Отока Александр Генрикович

Инженер-технолог (руководитель подразделения неразрушающего контроля), III уровень компетентности по магнитопорошковому контролю в секторе «Железнодорожный транспорт», Гомельское вагонное депо, Гомель

Немировский Юрий Васильевич

Слесарь, ЗАО «Гомельский вагоностроительный завод», Гомель

Аннотация.

В статье рассмотрена автоматизация технологии магнитопорошкового контроля роликов подшипника на примере изготовления рабочего стола с технологической оснасткой и пультом управления электроприборами. Представлена 3D модель стола дефектоскопии и всех его рабочих органов. Описана технология автоматизированного магнитопорошкового контроля роликов подшипника с использованием шагового электродвигателя.

Введение

На сегодняшний день ролики цилиндрического подшипника обязательно проверяют на наличие дефектов автоматизированным вихретоковым или ручным магнитопорошковым методом неразрушающего контроля [1].

При возникновении разногласий относительно результатов, полученных автоматизированным вихретоковым контролем роликов предпочтение отдается магнитопорошковому методу т.к. он наиболее чувствительный по отношению к поверхностным дефектам [2].

Магнитопорошковый контроль (далее — МПК) основан на обнаружении магнитных полей рассеяния над дефектами с помощью магнитного индикатора (ферромагнитных частиц).

Магнитный индикатор на контролируемую намагниченную поверхность ролика наносится мокрым способом в виде суспензии.

Ролик (см. рис. 1) — тело качения подшипника.

Рис. 1. Буксовый узел с подшипниками качения
1 – буксовый узел; 2 – подшипник качения (передний); 3 – подшипник качения (задний);
4 – кольцо наружное; 5 – сепаратор полиамидный; 6 – ролик

При мокром способе магнитная суспензия наносится на контролируемую поверхность путем распыления или полива слабой струей, не смывающей осевший порошок над несплошностью, с обязательным стеканием ее с поверхности.

При МПК роликов цилиндрического подшипника выявлению подлежат поверхностные дефекты в виде несплошности металла шириной раскрытия 10,0 мкм и более в зоне обязательного контроля. Как правило, выявляются [1] трещины (п. 1.4.03) и волосовины (п. 1.4.04).

Зоной контроля ролика является только цилиндрическая поверхность и выявлению подлежат дефекты в поперечном и продольном направлении. При этом ролик контролируется при МПК способом приложенного поля (далее – СПП). Тангенциальная составляющая Нt на поверхности ролика должна быть не менее 35А/см, вид намагничивания – полюсный.

Один из открытых вопросов остается вращение ролика на необходимый угол для последующего намагничивания с одновременным нанесением магнитной суспензии на определенный участок ролика т.к. полностью ролик при СПП проконтролировать за один проход не получится (как минимум вращать необходимо 4 раза по 90 градусов для контроля ролика по ширине – перпендикулярно оси соленоида, 2-3 раза для контроля ролика по длине – параллельно оси соленоида).

В статье [3] описана технологическая оснастка, с помощью которой магнитопорошковый контроль оправдывает себя. Однако, как отмечается в статье контроль трудоемкий т.к. усложнен технологическими операциями и переходами. При этом большую роль играет человеческий фактор, особенно в случае неразмагничивания роликов, что может привести к серьезным последствиям.

В целях снижения трудоемкости за счет автоматизации технологических операций и переходов представляем рабочий стол дефектоскопии (Рис. 2).

Рис. 2. Рабочий стол для проведения МПК роликов подшипника

Внутрь кюветы, что находится по центру рабочего стола, вставляются 2 подставки, в зависимости от того, каким образом будет происходить контроль роликов – вдоль или поперек.

Первая подставка изготовлена в виде направляющей для того, чтобы ролики при установке автоматически центрировались и были направлены продольно оси соленоида. При проведении контроля роликов вдоль оси соленоида в подставку сверху кладется 15 роликов, что соответствует одному подшипнику. По бокам установлены удлинительные наконечники, представленные на рис. 3, из идентичного материала, которые держат вместе 15 роликов подшипника. Длина удлинительных наконечников соответствует половине ролика и равна 26 мм. Это сделано для того, чтобы на краях последних роликов выполнялось условие Н_n / Н_t ≤ 3.

Рис. 3. Удлинительный наконечник подставки с продольным расположением роликов

Подставка с расположением роликов по длине (продольно оси соленоида) показана на рис. 4.

Рис. 4. Подставка с расположением роликов по длине (продольно оси соленоида)

Вторая подставка, представленная на рис. 5 изготавливается в виде укладочного поддона. В ней ролики расположены по ширине (перпендикулярно оси соленоида). При проведении контроля в подставку устанавливается также 15 роликов.

Рис. 5. Подставка с расположением роликов по ширине (перпендикулярно оси соленоида)

Для того, чтобы ролики проверить по всей окружности, на разном расстоянии сделаны специальные канавки. На расстоянии 59 мм, 84 мм, 109 мм (позиции 1Л, 2Л, 3Л) от левого края направляющей сделаны пропилы: глубина – 9 мм, ширина – 1,5 мм с двух сторон, которые показаны на рис. 6. На расстоянии 88 мм, 63 мм, 38 мм, 13 мм (позиции 1П, 2П, 3П, 4П) от правого края сделаны аналогичные симметричные пропилы.

Рис. 6. Пропиленные канавки подставки с расположением роликов по ширине (перпендикулярно оси соленоида)

Внутри укладочного поддона установлен квадратный профиль, представленный на рис. 7, служащий упором и нулевым отсчетом для первого ролика цепочки (позиция 0Л).

Рис. 7. Квадратный профиль (позиция 0Л)

Замыкается цепочка уголком, который вставляется в паз с правой стороны направляющей (позиция 1П), что показано на рис. 8.

Рис. 8. Уголок замыкающий цепочку роликов (позиция 1П)

После каждой проверки ролики по отдельности прокатываются на расстояние L=25 мм (L=_πD/4=3,14х32/4≈25 мм), что соответствует четверти длины окружности и замыкающий уголок справа переставляется на левую сторону направляющей для фиксации первого ролика цепочки. Таким образом, все ролики прокатываются до последней позиции (позиция 4П), тем самым контролируется вся цилиндрическая поверхность ролика.

Намагничивающее устройство

Намагничивающее устройство (далее — НУ) представляет собой дефектоскоп серии МД-12П либо его аналог (соленоид с рабочим отверстием диаметром 200 мм).

В рабочем столе установлены 2 направляющие, представленные на рис. 9, которые позволяют соленоиду перемещаться вдоль стола, тем самым намагничивая и размагничивая ролики. Дефектоскоп подключен к блоку питания, который установлен под рабочим столом.

Рис. 9. Соленоид и направляющие рабочего стола

Сверху на соленоид установлено 2 распылителя, которые подсоединены к шлангу подачи магнитной суспензии.

Распылитель суспензии

Для того, чтобы ролики подшипников хорошо смачивались магнитной суспензией, на соленоид установлено 2 гибких распылителя. Они направлены таким образом, что края находятся в центре соленоида, тем самым смачивают ролик подшипника полностью.

За счет своей «мягкой» конструкции распылители можно направить в любую сторону относительно соленоида, поэтому ролики подшипника хорошо смачиваются магнитной суспензией.

Распылители магнитной суспензии представлены на рис. 10.

Рис. 10. Распылители магнитной суспензии

Цилиндрические линейные направляющие с линейными подшипниками перемещения намагничивающего устройства

В рабочий стол встроены металлические цилиндрические направляющие, которые предназначены для перемещения соленоида с помощью линейных подшипников, представленные на рис. 11.

Рис. 11. Цилиндрические направляющие с линейными подшипниками

Перемещение происходит за счет того, что к соленоиду присоединены дополнительные ножки по бокам, внутри которых установлены линейные подшипники. В свою очередь линейные подшипники установлены на цилиндрические линейные направляющие.

За счет жесткости направляющего цилиндрического вала и конструкции линейных подшипников соленоид закрепляется жестко, поэтому отсутствуют колебания (люфт), которые могли бы создать проблему во время проведения контроля.

Подсветка рабочего стола

При выявлении дефектов освещенность в зоне контроля должна быть не менее 1000 лк. Рабочий стол оснащен стойкой с яркой подсветкой, представленная на рис. 12, которая позволит проводить МПК в соответствии с нормативными документами.

Рис. 12. Стойка с подсветкой

Таким образом, за счет встроенной подсветки на рабочем столе можно беспрепятственно проводить МПК роликов подшипника в помещении с недостаточной освещенностью.

Кювета

Технологическая оснастка является съемной и представляет собой кювету, что показана на рис. 13, внутрь которой устанавливаются подставки для размещения роликов.

Рис. 13. Кювета в рабочем столе

Она расположена с наклоном по горизонтали, за счет чего магнитная суспензия стекает через отверстие, представленное на рис. 14, далее по шлангу слива в бак для сбора и перемешивания суспензии.

Рис. 14. Отверстие в кювете

За счет технологического отверстия кюветы магнитная суспензия самотеком поступает через сливной шланг из кюветы в бак для вторичного использования.

Шаговый электродвигатель и редуктор

Справа внизу столешницы рабочего стола установлен шаговый двигатель и редуктор. Слева, напротив, установлен подшипник, на который, включая большую шестерню редуктора, установлен ремень, при этом находясь в достаточном натяжении, чтобы не было проскальзывания.

Шаговый электродвигатель и редуктор представлены на рис.15.

Рис. 15. Шаговый электродвигатель и редуктор

Система редуктора с шаговым электродвигателем позволяет перемещать НУ без вмешательства специалиста. При нажатии на кнопку «3» на пульте управления включается шаговый двигатель, который прокручивает редуктор и перемещает НУ на определенное расстояние, проводя намагничивание.

Редуктор состоит из 3 шестерней, каждая из которых в 2 раза меньше предыдущей. За счет такого строения даже шаговый электродвигатель от 3D принтера способен перемещать НУ, при этом не перегреваясь.

Так как у шагового двигателя есть встроенная в корпус микросхема, то можно через специализированную программу отслеживать количество шагов, а также изменять количество оборотов электродвигателя. Такая система проста и упрощает создание соответствующего кода программы для Arduino (программируемый микроконтроллер). Таким образом можно создать код программы, когда при нажатии одной кнопки на пульте управления будет перемещать НУ на заданное в программе расстояние, при этом контролируя каждый шаг.

По краям рабочего стола возле линейных направляющих установлены концевые выключатели, представленные на рис.16, которые дают сигнал программе о том, что НУ переместилось в конец или начало рабочей области.

Рис. 16. Концевой выключатель

Для натяжения и плавной работы приводного ремня напротив редуктора (слева под столешницей) установлен подшипник с ограничителями по краям, чтобы ремень привода был устойчивым и не соскальзывал. Такая система позволяет приводной ремень держать в постоянном натяжении. Подшипник с установленным ремнем привода показан на рис. 17.

Рис. 17. Подшипник с установленным ремнем привода

Бак для сбора и перемешивания суспензии

Справа внизу рабочего стола установлен бак для сбора и перемешивания суспензии емкостью в 30 л, за счет чего суспензии будет достаточно для контроля любых объемов роликов. За счет технологического отверстия в кювете и шланга, подсоединенного к нему, магнитная суспензия самотеком попадает в суспензионный бак, где повторно перемешивается.

Бак с установленным двигателем и насосом представлен на рис. 18.

К баку сверху подсоединен насос. Также рядом с насосом установлен электродвигатель, который перемешивает магнитную суспензию, чтобы магнитные частицы находились во взвешенном состоянии.

Рис. 18. Бак с двигателем и насосом

Конструкция бака для сбора и перемешивания суспензии обеспечивает простой доступ для визуального контроля количества суспензии.

Электронасос

Насос СОЖ П-50 (рис. 19) – вертикальная гидравлическая погружная станочная помпа, которая применяется для подачи СОЖ в системы металлообрабатывающих станков. Рабочая жидкость – вода. Материал проточной части центробежного П-50М – чугун. Аналоги электронасоса П50 – ПА-45, П-50М, ПА-50, НГ 2-50. Вращение – правое, по часовой стрелке со стороны привода.

Принцип работы электронасоса заключается в следующем: рабочая среда перемещается при вращении вала двигателя, обтекая крыльчатки. Через профильный канал крышки насоса П-50 жидкость поступает в гидросистему через нагнетательное отверстие в стойке, тем самым отправляя суспензию по рабочему каналу в распылительное устройство, установленное на соленоиде.

Рис. 19. Насос П-50М, установленный в бак

Технические характеристики насоса-помпы СОЖ П-50М приведены в табл. 1.

Табл.1. Технические характеристики насоса СОЖ П-50М

Марка насоса	Подача,л/мин	Давление, кг/см2 (МПа)	Рабочее напряжение, В	Мощностьэлектродвигателя, кВт	Частота вращения, об/мин	Температураокружающей среды, °С
П-50М	50	0,4 (0,04)	220/380	0,12	3000	1-55

Шаровой кран перекрытия и регулировки подачи суспензии

На верхней части соленоида находится шаровой кран, представленный на рис. 20, для перекрытия подачи магнитной суспензии.

Рис. 20. Шаровой кран перекрытия подачи суспензии

К нему с одной стороны подсоединен шланг для подачи суспензии, который идет от электронасоса, а с другой стороны подсоединен короткий отрезок шланга, к которому через тройник подсоединено 2 распылителя.

С помощью шарового крана появляется возможность отключать подачу или уменьшать давление суспензии в любой момент без остановки электронасоса, что упрощает магнитопорошковый контроль роликов подшипника.

Электродвигатель перемешивания суспензии

Из-за того, что магнитная суспензия может стать неоднородной, ее нужно постоянно перемешивать, иначе выявление дефектов будет снижаться и удачно провести контроль не получится. Для этого в бак, представленный на рис. 21, рядом с насосом установлен электродвигатель АИС71А4, который постоянно перемешивает воду с суспензией до состояния эмульсии.

Рис. 21. Электродвигатель АИС71А4, установленный в бак рядом с насосом

Электродвигателем АИС71А4 комплектуются различные электроустановки, механизмы и машины, которые не нуждаются в регулировании частоты вращения. Поэтому электродвигатели устанавливаются в различных насосах, системах вентиляции принудительного типа, компрессорном оборудовании и других устройствах. Кроме того, они нашли свое применение в различных областях промышленности, в сельском хозяйстве, системах вентиляции, отопления и водоснабжения высотных зданий.

Однофазные электродвигатели АИС 71 A4 / АИС71A4 имеют две модификации: с рабочим конденсатором и электромагнитным тормозом (Е) и с пусковым и двухфазным конденсатором с механическим растормаживающим устройством (2Е).

Электродвигатели опционно можно оснастить термисторами или термодатчиками для предотвращения перегрева обмотки статора или подшипниковых узлов. Монтажное исполнение электродвигателей – лапы или лапы/фланец.

Устройства могут эксплуатироваться в умеренном и умеренно-холодном климате как внутри неотапливаемых помещений, так и на открытом воздухе или под навесом.

Технические характеристики электродвигателя АИС71А4 представлены в табл. 2.

Табл. 2. Технические характеристики электродвигателя АИС71А4

Тип двигателя	Количество фаз	Мощность, кВт	Частота вращения, об/мин	КПД, %	Рабочее напряжение, В	Номинальный ток, А	Частота тока, Гц
асинхронный	Трехфазный	0,25	1500	65	220380	0,79	50

Пульт управления

Под рабочим столом справа с лицевой стороны размещен пульт управления. Он оснащен жидкокристаллическим дисплеем и пятью кнопками, управляющими включением/отключением электронасоса, электродвигателя, автоматического процесса перемещения намагничивающего устройства, соленоида и подсветки.

Пульт управления электроприборами представлен на рис. 22.

Рис. 22. Пульт управления электроприборами
1 – Кнопка электродвигателя; 2 – Кнопка электронасоса; 3 – Кнопка перемещения намагничивающего устройства;
4 – Кнопка соленоида; 5 – Кнопка подсветки.

На дисплее пульта управления выведена информация о работе электронасоса, электродвигателя, местоположения намагничивающего устройства, подсветки, а также о температуре двигателя и насоса для контроля перегрева.

Расположение пульта управления электроприборами было определено таким образом, чтобы специалист мог беспрепятственно в нужный момент отследить информацию на дисплее, либо включить/выключить любой прибор.

Щит распределительный

Под рабочим столом вдали от пульта управления расположен навесной распределительный щит, представленный на рис. 23, к которому подключены электронасос, электродвигатель, соленоид и пульт управления.

Рис. 23. Электрический распределительный щит

Распределительный щит состоит из металлического корпуса, прочной дверцы и встроенного замка для сохранности размещенных внутри него модулей.

Металлические электрощиты используются для установки модульной аппаратуры: автоматические выключатели, дифференциальные автоматы, УЗО, модульные контакторы.

Технология контроля

Первая подставка изготовлена в виде направляющей для того, чтобы ролики при установке автоматически центрировались и были направлены продольно оси соленоида. При проведении контроля роликов вдоль оси соленоида в подставку сверху кладется 15 роликов, что равно одному подшипнику. По бокам установлены удлинительные наконечники, которые держат вместе 15 роликов подшипника.

1. Включить кнопками «1», «2» и «5» на пульте управления, представленном на рис. 22, электродвигатель, насос и подсветку рабочего стола.

2. Ролики в количестве 15 штук расположить на подставку с расположением роликов по длине (продольно оси соленоида) таким образом, чтобы они были прижаты по краям удлинительными наконечниками из идентичного материала, что представлено на рис. 4.

3. Поместить подставку с расположением роликов по длине (продольно оси соленоида) в кювету, которая расположена в рабочем столе для дальнейшего контроля.

Подставка с расположением роликов по длине (продольно оси соленоида) в кювете представлена на рис. 24.

Рис. 24. Подставка с расположением роликов «по длине» (продольно оси соленоида) в кювете

4. На пульте управления нажать на кнопку «3», чтобы намагничивающее устройство через ременную передачу начало перемещаться. За счет шагового двигателя соленоид переместится на определенное расстояние так, чтобы первый удлинительный наконечник входил в его отверстие на 40 мм как показано в схеме расположения соленоида и роликов подшипника на рис. 25 в положении 1.

Рис. 25. Схема расположения соленоида и роликов подшипника «по длине»

5. Повернуть вентиль, представленный на рис. 20, шарового крана подачи магнитной суспензии находящегося сверху соленоида, чтобы суспензия через распылительный механизм стала смачивать ролики подшипника.

6. Включить намагничивающее устройство кнопкой «4» на пульте управления;

7. Нажать на кнопку «3», чтобы намагничивающее устройство начало медленно перемещаться, одновременно смачивая и намагничивая ролики подшипников. Намагничивающее устройство будет перемещаться к дальнему краю стола, у которого с каждой из сторон линейных направляющих установлено по одному концевому выключателю, поэтому специалисту не нужно совершать дополнительных действий для остановки соленоида;

8. Перекрыть подачу магнитной суспензии вентилем, представленным на рис. 20, шарового крана. Выключить намагничивающее устройство (соленоид) кнопкой «4» на пульте управления.

9. Дать стечь магнитной суспензии в течение 3…5 с и осмотреть поверхности деталей;

10. Повернуть ролики на ½ полного оборота. За счет шагового двигателя соленоид переместится на определенное расстояние так, чтобы первый удлинительный наконечник (справа) входил в его отверстие на 40 мм как показано в схеме расположения соленоида и роликов подшипника на рис. 25 в положении 2. Повторить операции по пунктам 5 – 9, при этом соленоид будет перемещаться в противоположном направлении.

Примечание: осмотр роликов может проводиться одновременно с намагничиванием.

11. Достать подставку для расположения роликов по длине (продольно оси соленоида) и поместить в кювету подставку для расположения роликов по ширине (перпендикулярно оси соленоида);

12. Ролики в количестве 15 штук расположить на подставку, представленную на рис. 5, плотно прижать их цилиндрическими поверхностями друг к другу так, чтобы первый ролик цепочки упирался в торец квадратного профиля (позиция 0Л), а последний ролик цепочки упирался в съемный уголок (позиция 1П).

Подставка с расположением роликов «по ширине» (перпендикулярно оси соленоида) в кювете представлена на рис. 26.

Рис. 26. Подставка с расположением роликов по ширине (перпендикулярно оси соленоида) в кювете

13. Длительным нажатием на кнопку «3» сменить режим перемещения намагничивающего устройства с подставки с расположением роликов по длине (продольно оси соленоида) на подставку с расположением роликов по ширине (перпендикулярно оси соленоида);

14. На пульте управления нажать на кнопку «3», чтобы намагничивающее устройство с помощью шагового двигателя и редуктора через ременную передачу начало перемещаться. За счет шагового двигателя намагничивающее устройство переместится так, что один из крайних роликов будет входить в отверстие соленоида на 40 мм, как представлено на рис. 27 в положении 1.

Рис. 27. Схема расположения соленоида и роликов подшипника «по ширине»

15. Выполнить операции по пунктам 5 – 9;

16. Извлечь фиксирующий уголок с позиции 1П и прокатить каждый ролик поочередно слева направо до фиксирующего уголка позиции 2П на расстояние 25 ± 1 мм (¼ полного оборота). Извлеченный уголок установить после переката всех роликов на позицию 1Л как показано на рис. 28 для фиксации цепочки роликов с противоположной стороны.

Рис. 28. Установленный уголок на позиции 1Л

17. На пульте управления нажать на кнопку «3», чтобы намагничивающее устройство с помощью шагового двигателя и редуктора через ременную передачу начало перемещаться. За счет шагового двигателя намагничивающее устройство переместиться таким образом, что конец одного из крайних роликов будет входить в отверстие соленоида на 40 мм, как представлено на рис. 27 в положении 2.

18. Повторить операции по пункту 15;

19. Извлечь фиксирующий уголок с позиции 2П и прокатить каждый ролик поочередно слева направо до фиксирующего уголка позиции 3П на расстояние 25 ± 1 мм (¼ полного оборота). Извлеченный уголок установить после переката всех роликов на позицию 2Л как показано на рис. 29 для фиксации цепочки роликов с противоположной стороны.

Рис. 29. Установленный уголок на позиции 2Л

20. Повторить операции по пунктам 14 – 15;

21. Извлечь фиксирующий уголок с позиции 3П и прокатить каждый ролик поочередно слева направо до фиксирующего уголка позиции 4П на расстояние 25 ± 1 мм (¼ полного оборота). Извлеченный уголок установить после переката всех роликов на позицию 3Л как показано на рис. 30 для фиксации цепочки роликов с противоположной стороны.

Рис. 30. Установленный уголок на позиции 3Л

22. Повторить операции по пунктам 17 – 18;

23. Для размагничивания роликов нажать на кнопку «3», чтобы намагничивающее устройство переместилось в положение 1, представленное на рис. 27. Нажать на кнопку «4», чтобы включить соленоид. Для размагничивания нажать на кнопку «3», чтобы соленоид прошел расстояние от положения 1 до конца стола (расстояние от последнего ролика цепочки до соленоида должно быть не менее 700 мм). Выключить соленоид, нажав на кнопку «4»;

24. Выключить питание электродвигателя и электронасоса бака с суспензией, нажав на кнопку «1», «2» соответственно.

25. Проверить остаточную намагниченность измерителем остаточной намагниченности первых 3 ближайших роликов со стороны соленоида. Остаточная намагниченность не должна превышать 3 А/см;

26. Протереть ветошью каждый ролик;

27. Уложить все ролики на укладочный поддон и отнести на позицию монтажа подшипника.

Заключение

В статье приведен пример технологии автоматизированного МПК роликов при использовании только шагового электродвигателя, которым можно управлять через встроенную микросхему.

Использование специализированной программы и ПЭВМ позволит полностью автоматизировать процесс дефектоскопии роликов, тем самым снизить субъективный фактор до нуля.

Автоматизированная технология МПК роликов позволит повысить качество ремонта подшипников и заменить дорогостоящее оборудование автоматизированного вихретокового контроля.

Библиографический список

1. РД ВНИИЖТ 27.05.01-2017 Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию колесных пар с буксовыми узлами грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524) мм (утвержден Советом по железнодорожному транспорту государств-участников Содружества, протокол от 19-20 октября 2017 г. №67), 2017. – 242 с;

2. ПР НК В.2-2013 Правила неразрушающего контроля деталей и составных частей колесных пар вагонов при ремонте. Специальные требования (утверждены Советом по железнодорожному транспорту государств-участников Содружества, протокол от 19-20 ноября 2013 г. №59), 2013 – 88 с.

3. Отока А.Г. Магнитопорошковый контроль роликов подшипника буксового узла колесной пары с использованием технологической оснастки / / Территория NDT.2022. №2(42). С. 44-49