773

П.М.Плетнев,И.И.Рогов

ВТСП изделия:экраны магнитногополя ираспылительные мишени

В результате выполненного исследования было установлено, что ВТСП изделия сложной формы с хорошими целевыми свойствами:

температура сверхпроводящего перехода, Тс — 90–92 K;

ширина СПП, Тс — 1,0–1,5 K;

рабочая температура — 77,4 K; коэффициент экранирования продольного переменного поля (f = 100 Гц) — > 4•104;

пороговое поле экранирования в рабочей зоне, Вс* — 1,0–1,5 мТл; однородность порогового поля в рабочей зоне, Вс/Вс — ±10 %; стабильность порогового поля экрана с защитой — < 20 % Вк за год; уровень собственных шумов — 10–6 мТл, — могут быть получены с использованием преимуществ классической спековой

керамической технологии и оформлением изделий методом горячего литья под давлением с применением органической связки [2].

•Факторы, определяющие высокий уровень характеристик ВТСП изделий (повышенная чистота, монофазность продукта и степень кислородного насыщения материала), реализуются совокупностью технологических параметров: режимами подготовки компонентов и помола шихты, получением промежуточного продукта — спека с заданными физико-химическими свойствами, режимами литья и удаления органической связки с последующими операциями окончательного обжига и «накислораживания».

Основные технологические параметры получения изделий на основе данной системы включают следующие этапы и особенности:

•качественное формование ВТСП изделий сложной формы методомгорячего литья под давлением реализуется с учетом особенностей физико-химического состояния минеральной композиции, с применением высококонцентрированной литейной системы и технологических и конструктивных особенностей режимов литья и используемой оснастки;

•стабильность физико-химических процессов, протекающих на завершающих стадиях технологического процесса и приводящих к получению качественных ВТСП изделий с монофазой, однородной, плотной структурой, с необходимым кислородным индексом (равным 6,80–6,84) и максимальным удалением

241

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

углеродсодержащих компонентов, обеспечивается рациональными режимами частичного удавления связующего и окончательного обжига в интервале 960– 980 °С с последующим длительным (50–100 ч) кислородным насыщением при 500 °С, а также применением разработанных нами инертных к ВТСП материалу огнеупоров;

• проведено многократное опробование разработанной технологии для получения ВТСП экранов и распылительных мишеней. Полученные данные подтвердили высокую технологичность процесса, стабильность и воспроизводимость свойств изделий.

2.Методы совершенствования функциональной керамики

2.1.Интенсификация химических реакций действием электрического поля

высокойчастоты

Как показывает термодинамический анализ, твердофазные реакции образования основных кристаллических фаз технической керамики из оксидов могут протекать уже при комнатной температуре ( G< 0). Эти реакции экзотермичны, их тепловой эффект достаточно велик и мало зависит от температуры. В случае инициирования этих реакций при низких температурах они сопровождаются большим выделением теплоты, что способствует их дальнейшему развитию.

В соответствии с уравнением Аррениуса k = Be–E/RT увеличение константы скорости реакции k может быть достигнуто либо путем повышения температуры T, либо за счет снижения энергии активации Е.

Высокочастотноеэлектрическое полевследствиемеханизмадиэлектрических потерь вызывает активацию прежде всего наиболее дефектных участков структуры вещества. В то же время именно эти участки твердого тела являются наиболее реакционноспособными. Таким образом, высокочастотное электрическое поле будет воздействовать на кинетику твердофазной реакции.

Нами экспериментально исследовано действие высокочастотного (ВЧ) электрического поля с частотой 40,68 МГц и максимальной выходной мощностью 40 кВт на синтез титаната-цирконата свинца, сверхпроводящих фаз, клинкерных минералов, на термическое разложение твердых тел [1, 2, 11, 12]. Полученные результаты показывают, что ВЧ-поле оказывает существенное влияние на кинетику твердофазных реакций. Так, при взаимодействии оксидов свинца и титана одинаковая степень синтеза достигается при термическом нагреве в течение 1 ч при температуре 600 °С, а при действии ВЧ-поля в течение 20 мин на смесь, нагретую лишь до 300 °С.

Спекание алюмооксидной керамики марки ВК95-1 при воздействии ВЧ-поля способствует образованию более плотной и мелкокристаллической структуры. Размеры кристаллов корунда составляют 4,5–6,0 мкм. Стеклофаза располагается между кристаллами в виде мелких и тонких прослоек. Толщина прослоек составляет 1,5–2,0 мкм, а количество стеклофазы колеблется от 6,0 до 7,5 %. Поры мелкие, и их содержание не превышает 4,0 %. Прочность образцов при статическом изгибе, прошедших обработку ВЧ-полем, повышается с 360 до 390 МПа, аобъемная массакерамики возрастаетот 3,67∙103 кг/м3 до 3,75∙103кг/м3. Керамика, полученная с наложением ВЧ-поля, характеризуется высокими диэлектрическими свойствами.

При исследовании влияния ВЧ-поля на синтез ВТСП керамики системы ВаО—СuО—Y2О3 установлено, что энергия ВЧ-поля интенсивно поглощается

242

П.М.Плетнев,И.И.Рогов

оксидами меди и бария при температуре 300–400 °С, способствуя возбуждению твердофазной реакции синтеза соединения YBa2Cu3O7–x.

2.2. Регулирование свойств керамических материалов введением компонентов из растворовсолей

Эффективным приемом регулирования свойств керамических материалов является метод модифицирования состава материала малыми добавками. Разработка научных основ модифицирования керамики различных классов является сложной научной проблемой, над которой работают многие отечественные и зарубежные ученые и практики. В решение этой проблемы определенный вклад внесен сибирской школой керамиков.

Регулирование свойств функциональной керамики путем ее модифицирования существенно зависит не только от вида и количества добавки, но и от технологического приема ее введения в керамику. Введение малых добавок из водных растворов солей предопределяет ряд физико-химических преимуществ: достижениеболее равномерного распределения микродобавки по объему изделия по сравнению со смешиванием оксидов; микродобавки находятся в активном состоянии, соль в растворе диссоциирует на ионы; метод может быть применен на различных стадиях технологического процесса — после синтеза шихты, оформления изделий.

Наши исследования [1, 2, 11] показали, что применение данного метода позволяет существенно улучшить важнейшие свойства керамики. Так, в случае форстеритовой керамики получено увеличение прочности при изгибе со 170 до 260–280 МПа за счет обработки пористых изделий в кипящих растворах: алюмоаммонийных квасцов (10 мас. %) или хлорного хрома (5 мас. %). Повышение прочности является следствием формирования в поверхностном слое изделий после обжига новых кристаллических фаз, имеющих меньший коэффициент термического расширения, чему форстерита,и возникновения врезультате этого напряжений сжатия на поверхности. В результате обработки в растворах солей с последующим спеканием может быть на 1–2 порядка повышено электросопротивление алюмооксидной и форстеритовой керамики, снижены в несколько раз диэлектрические потери, повышена структурная стабильность и механическая прочность стеатитовой керамики и т.д.

Модифицирование ферритовых материалов введением компонентов из водных растворов солей позволило получить однородную микроструктуру Mn— Zn-феррита с повышенной плотностью и прочностью, а также свысоким уровнем электромагнитных параметров [9]. Обработка пористых ферритовых изделий из-за гидрофильности минеральных составляющих структуры сопровождается прежде всего хорошим смачиванием и проникновением раствора по объему тела за счет капиллярных сил.

Метод обработки в растворах солей является весьма эффективным в исследовательской практике для выбора соединений, позволяющих определять возможности регулирования свойств керамических материалов.

Заключение

Представленные выше научные и практические результаты по разработке составов и технологии получения функциональных керамических материалов (работы керамиков сибирской школы) внесли существенный вклад в развитие современного функционального материаловедения и в решение важных народ-

243

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

нохозяйственных задач. По своим параметрам разработанные материалы и технологии соответствуют мировым стандартам, а по ряду характеристик превышают зарубежные аналоги.

Выражаем признательность и благодарность сотрудникам ОКБ НЭВЗ, кафедре силикатов ТПУ и ИНХ СО РАН за совместное плодотворное сотрудничество.

Литература

1.Функциональнаякерамика /В.И.Верещагин,П.М.Плетнев,А.П.Суржиков,И.И.Рогов. Новосибирск: Изд-во «Наука», 2004. 350 с.

2.Плетнев П.М. Регулирование свойств керамических материалов на основе оксидных соединенийсперовскитовойишпинелевойструктуройвведениеммалых добавок:Дис.…д-ра техн. наук. Томск, 1997.

3.Рогов И.И. Распределение области пространственного заряда на границе металл — диэлектриквпроцессе«старения»конденсаторнойкерамикимаркиТСМ// Изв.вузов.Физика. 2007. № 2. Приложение. С. 48–53.

4.Рогов И.И.,Мещеряков Н.А.,Плетнев П.М. Теоретическиеаспекты теплового// Изв. вузов. Физика. 2007. № 2. Приложение. С. 44–47.

5.ПлетневП.М.,ЛанинВ.А.,РоговИ.И.СтарениепьезокерамикисистемыЦТСподдействием внешнего электрического поля // Огнеупоры и техническая керамика. 2005. №6. С. 16–21.

6.Плетнев П.М., Ланин В.А., Рогов И.И. Старение пьезокерамики системы ЦТС при одновременномдействиимеханическихиэлектрическихнапряжений//Огнеупорыитехническая керамика. 2005. №9. С. 13–19.

7.Плетнев П.М., Ланин В.А. О моделях и механизмах старения пьезокерамики // Материаловедение. 2006. № 1. С. 25–32.

8.Плетнев П.М., Новикова Н.И., Бердов Г.И., Лиенко В.А. Лазерная гранулометрия порошков при получении Mn—Zn-ферритов // Материаловедение. 2005. №2. С. 11–19.

9.Модифицирование ферритовых изделий добавками из водных растворов солей / П.М. Плетнев,Л.И.Новикова,С.А.Степанова,С.В.Власюк,П.А.Громов// Стеклоикерамика. 1991. № 1. С. 21–23.

10.Пат. 2044716 С1 Россия, С 04В 35/00, Н01L 39/12. Способ изготовления изделий сложнойформыизвысокотемпературнойсверхпроводящейкерамики/М.Г.Корпачев,П.М. Плет-

нев, В.Е. Федоров и др. № 5058741/33; заявл. 14.08.92; опубл. 27.09.95. Бюл. № 27.

11.Бердов Г.И., Плетнев П.М., Лиенко В.А., Рогов И.И. Пути совершенствования технологии и свойств конструкционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. 2004. № 2. С. 5–9.

12.Плетнев П.М., Рогов И.И. Высокочастотное стимулирование термических реакций в керамических материалах // Тр.3-й Междунар.конф. «Радиационно-термическиеэффекты и процессы внеорганических материалах». Томск, 2002.С. 184–187.

244

А.Л.Исаков,Ю.Л.Ковалев

КовалевЮрий Леонидовичродился в1948 г. В 1971г. окончил Новосибирскийэлектротехническийинститут(инженерэлектронной техники).Руководительотделаавтоматизациинаучныхисследованийиобразовательныхтехнологий.

Сферанаучныхинтересов:автоматизациянаучныхисследований с применениемтехнологии виртуальныхинструментов, проблемы вибродиагностикидефектностиколесныхпарподвижногосоставав процессеегодвижения.Имеетболеедесятинаучныхстатей.

УДК 681.518.54:629.4.027.11

А.Л. ИСАКОВ, Ю.Л. КОВАЛЕВ

О СИСТЕМЕ ДИАГНОСТИКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВ

В статье представлен подход к диагностике поверхностей катания колесных пар, заключающийся в получении спектральных образов динамических взаимодействий каждого колеса с рельсом и последующем их анализе.

Безопасность движения на железных дорогах в первую очередь определяется исправностью подвижного состава. По статистике первым в списке элементов подвижного состава, подверженных неисправностям, стоит колесная пара.

Проблема диагностики колесных пар подвижного состава не нова и в настоящее время существует множество подходов к ее решению, с успехом реализованных на практике [1, 2]. Тем не менее вопрос об оперативном и дифференцированном подходе к обнаружению дефектов колесных пар в процессе движения до сих пор остается открытым.

В предлагаемом подходе [3] сделана попытка совместить в себе оперативное обнаружение дефектов, имеющихся на поверхности катания колеса, с возможностью их предварительной дифференциации по характеру и размерам, а также возможных неисправностей буксового узла, проявляющихся в возникновении аномальной вибрации.

Суть способа заключается в получении спектральных образов динамических взаимодействий каждого колеса с рельсом и последующем их анализе по 1/3-октавным полосам частотного диапазона от 10 до 500 Гц.

Для реализации данного способа на рельсе по длине разворота колеса крепятсядатчики-акселерометры, связанные через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с компьютером. В процессе движения поезда с каждого акселерометра «снимаются» импульсные сигналы виброускорений, генерируемые прохождением колес подвижного состава. После идентификации записанных сигналов на соответствие колесным парам выполняется процедура построения спектральных образов динамических взаимодействий каждого колеса с рельсом, заключающаяся в разложении полученных сигналов виброускорений по 1/3-ок- тавным частотным полосам.

Все операции по регистрации импульсных сигналов виброускорений, их последующей идентификации, спектрального анализа и выдачи заключения о наличии дефектов выполняются комплексом оборудования под управлением

245

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

специализированного программного обеспечения, разработанного с использова-

нием National Instruments LabVIEW.

Приборно-измерительная схема комплекса представлена на рис. 1.

Рис.1. Приборно-измерительнаясхема комплекса

В качестве датчиков-акселерометров в тестовых замерах были использованы акселерометры фирмы Bruel & Kjaer. Способ установки датчиков-акселеромет- ров на рельс при проведении экспериментальных исследований в процессе разработки данного способа диагностики дефектности колесных пар представлен на рис. 2.

Рис. 2. Акселерометр в рабочем положении

246

А.Л.Исаков,Ю.Л.Ковалев

В качестве АЦП были использованы внешние (интерфейс USB) 14-разряд- ные АЦП модели Е-440 производства фирмы L-Card (Россия), имеющие 16 дифференциальных каналов (или 32 канала с общей «землей») с максимальной частотой преобразования 400 кГц.

Один из элементов внешнего вида интерфейса программного обеспечения измерительного комплекса представлен на рис. 3.

Рис. 3. Интерфейспрограммного обеспеченияизмерительногокомплекса LabVIEW

Примеры осциллограмм ускорений вибросигналов взаимодействия четырех колес экспериментального вагона с рельсом представлены на рис. 4. На рис. 4, а приведена реальная осциллограмма без компьютерной обработки. На рис. 4, б показан результат компьютерной обработки той же осциллограммы с приме- нением1/3-октавногочастотного фильтра с базовой частотой200 Гц. Этозначит, что в обработанной таким образом осциллограмме остались частоты только в диапазоне от 178 до 224 Гц.

Как явствует из рис. 4, б, путем такой процедуры можно вычленить сигналы, характеризующие контактное взаимодействие дефектов на поверхности катания колеса с рельсомили констатироватьотсутствие подобныхдефектов (4-е колесо).

Таким образом, данный пример наглядно демонстрирует эффективность применения технологии фильтрации исходного сигнала с целью выделения информативной составляющей.

В вышеописанном случае исходный сигнал был проанализирован с использованием лишь одного 1/3-октавного фильтра с базовой частотой 200 Гц. Для получения полной картины необходим детальный анализ исходного сигнала в широком диапазоне частот, например от 0 до 500 Гц.

247

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

а)

1-е		2-е		3-е		4-е
колесо		колесо		колесо		колесо

б)

Рис.4. Примеры осциллограмм ускоренийвибросигналов, полученных без фильтра и с помощью 1/3-октавного частотного фильтра с базовой частотой 200 Гц

Введем понятие «RMS-спектральный образ» сигнала. Под RMS-спектраль- ным образом будем понимать непрерывную функцию среднеквадратичных значений амплитуд (RMS) 1/3-октаваных полос спектрального разложения исходного сигнала от базовых частот 1/3-октавных полос.

Примеры полученных таким путем RMS-спектральных образов вибросигналов для четырех колес экспериментального вагона представлены на рис. 5.

В представленных осциллограммах сигнал 4 и соответствующий RMS-спек- тральный образ (4а) относятся к колесу, не имеющему дефектов на поверхности катания. Другие сигналы на рис. 5 (1, 2, 3) и соответствующие им RMS-спектральные образы вибросигналов (1a, 2а, 3а) относятся к дефектным колесам.

На рис. 6 для наглядного сопоставления сведены все четыре спектральных образа контактного взаимодействия колес с рельсом, описывающие дефекты с различными качественными и количественными показателями. Как было отмечено ранее, один из приведенных «образов» (4-е колесо) характеризует «бездефектный» контакт колеса с рельсом.

Имеястатистический паспорт дефектов колесных пар, представленный ввиде RMS-спектральных образов (непрерывного разложения сигнала виброускорений по 1/3-октавным полосам), можно с весьма высокой степеньюдостоверности оперативно получать информацию о характере имеющихся у колесных пар дефектах на поверхностях катания и степени опасности аварийных ситуаций.

248

А.Л.Исаков,Ю.Л.Ковалев

1

1а

2

2а

3

3а

4

4а

Рис. 5. Осциллограммы ускорений (1–4) и соответствующиеим RMS-спектральные образы вибросигналов (1a–4а) длячетырех колесэкспериментального вагона

249

Вестник СГУПСа. Выпуск 17
	RMS, м/с2
50		дефект 3
40				дефект 2
30
20				дефект 1
10		стандарт
0					f, Гц
0	100	200	300	400
	Рис.6. Сравнительнаякартина RMS-спектральных образов вибросигналов

Как следствие, данный способ дает возможность дистанционно проводить отбраковку колесных пар подвижного состава в соответствии с техническими требованиями, изложенными в Правилах технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и Инструкции К-2273-у по содержанию колесных пар. Важно отметить, что при этом анализируется техническое состояние всех колесных пар подвижного состава, проходящего через контрольный участок железнодорожного пути. При достаточном количестве таких контрольных участков может быть реализована система непрерывного контроля технического состояния колесных пар подвижного состава по всей сети Российских железных дорог (РЖД). В сочетании с имеющимися в РЖД автоматизированными системами учета подвижного состава и графиков исполненного движения, становится возможным проведение расширенного анализа полученной таким образом информации с целью выявления причин и мест возникновения и ускоренного развития дефектов колесных пар [4], прогнозирования сроков их эксплуатации и планирования ремонта подвижного состава.

Литература

1.Напольные детекторы неисправностей подвижного состава // Железные дороги мира. 2000. № 7.

2.Обнаружение некруглости колес // Железные дороги мира. 2003. № 8. С. 64–68.

3.Исаков А.Л.,Ковалев Ю.Л.О вибродиагностикедефектности колесных пар подвижного состава // Тр. междунар. науч.-практ. конф. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW итехнологии National Instruments».M., 2005.

4.ТелеграммаОАО«РЖД»№ВГ-5456от20мая2005г.(Омерах повыполнениютехнологии роспуска вагонов на сортировочных горках станций и недопущению повреждений грузовых вагонов).

250