эффективности диагностики состояния ответственных деталей грузового железнодорожного транспорта для обеспечения их надежной эксплуатации без разрушения и повышения на этой основе безопасности движения. В проекте создаются новые портативные средства неразрушающего контроля на основе рентгеновского метода измерения внутренних напряжений. 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:
К основным, наиболее значимым результатам проекта относятся:
- неразрушающий рентгеновский метод определения напряженного состояния металлов эксплуатируемых ответственных деталей железнодорожного транспорта, основанный на комбинации методов наклонов и поворотов, подтвержденный с помощью верификации другими средствами измерений;
- макет и технологическая оснастка портативного рентгеновского дифрактометра, эскизная конструкторская документация для его изготовления и методические рекомендации по его применению;
- специальное программное обеспечение портативного рентгеновского дифрактометра для регистрации и обработки сигналов и спектров рентгеновского излучения;
- результаты исследований по влиянию шероховатости поверхности и микроструктуры сталей на точность и результативность определения остаточных напряжений и разработанные на этой основе методические рекомендации по подготовке поверхностей деталей для применения неразрушающего рентгеновского метода;
- результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний макета портативного рентгеновского дифрактометра по определению напряженного состояния эксплуатируемых ответственных деталей железнодорожного транспорта;
- методика определения ресурса эксплуатируемых ответственных деталей железнодорожного транспорта по результатам исследований остаточных напряжений с применением портативного рентгеновского дифрактометра.
Планируется достижение следующих технических характеристик создаваемого макета портативного рентгеновского дифрактометра:
- масса: гониометрическое устройство с рентгеновскими трубками и позиционно- чувствительным детектором — менее 8 кг, блок питания и регистрации – менее 8 кг, общая масса переносимых узлов - менее 16 кг (в простейшей бескинематической
модификации);
- использование маломощной рентгеновской трубки с трансмиссионным анодом мощностью до 5 Вт, материал анода — Cr, V (потенциал возбуждения менее 5 keV), - размер фокального пятна – (2±0,2) мм, охлаждение воздушное;
- угловой интервал взаимного расположения трубок и детектора с фиксацией для двух типов кристаллической решётки (ОЦК —d= 0,287 нм и ГЦК — d =0,362 нм);
- использование детектора пропорционального, газонаполненного, отпаянного, линейно позиционно-чувствительного, с размером окна более 48 мм.
- линейное разрешение позиционно-чувствительного детектора - не более 300 мкм;
- радиус гониометра переменный в диапазоне от 80 мм до 150 мм;
- общая потребляемая электрическая мощность макета портативного рентгеновского
дифрактометра - менее 250 Вт;
- питание макета портативного рентгеновского дифрактометра - от
сети переменного тока напряжением 220В и частотой 50-60 Гц;
- макет дифрактометра должен быть работоспособным при следующих условиях эксплуатации: влажности до 80% при температурах от 3 до 25ºС и влажности до 70% при температурах от 3 до 40 ºС;
- источники рентгеновского излучения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Созданный с использованием результатов выполнения проекта портативный рентгеновский дифрактометр новой конструкции будет позволять измерять напряжения с высокой точностью, переносить его к месту измерения и эксплуатировать одному человеку, будет обладать высокой радиационной безопасностью за счет использования маломощных миниатюрных рентгеновских трубок, будет иметь оригинальное программное обеспечение для регистрации, обработки и визуализации сигналов и будет применим для определения остаточных напряжений в ответственных деталях железнодорожного транспорта после технологических операций их изготовления и эксплуатации и оценки на этой основе остаточного ресурса деталей.
Разрабатываемый макет портативного прибора будет иметь принципиально новую конструкцию, предусматривающую использование трех рентгеновских трубок и двух детекторов. Для использования прибора данной конструкции будет разработан новый рентгеновский метод определения напряженного состояния металлов, основанный на комбинации методов наклонов и поворотов, а также разработано новое программное обеспечение для регистрации, обработки и визуализации данных измерений, в результате испытаний и исследований макета. Будут получены новые данные о влиянии состояния поверхности и структуры сталей ответственных деталей железнодорожного транспорта на уровень внутренних остаточных напряжений.
По сравнению с существующими в настоящее время на рынке рентгеновскими приборами для определения напряженного состояния металлов ведущих зарубежных производителей разрабатываемый прибор будет иметь более высокие эксплуатационные характеристики. При той же высокой точности измерений прибор будет позволять проводить измерения за более короткое время, будет иметь существенно меньший вес и более высокую радиационную безопасность.
Заявленные результаты будут достигаться за счет проведения комплекса прикладных научных исследований включающих работы по разработке конструкции и функционала прибора и программного обеспечения для него, изготовлению макета прибора и нового рентгеновского метода измерения напряжений, испытаний и верификации прибора и проведения исследований на образцах деталей железнодорожного транспорта. По завершении проекта планируется выполнение ОКР по разработке опытного образца портативного рентгеновского дифрактометра для определения остаточных напряжений металлов эксплуатируемых ответственных деталей железнодорожного транспорта, который в дальнейшем будет доведен до серийного производства на предприятии –индустриальном партнере (АО «Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов –Сборка») для применения рентгеновского метода контроля механических напряжений в ответственных элементах подвижного состава на предприятиях железнодорожного транспорта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применение портативных средств неразрушающего контроля остаточных напряжений в предназначено для контроля состояния и прогноза остаточного ресурса ответственных элементов 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.
По завершении работ по проекту Индустриальным партнером с Получателем субсидии будет заключен лицензионный договор на использование результатов интеллектуальной деятельности, полученных при выполнении проекта. Индустриальным партнером будет организовано производство портативных рентгеновских дифрактометров. Потребителями прибора являются в первую очередь вагоноремонтные предприятия на территории РФ (более 150 предприятий).
Разработка и внедрение нового портативного прибора для анализа внутренних напряжений в деталях железнодорожного транспорта даст толчок развитию направления портативных диагностических средств для машиностроения в целом, что позволит создавать на территории РФ отечественные диагностические приборы неразрушающего контроля не уступающие мировым аналогам в данной сфере.
Использование портативных рентгеновских дифрактометров для определения остаточных напряжений в железнодорожной отрасли позволит обоснованно прогнозировать и продлевать срок службы ответственных деталей грузовых вагонов (боковые рамы, надрессорные балки и др.) и самих грузовых вагонов на период до 5 лет (в РФ в настоящее время эксплуатируется около 1200 тыс. грузовых вагонов), а также повысит безопасность железнодорожного транспорта путем понижения риска возникновения аварийных ситуаций за счет своевременного выявления и вывода из эксплуатации неработоспособных деталей.
Результаты разработки и испытаний портативного рентгеновского дифрактометра нового поколения будут доложены на российских и зарубежных конференциях в области материаловедения и диагностики материалов, а также на отраслевых конференциях железнодорожной отрасли. Научные статьи, содержащие результаты исследований будут опубликованы в ведущих научных журналах. Это откроет новые возможности для международного сотрудничества по данному научному направлению и позволит популяризировать полученные результаты на российском и международном уровне.

Текущие результаты проекта:
Разработаны методические рекомендации по подготовке поверхностей для применения рентгеновского метода определения напряженного состояния металлов ответственных деталей ж/д транспорта, разработаны критерии контроля качества подготовки поверхности. Разработаны технические требования к специальному ПО портативного рентгеновского дифрактометра (ПРД). Приведены требования по конфигурации ПО и его совместимости. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления макета ПРД и технологической оснастки для его применения, разработаны технические требования к оснастке. Разработана программа и методики и проведены вычислительные эксперименты для отработки специального ПО ПРД. Показано соответствие получаемых результатов по определению углов дифракции и остаточных напряжений с результатами, полученными на стационарном дифрактометре. Изготовлен макет ПРД и технологическая оснастка для его применения. Разработаны методики и проведены лабораторные исследовательские испытания макета портативного рентгеновского дифрактометра на изготовленных образцах сталей, используемых для изготовления ответственных деталей железнодорожного транспорта, проведена верификация разработанного неразрушающего рентгеновского метода определения напряженного состояния металлов. Разработаны методические рекомендации по применению макета портативного рентгеновского дифрактометра.