Diagnostyka obręczy zestawów kołowych z wykorzystaniem pola magnetycznego

(1)

Seria: T R A N SPO R T z. 40 N r kol. 1490

M arek SITA RZ, Z bigniew Ż U R E K

DIAGNOSTYKA OBRĘCZY ZESTAWÓW KOŁOWYCH Z WYKORZYSTANIEM POLA MAGNETYCZNEGO

S treszczen ie. W pracy przedstaw iono w ym agania dotyczące diagnostycznych badań obręczy kół kolejow ych m etodam i nieniszczącym i, takim i jak: ultradźw iękow e i rentgenograficzne. N astępnie opisano podstaw y teoretyczne badań z w ykorzystaniem pola m agnetycznego. Przedstaw iono przeprow adzone badania eksperym entalne z dziedziny diagnostyki technicznej i m ateriałow ej oraz projekt przetw ornika m agnetycznego do diagnostyki obręczy.

RAILWAY WHEEL BANDS DIAGNOSTIC WITH USE OF MAGNETIC FIELD

S u m m a ry . In this paper are show n requirem ents relating to diagnostic investigations o f railw ay w heel bands using undam aging m ethods as ultrasonic or rentgenographic methods.

Then, there are described theoretical basis o f investigations w ith use o f m agnetic field.

M anaged experim ental investigations from technical and m aterial diagnostics are show n w ith design o f m agnetic transform er to diagnose o f railw ay w heel bands.

1. W STĘP

Transport kolejow y odgryw a w e w spółczesnym św iecie bardzo w ażn ą rolę. Stw arza m ożliw ości przem ieszczania się dużej ilości tow arów i ludzi przy znikom ym zanieczyszczeniu środow iska naturalnego. D ążąc do utrzym ania znaczącej pozycji w śród innych środków transportu, konstruktorzy taboru kolejow ego ciągle udoskonalają poszczególne podzespoły w ykorzystujące now e osiągnięcia technologiczne, a w szczególności now e m ateriały konstrukcyjne.

Bardzo istotnym podzespołem każdej jednostki szynow ej je s t zestaw kołow y.

Pom im o zastosow ania znakom itych osiągnięć tak przy konstruow aniu koła, obręczy, osi czy całego zestaw u, ja k i zastosow ania now ych m ateriałów oraz profilów szyn i kół, w w yniku w spółpracy koła z szy n ą pojaw iają się w procesie eksploatacji uszkodzenia zestaw ów kołow ych, szczególnie w m iejscach kontaktu kół z szynam i, tj. pow ierzchni tocznych i obrzeży.

W zględy bezpieczeństw a i potrzeba przedłużenia okresu użytkow ania, kół i obręczy kolejow ych n akazują w ięc badanie diagnostyczne tych elem entów przed, ja k rów nież w czasie ich eksploatacji.

(2)

24 M. Sitarz, Z. Żurek

Z akres b adań i k ry teria klasyfikacji obręczy kolejow ych zostały opracow ane przez ośrodki naukow o - techniczne w P olsce ja k rów nież przez K om itet ORE.

Podstaw ow e w y m ag an ia badań diagnostycznych obręczy - m etodam i ultradźw iękow ą, m ag n ety czn ą czy p rądów w irow ych - s ą następujące:

kontrola p ow inna obejm ow ać m ożliw ie ja k n ajw iększą objętość m ateriału;

- echa od w ad w zorcow ych pow inny być na ty m sam ym poziom ie, niezależnie od ich głębokości;

- badania pow inny być prow adzone w dw óch kierunkach - osiow ym i prom ieniow ym ; badania pow inny w y k ry w ać w ady niedopuszczalne i „dopuszczalne” .

D otychczas w Polsce najbardziej rozpow szechnioną m e to d ą badań obręczy kół kolejow ych je s t m etoda ultradźw iękow a. Jednak pow szechność stosow ania metody m agnetycznej w p rzem yśle m aszynow ym na św iecie zainspirow ała autorów do przeprow adzenia badań teoretycznych i eksperym entalnych dotyczących w ykorzystania tej m etody w badaniach d iagnostycznych obręczy kół kolejow ych.

2. PO LE M A G N E T Y C Z N E JA K O N A R Z Ę D Z IE PO M IA R O W E W D IA G N O ST Y C E T E C H N IC Z N E J I M A T ER IA Ł O W E J

M etody ultrasonograficzne i rentgenograficzne p o siad ają podstaw ow e znaczenie w diagnostyce m ateriałow ej w ad i uszkodzeń. Istn ieją jed n ak rozpoznane efekty m agnetyczne i praw a zw iązane z polem m agnetycznym , dzięki którym m ożliw e je s t uzupełnienie istniejących m etod pom iaram i z w ykorzystaniem zjaw isk p o la m agnetycznego.

W prow adzeniu takich pom iarów potrzebne s ą przetw orniki pom iarow e p o la m agnetycznego o czułościach w yższych od przetw orników hallotronow ych i g eneracyjnych, m ierzące natężenie p o la m agnetycznego H, a nie tylko p o ch o d n ą n atężenia p o la m agnetycznego w zględem czasu (dH /dt). N ow e technologie i rozw iązania naukow e w m ikroelektronice um ożliw iły w prow adzenie na ry n ek cienkow arstw ow ych m ostkow ych przetw orników m agnetorezystancyjnych, um ożliw iających pom iar w szerokim zakresie częstotliw ości z czułością poniżej 50 pT. Przetw orniki m agnetorezystancyjne w przeciw ieństw ie do hallotronow ych p o siad ają budow ę, która um ożliw ia pom iar pola m agnetycznego stycznego do pow ierzchni w arstw y przetw ornika [4]. Szeroki w achlarz zalet, jak im i dysponują przetw orniki m agnetorezystacyjne oraz ich dostępność skłoniły do przeprow adzenia serii w stępnych badań z zakresu diagnostyki m ateriałow ej i technicznej.

2.1. P odstaw y fizyczne zagadnienia

10 ‘ 10

A l l

1

n H .

- 1 0 -

1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 A /m

1 ? _{_} ^ 2

—4 0 -

R y s .l. E fekt m agnetostrykcji: dla żelaza; 2 - dla nik lu

F ig .l. M agnetostriction effect: 1 - for iron, 2 - for nickel

Pierw szym z odkrytych efektów m agnetycznych był efekt ty p u Jo u le’a.

Polegał on n a zm ianie długości ferrom agnetyków um ieszczanych w przem iennym po lu m agnetycznym . Z m iana długości w yw ołana m ag n eto stry k cją (efekt Jo u le’a) m oże przyjm ow ać w artości dodatnie lub ujem ne. W badaniach, które często prow adzano dla żelaza i niklu [5], stw ierdzano liniow ość zm ian długości od zm ian natężenia pola dla niew ielkich jeg o przyrostów , ja k na

(3)

rys. 1. Z innych badań [5] w ynika, że efekt m agnetostrykcji osiąga sw ą m ak sy m aln ą w artość przed nasyceniem nam agnesow ania. W zależności od m ateriału w ystępuje on w granicach 70 - 80% nasycenia.

E fekt odkryty przez Joule’a w 1842 roku je s t efektem odw racalnym , co zostało potw ierdzone odkryciem w roku 1865, znanym od nazw iska autora jak o efekt V illariego.

E fekt ten polega n a zm ianie m agnetyzacji m ateriałów m agnetycznych po d w pływ em naprężeń zew nętrznych. W pływ naprężeń na krzy w ą m agnetyzacji je s t w yraźny, zależy jed n ak od znaków w spółczynników m agnetostrykcji i kierunku naprężeń. E fekt ten dokładnie opracow ał R.M . B ozorth w pracy pod tytułem „F errom agnetyzm ” z 1951roku. Stw ierdził:, że- „ naprężenia w raz z tem peraturą są jed n y m z głów nych czynników w pływ ających na zm iany m agnetyzm u” .

W m ateriałach z dodatnim w spółczynnikiem m agnetostrykcji m agnetyzacja zw iększa się przy rozciąganiu, a zm niejsza przy ściskaniu. W m ateriałach z u jem n ą m agnetostrykcją w ystępuje zjaw isko odw rotne. T ypow ym przykładem m ateriału o dodatnim w spółczynniku m agnetostrykcji je s t żelazo, z ujem nym w spółczynnikiem - nikiel. B ardzo dobrym przykładem są krzyw e m agnetyzacji zam ieszczone na rys. 2. Przedstaw iają one zm iany m agnetyzacji m ateriałów o m agnetostrykcji pozytyw nej i negatyw nej dla różnych stanów naprężeń i sposobów zasilania strum ieniem m agnetycznym (przed zadaniem lub po zadaniu naprężenia i ) [6],

P o le m a g n e ty c z n e A /m P o le m a g n e t y c z n e A /m

Rys. 2. K rzyw e m agnetyzacji stopu N iFe(68% :32% ) oraz czystego niklu- N i w funkcji natężenia pola. K olejność sym boli w oznaczeniach: (H, H); (FI, x=0) d o ty czą pierw szeństw a zadziałania czynnika. D la stopu N iF e T=40MPa, d la N i t= T M P a [6]

Fig. 2. M agnetization curves for alloy N iFe (68% , 32% ) and pure nickel vs. m agnetic field.

O rder o f m arks (H, t) ; (t, H); (H, t= 0 ) show s priority o f factors. F or alloy: N iFe t= 40M P a, d la N iT = lM P a [6]

O dkrycie efektu przez V illariego było początkiem późniejszej diagnostyki stanów naprężeń i odkształceń polegającej na pom iarze zm ian pola m agnetycznego w w yniku zmiany naprężeń. Efekty te w chw ili obecnej um ożliw iają pom iary [4]:

- drgań i przyspieszeń , - odkształceń s p rę ż y sty c h ,

- ciśnienia, przyspieszenia i m om entu, - jednorodności m a te ria łó w .

(4)

26 M . Sitarz, Z. Żurek

P ozostałe w łaściw ości p o la m agnetycznego zw iązane ze zm ian ą b ieg u linii sił pola m agnetycznego n a granicy środow isk (ferrom agnetyk - pow ietrze, m ateriały o różnej przenikalności m agnetycznej) są w ykorzystyw ane w pom iarach [4]:

- kształtu, przesunięć liniow ych i kątow ych, detekcji położenia zerow ego,

w łaściw ości k ierunkow ych blach transform atorow ych.

3. PR Z Y K Ł A D Y Z A ST O SO W A Ń

3.1. P om iary d rgań , naprężeń i odkształceń belki utw ierdzonej jed n ym końcem

Z organizow any cykl badań m iał na celu pom iar pola m agnetycznego w okół próbki stalow ej obciążanej sprężyście z zastosow aniem m agnetorezystancyjnych przetw orników pom iarow ych [7,8]. Porów nanie otrzym anych w yników z rów nolegle prow adzonym i pom iaram i tensom etrycznym i i pom iaram i strzałki ugięcia m iało potw ierdzić zasadność m etody. B ad an ia prow adzono na stanow isku pom iarow ym , na którym obciążano płaskow nik ze stali ST5 ob racającą się k rzy w k ą z częstotliw ością ok. 3Hz. Siła pochodząca od naporu krzyw ki przem ieszczała się po pow ierzchni płaskow nika n a drodze A - B, uginając go o s t r z a ł k ę / j a k n a rys. 3. D o pom iarów strzałki ugięcia użyto przetw ornika param etrycznego potencjom etrycznego, m ostkow y przetw ornik tensom etryczny do pom iaru w ydłużeń i m ostkow y przetw ornik m agnetorezystancyjny K M Z do pom iaru n atężenia pola m agnetycznego.

Rys. 3. Schem at stanow iska badaw czego z rozm ieszczonym i przetw ornikam i pom iarow ym [8]

Fig. 3. Schem e o f m easuring post w ith distributed m easuring transform ers [8]

(5)

W celu poszerzenia zakresu badań o zm ienne am plitudy i czasy ugięcia, pom iary w ykonano z użyciem czterech krzyw ek (K I - K 4) o różnym kształcie i w ysokości. N a rys. 4 przedstaw iono kształty pozostałych krzyw ek.

Rys. 4. K ształty pozostałych krzyw ek K 2- K4 Fig. 4. O ther cam s shapes K 2-K 4

W yniki pom iarów zam ieszczono na kolejnych rysunkach (rys. 5-6). P rzyrostom strzałki ugięcia tow arzyszył przyrost poziom u sygnału z m ostka tensom etrycznego i m ostka m agnetorezystancyjnego.

1 +< . 4 ? V NC RM s. dM V 1 + ) . 4 32V NC RM Sf 3M

l \

\\

f \- * =

1

Î

1

^{t Ą -B}

“= 1 ►

--

p « Û1' Iv l

T --- a i s P .X a i J a i s

1 +13 . 4 56V NC RM S. 5M aV i + L . 9 ' / NC RM S. 3M

f - r c>

--- --- ---

—

----

— ► ^{A -H} ^.

---

_{\ -}

v -

^{— 1►}

\

Hr—

---- _

__ 1

/ \ /

! i— . ■ —

^•'

/ /

K 3

---

p « a i ' a is P K Q5 ! ^{I V t} a i5

Rys. 5. Przebiegi napięciow e potencjom etrycznego przetw ornika pom iarow ego strzałki u gięcia w yw ołane p ra c ą krzyw ek K I do K4

Fig. 5. C ourse o f voltage potenciom eter transform er o f arrow o f deflection caused by w ork of cam s K1 to K4

(6)

R ys. 6. P rzebiegi napięciow e tensom etrycznego m ostkow ego u kładu pom iarow ego w yw ołane p ra c ą k rzy w ek K I do K4

Fig. 6. C ourse o f voltage for tensom etrical bridge caused by w ork o f cam s K1 to K 4

R ys. 7. Przebiegi napięciow e m agnetorezystancyjnego m ostkow ego układ u pom iarow ego w yw ołane p ra c ą k rzyw ek K I do K4

Fig. 7. C ourse o f voltage for m easurem ents m ade by m agnetoresistant bridge caused by w ork o f cam s K1 to K 4

(7)

Z przeprow adzonej serii badań w ynika, że w raz ze zm ianam i odkształceń próbki od krzyw ek K 1 -K 4 pojaw iały się proporcjonalne zm iany w natężeniu pola rejestrow ane przetw ornikam i m agnetorezystancyjnym i [8], Zestaw ienie w yników przedstaw iono w ykreślnie na rys. 8.

K 1 K 2 K 3 K 4

Rys. 8. W ykres zbiorczy szczytow ych napięć pom ierzonych trzem a rów noległym i układam i pom iarow ym i w yw ołanych ugięciam i od krzyw ek K I do K4[8]

Fig. 8. Sum m ary graph o f peak voltage m easured by three m easuring arrangem ents caused by deflection from cam s K1 to K4 [8]

W stępne w yniki badań potw ierdziły zasadność podjętych prób pom iaru stanu naprężeń przetw ornikam i m agnetorezystancyjnym i pola m agnetycznego. P otw ierdzono także przydatność przetw orników pola w badaniach drgań [7], Porów nanie pom iarów w ykonanych przetw ornikiem piezoceram icznym i przetw ornikiem pola m agnetycznego przedstaw ia rys. 9.

Rys. 9. C harakterystyki w idm ow e ugięcia dynam icznego k rzy w k ą K3 próbki stalow ej na stanow isku pom iarow ym . Z aznaczone am plitudy drgań w łasnych o częstotliw ości 84 Hz: A- dla pom iaru przetw ornikiem piezoceram icznym , B- dla pom iaru

przetw ornikiem pola m agnetycznego [7]

Fig. 9. Spectral characteristics o f dynam ie deflection caused by cam K3 o f steel sam ple at m easuring post; m arked am plitudes o f ow n quavers at frequency 84 HZ: A - for m easurem ent m ade by piezoelectrial transform er; B- for m easurem ent by m agnetic field transform er [7]

(8)

30 M. Sitarz, Z. Ż urek

3.2. P om iary naprężeń i odkształceń w irujących elem entów m aszyn

D o tej serii badań zaprojektow ano krążek stalow y przedstaw iony n a rys. 10, o średnicy 14cm i szerokości tarczy ll m m [9]. Przez odpow iednie rozstaw ienie otw orów i nacięć uzyskano m ożliw ość w pływ u na stan naprężeń w jed n y m , dw óch lub trzech m iejscach (I, II i III). Z astosow ane k arby m iały na celu w zm ocnienie efektu stanu naprężeń.

P om iary przeprow adzono dla częstotliw ości w irow ania 9-10H z. U trzym anie stałej prędkości w irow ania ze w zględu na rozw iązanie regulatora napięcia było utrudnione. Podczas badań przetw ornik pom iarow y um ieszczano p łaszczy zn ą p o m iaro w ą stycznie do pow ierzchni tarczy w odległości /= 3m m na prom ieniu oznaczonym lin ią g ru b ą k ro p k o w an ą (ryslO ). Przy ustaw ieniu norm alnym czujnika (w pływ cech konstrukcyjnych) rejestrow ane były tylko zm iany p o la m agnetycznego, w ynikające ze zm ian kształtu (szczelina). Z estaw ienie charakterystyk am plitudow o - czasow ych zam ieszczono na rys. 1 l(a-d ).

ś r u b a d o c i s k o w a

Rys. 10. Zaprojektowany krążek stalowy posiadający możliwość zmiany naprężeń poprzez dokręcenie śrub w miejscach oznaczonych grubą linią przerywaną. Linią grubą kropkowaną oznaczono promień zamocowania czujnika pomiarowego magnetorezystancyjnego [9]

Fig. 10. Designed steel trolley with ability to change stress by screwing bolts in points marked by thick dashed line. Thick dot line shows radius o f fixed magnetoresistical measuring unit [9]

N a zam ieszczonych przebiegach am plitudow o - czasow ych m o żn a zaobserw ow ać zm iany am plitudy oraz kształtu pom ierzonego czujnikiem m agnetorezystancyjnym nad strefą krążka w m iejscu w ystępow ania szczeliny. W w ym ienionej strefie w y stę p u ją także zm iany m agnetyzacji m ateriału będące w ynikiem naprężeń. Z arejestrow ane charakterystyki w idm ow e zam ieszczone n a rys. 12(a-d) zaw ierają m odulację am plitudow o - fa z o w ą dla kolejnych zm ian stanu naprężeń i zm ian szczelin w badanym krążku.

(9)

c d

Rys. 11. Zestaw ienie charakterystyk am plitudow o - czasow ych pom iarów w ykonanych m agnetorezystancyjnym m ostkiem pom iarow ym pola m agnetycznego dla jednej z serii pom iarow ych [9];

a: górny przebieg - am plitudy sygnału dla krążka nieobciążonego, dolny przebieg - po zadaniu obciążenia śru b ą III b: górny przebieg- am plitudy sygnału dla krążka nieobciążonego,

dolny przebieg - po zadaniu obciążenia śrubą III i II c: górny przebieg - am plitudy sygnału dla krążka nieobciążonego,

dolny przebieg - po zadaniu obciążenia śrubą III ,11 i I d: górny przebieg - am plitudy sygnału dla krążka nieobciążonego,

dolny przebieg - po zdjęciu obciążenia

Fig. 11. Sum m ary o f characteristics o f am plitude vs. tim e for m easurem ents m ade by magnetoresistical m easuring bridge o f m agnetic field for one o f m easurem ent series [9];

a - higher course - am plitudes o f signal for unloaded trolley low er course - after loading by bo lt III.

b- higher course - am plitudes o f signal for unloaded trolley low er course - after loading by bolt III & II.

c - higher course - am plitudes o f signal for unloaded trolley low er course - after loading by bolt III, II & I.

d - higher course - am plitudes o f signal for unloaded trolley low er course - after unloading

(10)

Rys. 12. C harakterystyki w idm ow e będące w ynikiem zm ian docisku na kolejnych szczelinach krążka: a-bez obciążenia, c- z obciążeniem w strefie I i II, d- z o bciążeniem w strefie I, II i III, e- w kilka m inut po zdjęciu obciążeń [9]

Fig. 12. Spectral characteristics caused by changes o f tightening for sequential crevices o f trolley: a) w ith no load, b) w ith load in zone I & II, c) w ith load in zone I,II & III, d) after few m inutes after unloading

£

Z am ieszczone charakterystyki am plitudow o - czasow e w y k azu ją znaczące zm iany am plitud sygnału po zadaniu docisku k o lejn ą śrubą. O ddzielnie p rzeprow adzone pom iary czujnikiem m agnetorezystancyjnym skierow anym prostopadle do pow ierzchni tarczy w ykazały znikom e zm iany am plitud sygnału będącego w ynikiem zm iany szerokości szczeliny w granicach 0 ,l-0 ,2 m m . Z naczące zm iany am plitud były, zatem w ynikiem zm iany m agnetyzacji m ateriału. Z zebranych dośw iadczeń m ożna w nioskow ać, że p om iary pola m agnetycznego w pobliżu obracających się elem entów n io są inform acje o stanie naprężeń i kształcie elem entu m ierzonego. C harakterystyki w idm ow e p rzedstaw ione n a rys. 12 zaw ierają m odulacje częstotliw ościow o - fazow e będące w ynikiem w pływ u zm ian param etrów indukcyjnych m ateriału od w pływ u naprężeń. Przyrost prążków b ocznych w stosunku do częstotliw ości podstaw ow ych i rezonansow ych je s t w ynikiem zadaw ania kolejnego docisku śru b ą 1 ,11, i III.

(11)

R ozkład stanu naprężeń od zadania docisku śrubą ilustruje sym ulacja M ES w ycinka krążka poddanego badaniom a przedstaw iona na rys. 13.

R y s.13. Sym ulacja stanu naprężeń w w ycinku badanego elem entu [12]

Fig. 13. Stress state sim ulation in part o f investigated elem ent [12]

Sym ulację program em FEM M rozkładu natężenia pola m agnetycznego prostokątnej sztabki stalowej ze szczeliną oraz takiej samej z uw zględnieniem stanu naprężeń w sąsiedztw ie szczeliny przedstaw ia rys. 14(a i b).

(12)

Rys. 14. S ym ulacja program em F E M M natężenia pola m agnetycznego na pow ierzchni bocznej krążka; a- fragm ent pow ierzchni krążka ze szczeliną i bez naprężeń od docisku śrubą, b- fragm ent pow ierzchni krążka ze szczeliną i z w pływ em naprężeń od docisku śrubą.

Fig. 14. S im ulation o f m agnetic field density over surface w ith crack done by FEM M program m e; a- part o f surface o f trolley w ith crevice and w ithout stress, b- part o f surface o f trolley w ith crevice and w ith influence o f stress

3.3. B adania m ateriałow e

M ożliw ość w ykryw ania w ad m ateriałow ych oceniono na dw óch próbkach[10].

P ierw szą z nich, p rzed staw io n ą n a rys. 15a, uzyskano w w yniku badań zm ęczeniow ych.

Posiadała ona w ym iar 100 X 10 X 5mm. W próbce tej pow stał przełom zm ęczeniow y na części szerokości, o w ym iarze ok. 0.02m m . Pom ierzony obraz natężenia p o la m agnetycznego przedstaw iono n a rys. 15b.

Rys. 15. B adana p róbka (a) w raz z obrazem zm ian natężenia pola m agnetycznego (b )[l 0]

Fig. 15. Investigated sam ple (a) w ith show n changes o f m agnetic field [10]

(13)

O braz zm ian p o la m agnetycznego porów nano z w ynikam i sym ulacji próbki o zbliżonych w ym iarach um ieszczonej w stacjonarnym polu m agnetycznym . L inie sił pola w yjaśniają przyjęte w arunki brzegow e. D la założonego m ikropęknięcia o ścianach rów noległych uzyskano rozkład natężenia pola ja k na rys. 16a.

a

Rys. 16. R ozkład linii sił i natężenia pola - a, w ykres natężenia p o la na pow ierzchnii -b Fig. 16. R esolution o f forces and m agnetic field density - a. G raph o f flux density on

surface - b

K olejne sym ulacje zbliżające obraz wady do stanu rzeczyw istego, tj. układ stożkowy pęknięcia, utw ardzenie pow ierzchni prow adziło do zaniku w idocznego na rys. 16b w ąskiego prążka o znacznej am plitudzie.

Z m iany struktury m etalu będące w ynikiem zm iany składu, naprężeń w ew nętrznych term icznych i m echanicznych m ożna w ykryć za p o m o cą pola m agnetycznego. D ruga z om aw ianych próbek, której fotografie fragm entu przedstaw iono na rys. 17a, posiadała dwie w arstw y napaw ane elektrodą stopow ą ES 18-8b. Spaw acz w ty m przypadku celow o zaniechał dokładności przetopu w celu porów nania z w ynikiem uzyskanym na autom acie spaw alniczym [10].

N a rysunku 17b przedstaw iono m apę pola m agnetycznego na pow ierzchni próbki.

O bszar próbki oznaczono lin ią przeryw aną.

(14)

Rys. 17. F otografia fragm entu napaw anej blachy - a , m apa zm ian natężenia pola m agnetycznego -

b

[10]

Fig. 17. P hotography o f part o f w elded sheet m etal - a, m ap o f changes o f m agnetic field density - b

W idoczne zm iany natężenia p o la m agnetycznego na obu końcach długości próbki są w ynikiem oddziaływ ania zew nętrznego pola m agnetycznego w ym uszającego, pochodzącego od m agnesów stałych.

N a podstaw ie pom iaru p o la m ożna w nioskow ać o istniejących w adach m ateriałow ych m echanicznych lub strukturalnych.

4. PR Z Y K Ł A D ST A N O W ISK A P O M IA R O W E G O D O D IA G N O S T Y K I O B R Ę C Z Y ZE S T A W Ó W K O Ł O W Y C H

Stanow isko pom iarow e w najprostszym przypadku pow inno zapew niać p łynny obrót zestaw u kołow ego w celu lokalizacji w ady w stosunku do przyjętego znacznika położenia.

C zytnik pom iarow y pow inien posiadać szty w n ą konstrukcję i układ rolek gw arantujący stałą odległość przetw ornika pom iarow ego od pow ierzchni tocznej zestaw u. Z asadę pracy stanow iska pom iarow ego przedstaw iono na rys. 18.

(15)

Rys. 18. Schem at stanow iska pom iarow ego Fig. 18. M easuring post schem e

4.1. Sym ulacja zm ian pola m agnetycznego od w ad m ateriałow ych i technicznych w program ie FE M M

Z godnie z zasa d ą pom iaru przedstaw ioną n a rys. 18 zam odelow ano rozkład sił pola m agnetycznego w strefie pracy przetw ornika pom iarow ego [11] ja k n a rys. 19.

Fig. 19. Lines o f m agnetic field forces in m easuring sensor zone adjoining to railw ay w heel band surface [11]

(16)

38 M . Sitarz, Z. Ż urek

D la przyjętego założenia budow y i pracy czujnika przeprow adzono przy b liżo n ą sym ulację rozkładu linii sił p o la m agnetycznego dla obręczy bez uszkodzenia i obręczy z uszkodzeniem ja k n a rys. 20.

Rys. 20. R ozkład linii sił p o la m agnetycznego oraz rozkład składow ej norm alnej natężenia p o la o obrębie pracy czujnika dla obręczy dobrej-a i z uszkodzeniem -b [11]

Fig 20. M agnetic field forces and norm al o f flux density in near o f sensor for w heel band good and broken [11]

5. PO D S U M O W A N IE I W N IO SK I

P rzeprow adzone badania potw ierdzają zasadność szerszego rozpropagow ania d iagnostyki obręczy kół kolejow ych z w ykorzystaniem pola m agnetycznego. M etoda ta znalazła ju ż sw oje m iejsce i uznanie w św iecie. P ole m agnetyczne je s t w stanie w ykryć naprężenia w ew nętrzne oraz defekty i w ady m ateriału. O m ów ione m etody b adań obręczy m o g ą znacznie popraw ić bezpieczeństw o na kolei.

(17)

Literatura

1. Sitarz M ., W pływ w arunków eksploatacji na trw ałość w arstw y w ierzchniej bieżni.

M aszynopis In stytutu Transportu Politechniki Śląskiej w K atow icach, s. 18.

2. Lesiak P.T., U ltradźw iękow e badania zestaw ów kołow ych. M aszynopis W ydziału T ransportu Politechniki R adom skiej, s.27.

3. C egielny E., K arw ala K., Zastosow anie m etody prądów w irow ych w procesie w ytw arzania zestaw ów kołow ych pojazdów szynow ych. X IV K onferencja N aukow a Pojazdy Szynow e 2000 „Pojazdy Szynow e na przełom ie w ieków ” str. 254-258.

4. Tum ański S., C ienkow arstw ow e czujniki m agnetorezystancyjne. W arszaw a, O ficyna W ydaw nicza P olitechniki W arszaw skiej, 1997.

5. M arkuszew icz M ., M ierzejew ski A., M ateriały m agnetyczne. K atow ice, W ydaw nictw o G órniczo-H utnicze 1954.

6. Etienne du T rém olet de Lacheisserie, Theory and A pplications o f M agnetoelasticity. CRC PRESS - B oca R atón, A nn A rbor, Boston, London, 1992.

7. Ż urek Z .H ., C ienkow arstw ow e czujniki m agnetorezystancyjne jak o narzędzia pom iarow e w diagnostyce technicznej. Politechnika W rocław ska, X X X V I M iędzynarodow e Sym pozjum M aszyn Elektrycznych - D iagnostyka m aszyn elektrycznych, SM E 2000.

8. Ż urek Z .H ., Przetw orniki m agnetorezystancyjne pola m agnetycznego w badaniach stanów naprężeń m echanicznych próbki stalow ej. Politechnika Śląska, N ow e technologie i m ateriały w m etalurgii i inżynierii m ateriałow ej, V III S em inarium N aukow e, K atow ice 2000.

9. Ż urek Z.H ., B adania naprężeń w w irujących elem entach m aszyn poprzez pom iar pola m agnetycznego. Politechnika Śląska, X V II O gólnopolska K onferencja - Przekładnie zębate, W ęgierska G órka 2000.

10. Ż urek Z .H ., M ateriały niepublikow ane badań w łasnych, Instytut T ransportu Politechniki Śląskiej.

11. Ż urek Z .H ., M ateriały niepublikow ane badań w łasnych, Instytut T ransportu Politechniki Śląskiej.

12. K okoszka M ., M ateriały niepublikow ane, sym ulacja M ES, In sty tu t Transportu Politechniki Śląskiej.

Recenzent: D r hab. inż. Paw eł Piec, Prof. Politechniki K rakow skiej

A b s tra c t

U ntil now in Poland the m ost dissem inating m ethod o f investigating railw ay wheel bands is the m ethod o f ultrasonic. H ow ever, dissem ination o f usefulness o f this m agnetic m ethod in m achine industry in the w orld, gave inspirations for authors to carry on theoretical and experim ental investigations at using this m ethod in diagnostic investigations o f railw ay w heel bands.

In this paper are show n requirem ents for diagnostic investigations o f railw ay w heel sets by undam aging methods.

T heoretical basic about investigating railw ay w heel bands w ith m agnetic m ethods were show n and experim ental investigations w ere carried out. Experim ent relying at using

(18)

4 0 M. Sitarz, Z. Żurek

properties o f m agnetic field contained o f quavers m easurem ents and deflection o f hardened and rotating elem ents and m aterial investigations referring to changes in structural continuity o f m aterial and m echanical defects. The device and m easuring post w ere designed to investigate state o f railw ay w heel bands and the sim ulation by FE M M program w as done to check acceptance o f expectations. C overed investigations gave satisfactory effects.