автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Диагностика колесных пар подвижного состава с помощью весоизмерительной системы

На правах рукописи

ТЕН ЕВГЕНИЙ ЕНГУНОВИЧ

ДИАГНОСТИКА КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С ПОМОЩЬЮ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Хабаровск-2012

005044338

выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении э профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей аия» (ФГБОУ ВПО «ДВГУПС»).

1й руководитель: доктор технических наук, профессор Власьевский Станислав Васильевич

альные оппоненты: Макиенко Виктор Михайлович, доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой «Технология металлов»;

организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «ИрГУПС»)

■а состоится «29» мая 2012 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета 8.003.06 при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообще-ю адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 224.

;сертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государ-ный университет путей сообщения»

вы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес дис-ционного совета ДМ 218.003.06.

реферат разослан апреля 2012 г.

Кузьмин Роман Вячеславович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», доцент кафедры «Электромеханика»,

ор технических наук, профессор

1ый секретарь диссертационного совета

Ю.МГКулинич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

«Стратегией инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.» («Белая книга» ОАО «РЖД») поставлена задача повышения достоверности диагностики подвижного состава на ходу поезда, а также в своде технико-технологических проблем железнодорожного транспорта, ограничивающих рост эффективности («Красная книга») озвучена проблема недостаточного развития систем диагностики и контроля подвижного состава, как на станциях технического обслуживания, так и в пути следования.

В настоящее время существует множество подходов к решению задач диагностики, с успехом реализованных на практике. Тем не менее, вопрос об оперативном и дифференцированном подходе обнаружения дефектов колесных пар до сих пор остается открытым. Прежде всего, это обусловлено тем, что случающиеся аварии и происшествия на железнодорожном транспорте могут приводить к многочисленным человеческим жертвам, экологическим катастрофам и весьма ощутимым материальным убыткам.

Своевременное выявление неисправностей позволяет предотвратить тяжелые последствия их развития до поломки и выхода из строя ответственных узлов и деталей подвижного состава, создающих угрозу безопасности движения поездов. Кроме того, это способствует сокращению расходов на техническое обслуживание и ремонт, экономии энергоресурсов, потребляемых на тягу поездов, сведению к минимуму задержек в движении, уменьшению износа конструктивных элементов пути и подвижного состава.

Другой современной тенденцией организации систем мониторинга колесных пар следует выделить интегрирование в рамках единого комплекса функций нескольких модулей, обеспечивающих получение полной информации о параметрах колесной пары.

Одним из важнейших и неотъемлемых параметров, обеспечивающих безопасность грузовых и пассажирских перевозок, является вес. Именно вес определяет величину и характер нагрузок, как на колесную пару, так и на всю ходовую часть подвижного состава.

Однако современные весоизмерительные системы являются не только измерительным оборудованием для определения веса, но и источником дополнительной информации, которая может быть использована для диагностики колесных пар подвижного состава. С помощью весоизмерительной системы можно достаточно успешно определять ползуны на круге катания колесной пары подвижного состава.

Учитывая все вышеперечисленное, затронутая в работе тема диагностики колесных пар подвижного состава с помощью весоизмерительной системы представляется достаточно актуальной и востребованной как в экономическом, так и техническом аспекте.

ель работы

иработка методики определения ползунов на круге катания колес подвижного а железнодорожного транспорта с помощью весоизмерительной системы и югии ее применения для неразрушающего контроля колесных пар. адачи диссертационной работы

эдачи диссертационной работы заключаются в следующем: анализ систем диагностики колесных пар подвижного состава; анализ систем измерения веса подвижного состава;

проведение аналитических исследований колебательных процессов в системе «вагон - путь»;

построение и оценка имитационной модели силового воздействия вагона на рельс через колесные пары;

разработка диагностического устройства для определения ползуна на круге катания колесных пар подвижного состава;

разработка аппаратно-программного обеспечения для устройства диагностики колесных пар подвижного состава; ■ технико-экономическое обоснование внедрения устройства диагностики колесных пар подвижного состава. Методы исследования

! работе использовались научные основы и принципы теоретической механи-эпротивления материалов, математического анализа, вероятностные методы ж результатов измерения, методы математического моделирования с примене-компьютерных технологий.

1аунная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана методика определения ползуна на круге катания колесных пар подвижного состава с помощью весоизмерительной системы;

- разработана имитационная модель процесса силового воздействия вагона на рельс через колесные пары, учитывающая влияние ползуна на круге катания колеса;

- разработан алгоритм обработки сигналов от весоизмерительной системы, включая и сигнал, возникающий под действием ползуна на круге катания колеса.

Достоверность результатов работы подтверждается:

- сходимостью результатов экспериментальных данных и данных имитационного моделирования, не превышающей 10%;

- применением обоснованных ведущими учеными в данной области наук допущений;

- использованием при решении поставленных задач общеизвестных математических методов дифференциального исчисления, теории сигналов, векторной алгебры.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработано диагностическое устройство для определения ползуна на круге уятяния к-пттрг.ньпс пар подвижного состава;— ---

- разработано программное обеспечение для устройства диагностики колесных пар подвижного состава;

- разработанная методика определения ползунов на круге катания колесных пар подвижного состава позволяет проводить диагностику при сквозном проезде поезда через данное устройство;

- в ряде случаев разработанное программное обеспечение можно использовать на существующих весоизмерительных системах для расширения их функциональных возможностей.

Личный вклад автора

Наиболее значимые исследования, включая постановку цели и задач работы, разработку методики проведения эксперимента по определению ползунов на круге катания колесных пар подвижного состава, разработку устройства диагностики колесных пар подвижного состава, разработку алгоритма и программы для ПК, внедрение методики и программы в учебный процесс, выполнены автором лично. Авторство подтверждается опубликованными работами и апробациями результатов диссертационной работы на научных конференциях.

Реализация результатов работы

Диагностическое устройство для определения ползуна на круге катания колесных пар подвижного состава на основе весоизмерительной системы внедрен в ремонтном локомотивном депо «Дальневосточное» Дальневосточной железной дороги - филиала ОАО «РЖД», г. Хабаровск.

Некоторые теоретические и практические результаты диссертационной работы 21спользуются_в_узебням процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Информационно-измерительная техника» на кафедре «Электротехника, электроника и электромеханика» в Дальневосточном государственном университете путей сообщения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:

- на Пятой Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17-19 апреля 2007 года;

- Российско-корейском семинаре молодых ученых по науке и технологиям, Новосибирск, НГТУ, 17-20 сентября 2007 года;

- Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 17-19 октября 2007 года;

- 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Инновационные технологии - транспорту и промышленности», Хабаровск, ДВГУПС, 7-9 ноября 2007 года;

- Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Подвижной состав XXI века», Хабаровск, ДВГУПС, 13-14 ноября 2008 года;

XIII краевом конкурсе молодых ученых и'аспирантов «Молодые ученые -Хабаровскому краю», Хабаровск, ТОГУ, 14-25 января 2011 года; семинарах кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2005-2008 годы, убликации

сновные научные результаты работы отражены в 9 печатных работах, из них ьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях перечня ВАК :терства образования и науки РФ, 7 статей и тезисов докладов на научно-1еских конференциях.

труктура и объем диссертационной работы

иссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиогра-кого списка и приложения. Работа содержит 10 таблиц, 40 рисунков, два при-ия на 6 страницах и библиографический список из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

!о введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, опреде->бласть применения полученных в ходе работы результатов, сформулированы ая новизна и практическая ценность исследования, дана краткая характеристи-

>ОТЫ.

! первой главе проведен анализ состояния вопроса определения ползунов на катания колесных пар подвижного состава, раскрыты основные причины и ры возникновения наиболее распространенных дефектов на бандаже колесных роведена оценка зарубежных и отечественных систем диагностики, еоретической основой для проведения исследования стали работы следующих ix: C.B. Вершинского, М.Ф. Вериго, В.А. Лазаряна, В.Н. Данилова, H.A. Кова-В.Б. Меделя, И.П. Исаева, В.Н. Иванова, Е.П. Блохина, H.H. Кудрявцева, А.Я. ia, В.Д. Дановича, М.Л. Коротенко, С.И. Коношенко, А.Л. Голубенко, А.Н. Са-ина, Л.О. Грачевой, А.У. Галеева, H.A. Панькина, М.М. Соколова, Т.А. Тиби-Ю.С. Ромена, H.A. Радченко, A.A. Львова, В.Ф. Ушкалова, A.A. Хохлова, В.Д. дева, И.И. Челнокова, Ю.М. Черкашина, A.A. Панченко, Картера, Калкера, Мюллера, В.К. Гарга, Р.В. Дуккипати и многих других.

ia основании проведенного анализа методов и средств диагностики колесных одвижного состава, определена цель работы, сформулированы задачи исследо-

ïo второй главе обосновывается способ определения ползуна на круге катания ных пар подвижного состава с помощью весоизмерительной системы как ре-ат проведенных исследований на стыке двух направлений - весоизмерения и юстики.

ia основе анализа факторов безопасности и схемы возникновения чрезвычай-транспортного происшествия был сделан вывод о необходимости внедрения ¡менных информационных технологий на железных дорогах, о приоритете со-;нных инновационных технологий и разработанных в их рамках новых техни-IX средств нртз формировании политики ^ области повышения безопасностит

В работе рассматривается методика определения дефектов на круге катания колесных пар подвижного состава на основе весоизмерения. Данный способ был предложен после анализа возможностей существующих весоизмерительных систем. По итогам анализа было выявлено, что сигналы весоизмерительной системы, отражающие силовое воздействие массы подвижного состава на рельс, содержат дополнительную информацию, которую можно применять для определения ползунов на поверхности катания колесных пар.

Помимо этого проводился анализ существующих устройств диагностики колесных пар, таких как ДЦК, ДИСК-К, АСОК-Л и другие. В данных устройствах были выявлены следующие недостатки: проведение диагностики колесных пар при скорости поезда до 50 км/ч, необходимость проведения процедуры диагностики в условиях депо или технического пункта обслуживания, большой объем ручного труда, обнаружение ползунов без определения количественных значений параметров ползуна. Предлагаемая в диссертационной работе методика определения ползунов на круге катания колесных пар позволит решить вышеперечисленные недостатки.

Результатом преимуществ разработанной методики является получение целого ряда эффектов:

- экономический эффект проявляется в получении прибыли от внедрения диагностического устройства в производственно-хозяйственную деятельность предприятий, сокращении сроков окупаемости инвестиций, улучшении использования производственных ресурсов предприятия;

- научно-технический эффект выражается в увеличении удельного веса прогрессивных технологий, повышении организационного уровня производства и труда, повышении конкурентоспособности железнодорожной отрасли;

- социальный эффект проявляется в повышении степени удовлетворения потребностей работников, повышении безопасности и улучшении условий труда, сокращении доли ручного труда, уменьшении затрат, связанных с компенсацией тяжелых и вредных условий труда;

- экологический эффект находит выражение в том, что диагностическое устройство не производит шумов, вибраций и излучения. Оно не оказывает никакого вредного влияния на экологию. При эксплуатации оборудования возникает нулевой уровень вредных воздействий на окружающую среду.

Третья глава посвящена аналитическим исследованиям колебательных процессов в системе «вагон - путь».

На основе расчетной схемы вагона с рессорным подвешиванием, представленной на рис. 1, было дано математическое описание процесса колебаний подрессоренного кузова вагона, который действует не только на детали экипажной части вагона, но и на колесные пары и рельсовый путь.

Рис. 1. Расчетная схема вагона с рессорным подвешиванием ¡ля упрощения представления системы дифференциальных уравнений ее запи->т в матричном виде:

[а]2 + [Ь]# + [с]2 = [&"]*}+ [с"К (1)

] - инерционная матрица; матрица демпфирования; матрица жесткости;

с4] - матрицы преобразования вектора внешнего возмущения;

71< Ль Ль Ли 0.0,0,0} - вектор внешнего возмущения;

11,г)2,г}з,~П4,0,0,0,0} - производная от вектора внешнего возмущения;

■к,Ук, 8к, Фк- Фк, 2Т1, <Рт\. гТ2. <Рт2) - обобщенный вектор координат расчетной

.1.

$ модели вагон движется по рельсам со скоростью V, колесные пары тележки ►ряют рельеф подстилающей поверхности, и при наличии неровностей переда-«рционные усилия возмущения на подрессоренную часть. Кузов под воздей-м возмущающих сил со стороны тележек начинает совершать соответствую-щижения в зависимости от частоты чередования неровностей и базы вагона. Далее следует наезд вагона на подъездной участок системы, который подготов-пециальным образом и лишен каких-либо возмущающих факторов. Вагонные <ки, повторяющие рельеф, переходят в режим плоскопараллельного поступа-юго движения. Вагон же, обладая соответствующей инерционностью, пропор-альной массе, продолжает колебательные движения. За счет этого со стороны ¡а через систему рессорного подвешивания тележек передаются усилия на ;овый путь.

Обычно расчетная схема «вагон-путь» имеет порядка 10—40 степеней свободы, л сложных характеристиках связей система дифференциальных уравнений ока-ется нелинейной. Однако для решения ряда частных задач предварительные ис-эвания ведут на обоснованных упрощенных расчетных схемах, а полученные 1ьтаты обычно уточняют более сложными расчетами и экспериментами.

За основу данного исследования взята методика, изложенная в работах М.Ф. Вериго, Ю.С. Ромена, C.B. Вертинского, В.Н. Данилова, В.Д. Хусидова, H.H. Кудрявцева и др.

На основе научных трудов вышеперечисленных ученых в работе обоснована минимизация части факторов. В частности исключено влияния подвижности грунта, приняв жесткость подстилающей поверхности за бесконечность, рассматриваются колебания подпрыгивания и галопирования симметричного кузова на рессорах с вязкостными демпферами, при этом характеристики вязких демпферов считаем линейными и т.д. Вследствие этого расчетная схема вагона упрощается до схемы, приведенной на рис. 2.

Уравнение движения рассматриваемой системы при наличии возмущения со стороны пути описывается следующими дифференциальными уравнениями:

mlxz1 + b1xil + (¿J - z2) + c1xz1 + c2x(z1-z2) =Ь1хг1 + с1хт1

т2 X ¿2 + b2 X (¿! - Z2) + С2 X (z2 - Zj) = 0 (3)

i/(t) = IAl x sin(cot) + A3 x sin(3ùit)\ где m1 - обрессоренная масса тележки; m2 - масса кузова, приведенная к одной тележке; cv - жесткость и демпфирование в первом ярусе подвешивания; с2, bz - жесткость и демпфирование во втором ярусе подвешивания; Т] (О - возмущение со стороны пути;

zi> - обобщенные координаты и их производные по времени; ш = —— частота возмущений (V - скорость движения, L - длина рельса); Av А3 - амплитуды первой и третьей гармоники неровности.

I

Рис. 2. Упрощенная расчетная схема вагона

В четвертой главе рассматривается вопрос имитационного моделирования процесса силового воздействия массы вагона на рельсовый путь через колесные пары.

Реализация математической модели производилась в программном пакете Ма^аЬ §1ти1тк. Блок-схема математической модели представлена на рис. 3.

Рис. 4. Результат моделирования

Во второй части главы имитационная модель дополняется функцией, имитиру-:й ударное воздействие, возникающее в результате наличия ползуна на поверх-'и катания колеса. Определение силы удара Дуд выполняется с разной степенью .юсти и при различных допущениях. Оценивается она контактной жесткостью ;са и рельса жк = (5 10) х 108 Жесткость рессорных комплектов во

го раз меньше контактной жесткости, поэтому их влияние на силу удара не учи-1ется.

Дуд = ^ х жк х sin Ct (4)

Приведенные сосредоточенные массы колеса Мк и пути Мп взаимодействуют ; наличии между ними упругого сжатия нри-ударе, которое имитируется на рас-

Результатом проведенного моделирования является получение кривой силового ■ ействия веса вагона на рельсовый путь, изображенной на рис. 4. Данный про' представляет собой две амплитуды от двух колесных пар тележки вагона, дей-ющих на один рельс с величинами т, равными 9.8 и 9.1 тонн, при этом время твия процесса Д1=0.63с.

Рис. 3. Блок-схема математической модели системы

четной схеме, представленной на рис. 5, контактной пружиной жк. Упругость пути имитируется пружиной с жесткостью жп. При ударе за счет сжатия массы Мк и Мп сблизились на величину ук за счет сжатия контактной пружины. Масса Мп опустилась на у„ за счет сжатия путевой пружины, а масса Мк опустилась на величину

Ук + Уп-

Рис. 5. Расчетная схема упругого сжатия

С учетом уравнений (3) и (4) строится имитационная модель, которая позволит смоделировать дефект в виде ползуна на поверхности катания колеса. На рис. 6 представлена блок-схема имитационной модели силового воздействия массы вагона на рельсовый путь через колесную пару с данным дефектом.

Рис. б. Блок-схема математической модели системы с дефектом

В результате моделирования получена кривая (рис. 7), на которой отчетливо виден сигнал в форме ударного импульса, который можно условно разделить на две зоны. Первая зона соответствует снижению силы давления вагона на рельс, на графике выражается падением уровня сигнала. Это вызвано тем, что после наката передней грани ползуна на рельс следует скошенная плоскость непосредственно самого ползуна. В результате этого на коротком промежутке времени возникает зазор между колесом и рельсом, давление вагона на рельс ослабевает, уровень сигнала снижается. Вторая зона соответствует удару, возникающему из-за наката задней грани ползуна на рельс. Но поскольку в первой зоне возник зазор, то накат происхо-

¡1 з виде падения колеса на рельс, и выражается ударом. В зависимости от скоро-I состава величина данного удара может варьироваться. Процесс ударного воз-гвия происходит за время ДСд = 0,011 с.

ДО = 0,011 с Ли "0.011с

41«(1.63 с

Рис. 7. Результат моделирования колеса с дефектом

Проведенное имитационное моделирование позволило значительно сократить риальные и временные ресурсы, которые неизбежно расходуются при натурных [таниях. Разработанная имитационная модель позволяет с достаточной досто-остью моделировать процессы силового взаимодействия в системе «вагон -::;», в том числе производить моделирование воздействия ползуна на рельс. Пятая глава посвящена описанию процесса проведения экспериментальных ■едований диагностического комплекса. Целью данных исследований является мнение проверки адекватности процессов силового воздействия вагона на рельс ? колесную пару процессам в математической модели, а также проверка кор-• ности теоретически обоснованных выводов и рекомендаций. Для определения достоверности разработанной модели были проведены иссле-. ния реального подвижного состава на оборудовании, смонтированном на стан-:<Хабаровск-1» (рис. 8).

б

Рис. 8. Диагностический комплекс: а - в открытом состоянии; б - в закрытом состоянии

В соответствии с задачами эксперимента измерения проводились при постоян-4 скорости движения состава, равной 10 км/ч. Локомотив при подъезде к датчику измерительной системы, заранее набрав нужную скорость, выдерживал ее в те-:е времени, пока весь состав не пройдет через измерительный участок. Для поения достоверности результатов измерений проезды состава вагонов через из-

мерительную систему производились несколько раз. Объектом исследования являлся состав из тепловоза и трех вагонов (рис. 9).

датчик

Рис. 9. Объект исследования: тепловоз и три вагона

Многократные экспериментальные исследования давления, оказываемого подвижным составом, позволили выявить зависимость веса от скорости проходящего состава. Величина данной зависимости при малых скоростях до 5 км/ч изменяется линейно, на скоростях от 5 до 15 км/ч - имеет малую нелинейность, которой можно пренебречь, на скоростях свыше 15 км/ч - нелинейную зависимость, которую можно заменить участками линейной аппроксимации. На основе этих данных и была выбрана скорость состава 10 км/ч для проведения эксперимента.

"I 5 10 15 20 30 40 50 55 60 70 80

Скорость движения подвижного состава (км/час)

Рис. 10. График зависимости измеряемой силы давления (веса) подвижного состава при прохождении по датчику с различной скоростью

В этой же главе приводится описание программного обеспечения, с помощью которого выполняется основной алгоритм обработки сигналов (рис. 11).

Рис. 11. Основной цикл программы и подпрограмма определения дефектов колесных пар

Пример сигналов с тензодатчиков системы определения дефектов колесных пар ижного состава представлен на рис. 12. т*6.5, кг

1*8/100 ООО, с

О 10000 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000 80 000

число выборок АЦП с 8-кратным сжатием

Рис. 12. Выходные сигналы с тензодатчиков

В диссертации был выполнен анализ полученных сигналов. На рис. 13 приве-типовой сигнал, получаемый с одного из датчиков.

Пик 2-го колеса тележки (махсшэпь-чыи прогж репьев)

Данные датчика № 1

20СССЮ 220 ОСО 240 000 265000

Число выборок АЦП

2985мм

Рис. 13. Эпюры нагрузок, оказываемых колесными парами

Определение дефекта колесной пары выполнялось на полном круге катания ко-1 Для этого в разработанной системе использовалось четыре тензометрических _лка, расположенных попарно на каждой нитке рельса на расстоянии друг от а 1,5 м (рис. 14). Расстояние, величиной 1,5 м между датчиками обусловлено L что диаметр колеса наиболее распространенных тележек составляет 950 мм, т.е.

длина окружности равна 2985 мм, и данное расположение позволит определять ползун в любой части круга катания колеса, а б

Рис. 14. Увеличенные сигналы: а-на 1-м датчике; б - на 3-м датчике

Также в пятой главе выполнен расчет технико-экономической оценки эффективности разработанной системы диагностики дефектов колесных пар подвижного состава.

В результате проведенного расчета чистый дисконтированный доход за один год составил ЧДД = 250 тысяч рублей, а срок окупаемости Т0 = 3 года.

Таким образом, диссертационная работа решает важную задачу, стоящую перед железнодорожной отраслью, своевременной и оперативной диагностики дефектов колесных пар подвижного состава.

--------ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе выполнения диссертационной работы были достигнуты следующие результаты:

- предложен и обоснован способ определения дефекта ползуна колесных пар подвижного состава с помощью весоизмерительной системы;

- проведены аналитические и экспериментальные исследования процесса силового воздействия вагона на рельс через колесные пары;

- разработана математическая модель процесса силового воздействия вагона на рельс через колесные пары без дефекта и с дефектом (ползуном) на бандаже колеса;

- разработано устройство определения дефекта ползуна колесных пар подвижного состава с помощью весоизмерительной системы;

- разработано программное обеспечение для устройства определения дефекта ползуна колесных пар подвижного состава;

- рассчитан срок окупаемости при оснащении разработанным устройством ремонтных депо, который составляет 3 года.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

:н, Е.Е. Анализ весоизмерительных устройств, используемых на железной доте России [Текст] / Е.Е. Тен, A.A. Панченко // Тезисы LXVI Междунар. науч.-1акт. конф. «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспор-», 11-12 мая 2006. Украина, Днепропетровск : ДИИТ, 2006. - С. 331. :н, Е.Е. Анализ железнодорожных весов для взвешивания несыпучих грузов екст] / Е.Е. Тен // Тр. Пятой Междунар. науч. конф. творческой молодежи 1аучно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», -19 апреля 2007. Хабаровск : ДВГУПС, 2007. - Т.З. - С. 15-17. ;н, Е.Е. Анализ возможности диагностики подвижного состава с помощью ве-измерительной системы [Текст] / Е.Е. Тен // Российско-корейский семинар модах ученых по науке и технологии, 17-20 сентября 2007; под ред. Е.Б. Цоя / звосибирск : НГТУ, 2007. - С. 98-105.

шченко, A.A. Использование автоматизированных весоизмерительных комиксов для оценки износа колесных пар подвижного состава [Текст] / A.A. шченко, Е.Е. Тен // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Электромехани-ские преобразователи энергии», 17-19 октября 2007. Томск : ТПУ, 2007. - С. 0-122.

;н, Е.Е. Моделирование физических параметров изношенности колесных пар я разработки экспертной системы весоизмерительных комплексов [Текст] / Е. Тен // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Электромеханические пре-разователи энергии», 17-19 октября 2007. Томск : ТПУ, 2007. - С. 123-125. шченко, A.A. Анализ конструкций железнодорожных весов и технологий изменяя [Текст] / A.A. Панченко, Е.Е. Тен // Тр. 45-й Междунар. науч.-практ. «ф. ученых трансп. вузов, инженерных работников и представителей академ. уки «Инновационные технологии - транспорту и промышленности», 7-9 но-ря 2007 ; под ред. Ю.А. Давыдова. - Хабаровск : ДВГУПС, 2007. - Т.1. - С. '—44.

шченко, A.A. Систематизация эксплуатационных дефектов колесных пар по-ижного состава магистральных железных дорог [Текст] / A.A. Панченко, Е.Е. :н // Науч.-техн. журн. «Транспорт Урала», Екатеринбург : ИД «Филантроп», '08,-№2.-С. 51-52.

:н, Е.Е. Экспресс-диагностика колесных пар подвижного состава железных до-ir [Текст] / Е.Е. Тен // Материалы XIII Кр. конкурса молодых ученых и аспи-нтов «Молодые ученые - Хабаровскому краю», 14-25 января 2011. Хабаровск : ИГУ, 2011. - Т.2. - С. 204-208.

юсьевский, C.B. Математическое моделирование колесной пары подвижного става с дефектом [Текст] / C.B. Власьевский, A.A. Панченко, Е.Е. Тен // Науч.-хн. журн. «Электроника и электрооборудование транспорта», Коломна : ГУП О «Коломенская типография», 2012. - № 1. - С. 2-8

ТЕЛ ЕВГЕНИЙ ЕНГУНОВИЧ

ДИАГНОСТИКА КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С ПОМОЩЬЮ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 24.04.2012. Подписано в печать 26.04.2012. Формат 60x84. Бумага тип №2. Гарнитура Times New Roman. Печать RISO. Усл. печ. л. 1,1. Зак. 278. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

61 12-5/3289

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ТЕН ЕВГЕНИЙ ЕНГУНОВИЧ

ДИАГНОСТИКА КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С ПОМОЩЬЮ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.В. Власьевский

Хабаровск- 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................5

1. Анализ состояния вопроса диагностики колесных пар подвижного состава........................................................................................................13

1.1. Общие сведения, причины и факторы возникновения дефектов колесной пары............................................................................................13

1.2. Обзор методов определения ползунов на круге катания колесной пары............................................................................................................21

1.3. Весоизмерительная система, как средство определения дефектов колесных пар..............................................................................................35

1.4. Принцип работы весоизмерительной системы и ее компонентов ...42

1.4.1. Принцип измерения веса подвижного состава...............................42

1.4.2. Факторы, влияющие на процесс измерения веса подвижного состава........................................................................................................42

1.4.3. Факторы, возмущающие колебания кузова вагона........................47

1.4.4. Факторы, оказывающие влияющие на тензодатчики.....................48

1.5. Цель и задачи исследования..............................................................49

2. Обоснование методики определения дефектов колесной пары подвижного состава с помощью весоизмерительной системы...............52

2.1. Факторы безопасного движения поездов...........................................52

2.2. Сравнительный анализ существующих основных методов диагностики колесных пар.........................................................................58

2.3. Обоснование внедрения устройства диагностики колесных пар подвижного состава на основе весоизмерения........................................66

2.4. Причины построения устройства определения дефектов колесных пар подвижного состава.............................................................................72

3. Аналитические исследования колебательных процессов в системе

«вагон - путь»............................................................................................./о

3.1. Постановка задачи исследования......................................................75

3.2. Колебательные движения железнодорожного экипажа....................79

3.3. Анализ системы уравнений движения экипажа вагона применительно к задачам диссертации....................................................84

3.3.1. Анализ собственных колебаний подпрыгивания и галопирования с учетом демпфирования.............................................................................88

3.3.2. Анализ вынужденных колебаний подпрыгивания и галопирования

с учетом демпфирования..........................................................................90

3.4. Оценка частоты собственных колебаний измерительной системы . 92

4. Имитационное моделирование процесса силового воздействия вагона на рельс через колесные пары..................................................................94

4.1. Имитационная модель процесса силового воздействия вагона на рельс через колесные пары без дефекта.................................................94

4.2. Имитационная модель процесса силового воздействия вагона на

рельс через колесные пары с ползуном на круге катания.......................96

5. Технические решения по диагностике колесных пар подвижного состава и их технико-экономическая оценка..........................................103

5.1. Устройство диагностики колесных пар подвижного состава..........103

5.2. Экспериментальные исследования силового воздействия тележки вагона на рельс и определение ползуна на круге катания колеса........112

5.3. Частотный анализ результатов эксперимента................................116

5.4. Технико-экономическая оценка эффективности разработанного диагностического комплекса....................................................................120

Заключение...............................................................................................126

Библиографический список.....................................................................127

Приложение А...........................................................................................138

Приложение Б...........................................................................................143

Введение

Безопасность движения на железных дорогах в первую очередь, обеспечивается исправным состоянием подвижного состава. По статистике, наибольшему износу и неисправностям на железной дороге подвержена колесная пара. В связи с этим особое внимание уделяется диагностике и контролю ее качества.

Значение диагностики технического состояния подвижного состава для обеспечения стабильности и безопасности перевозок на железнодорожном транспорте трудно переоценить. Своевременное и точное выявление дефектов обеспечивает: снижение аварийности, предотвращение катастрофических разрушений, исключение необоснованных ремонтов и продление срока службы колесных пар, что в свою очередь приводит к значительному сокращению экономических потерь [42].

Как раздел транспортной науки, диагностика колесной пары сформировалась под влиянием исследований в области динамики вагонов, на основе трудов: C.B. Вертинского [15], М.Ф. Вериго [13, 14], В.А. Лаза-ряна [47], В.Н. Данилова [28], H.A. Ковалева [38], В.Б. Меделя, И.П. Исаева, В.Н. Иванова, Е.П. Блохина [14], H.H. Кудрявцева [45], А.Я. Когана [13], В.Д. Дановича, М.Л. Коротенко, С.И. Коношенко, А.Л. Голубенко [24], А.Н. Савоськина [8, 79], Л.О. Грачевой [25], А.У. Галеева, H.A. Панькина, М.М. Соколова [81, 82], Т.А. Тибилова, Ю.С. Ромена [76], H.A. Радченко,

A.A. Львова, В.Ф. Ушкалова, A.A. Хохлова [96], В.Д. Хусидова [98], И.И. Челнокова, Ю.М. Черкашина, A.A. Панченко и многих других. Из зарубежных ученых следует назвать Картера, Калкера, П.К. Мюллера [60],

B.К. Гарга, Р.В. Дуккипати [21].

Современные тенденции развития железнодорожного транспорта связаны с усложнением конструкций подвижного состава, ростом интенсивности движения поездов, увеличением нагрузки на ось. Поэтому

важным фактором в обеспечении высокой надежности и безопасности движения на железных дорогах является эффективное определение неисправностей и дефектов колес вагонов и локомотивов.

В настоящее время существует множество подходов к решению задач выявления дефектов на круге катания колесных пар, с успехом реализованных на практике. Тем не менее, вопрос о дифференцированном обнаружении дефектов имеет ряд нерешенных проблем, так же наблюдается потребность в модернизации диагностического оборудования. Прежде всего, это обусловлено тем, что случающиеся аварии и происшествия на железнодорожном транспорте могут приводить к многочисленным человеческим жертвам, экологическим катастрофам и весьма ощутимым материальным убыткам.

В сложившихся условиях необходима разработка новых и совершенствование существующих методов и приборов диагностики, объединенных в единую комплексную систему; следует перейти от морально устаревших средств диагностики к новым или модернизированным системам, что позволит повысить эффективность обслуживания локомотивного и вагонного парков.

Немаловажную роль при проведении диагностики играет так называемый человеческий фактор. Поэтому в настоящее время для диагностирующих комплексов характерна тенденция полной автоматизации процесса диагностики. Некачественная работа осмотрщика, проводящего контрольно-измерительные операции, вследствие различных субъективных и объективных факторов во многих случаях может привести к возникновению транспортных происшествий, аварий и крушений.

Одним из выходов из сложившейся ситуации может быть внедрение новых автоматизированных систем контроля и диагностики. Благодаря полной автоматизации процесса влияние человеческого фактора сводится практически к минимуму или исключается полностью.

В настоящее время на сети железных дорог России получили широкое распространение отечественные средства диагностики технического состояния колес подвижного состава, обеспечивающие повышение безопасности движения и снижение эксплуатационных затрат. В результате длительных экспериментальных и конструкторских работ отечественными разработчиками был создан ряд автоматизированных комплексов диагностики, обеспечивающих целостный контроль колесных пар и полностью исключающих человеческий фактор.

Для обеспечения безопасности на железных дорогах также широко используется большой ассортимент и зарубежного оборудования, позволяющего решать ряд задач технической диагностики подвижного состава. Однако они достаточно дорогостоящие и часто не адаптированы к российскому рынку. Кроме того, они не позволяют создать комплексную систему, включающую применение нескольких методов и приборов и дающих максимально объективную и полную информацию о состоянии колесной пары.

Другой современной тенденцией организации систем мониторинга колесных пар следует выделить интегрирование в рамках единого комплекса функций нескольких модулей, обеспечивающих получение полной информации о параметрах колесной пары.

Одним из важнейших и неотъемлемых параметров, обеспечивающих безопасность грузовых и пассажирских перевозок, является вес. Именно вес определяет величину и характер нагрузок, как на колесную пару, так и на всю ходовую часть подвижного состава.

Часто несовершенная система взвешивания приводит к искажениям массы грузов, неполному использованию грузоподъемности вагонов, потере доходов при перевозке неучтенной массы грузов, росту убытков от несохранных перевозок грузов. Не выявленные перегрузы вагонов создают угрозу безопасности движения поездов. Для железных дорог,

обеспечивающих основной грузооборот между производителями и потребителями, экономически необходимо иметь средства контроля массы железнодорожных составов, отвечающих особенностям перевозимых грузов и соответствующих действующим нормам и стандартам.

Весоизмерительные системы являются не только измерительным оборудованием для определения веса, но и важным источником дополнительной информации, которая может быть использована, как при диагностике колесных пар подвижного состава, так и для оценки общих показателей перевозочного процесса. На ходу поезда с помощью весоизмерительной системы можно достаточно успешно выявлять на поверхности катания колеса такие дефекты, как ползун, навар, выщербины и

ДР-

Проведение диагностики с использованием в качестве диагностического оборудования весоизмерительной системы позволит повысить эффективность обнаружения дефектов колесных пар и предупредить вероятность возникновения аварийных ситуаций на железной дороге, вызванных данными дефектами, что значительно повысит безопасность на железнодорожном транспорте.

Актуальность диссертационной работы

Отказы техники на железной дороге являются причиной возникновения опасных ситуаций и чрезвычайных происшествий, при этом большое число случаев приходятся на отказы из-за дефектов колесной пары подвижного состава. Поэтому на сегодняшний день весьма актуальной проблемой является создание и развитие методов анализа и диагностики состояния колесных пар железнодорожного транспорта.

Оперативное и достоверное определение неисправностей позволит в будущем не допустить выхода из строя ответственных узлов и деталей подвижного состава, избежать тяжелых последствий, создающих угрозу безопасному движению поездов. Помимо этого, проведение диагностики

технического состояния поезда способствует уменьшению расходов на техническое обслуживание и ремонт, обеспечивает энергосбережение, за счет снижения издержек на тягу поездов, сокращению задержек в движении, уменьшению износа конструктивных элементов рельсового пути и подвижного состава.

В настоящее время «Стратегией инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г» («Белая книга» ОАО «РЖД») в разделе IV. Система управления и обеспечения безопасности движения поездов поставлена задача повышения достоверности диагностики подвижного состава на ходу поезда, а также в своде технико-технологических проблем железнодорожного транспорта, ограничивающих рост эффективности («Красная книга») озвучена проблема недостаточного развития систем диагностики и контроля подвижного состава, как на станциях технического обслуживания, так и в пути следования.

В этой связи затронутая в работе тема вызывает интерес и своей актуальностью, и широкой сферой применения. Для ОАО «Российские железные дороги» задачи качественного и достоверного определения дефектов стоит сегодня, как никогда остро. Именно поэтому диагностика колесных пар подвижного состава с помощью весоизмерительной системы является актуальной областью исследования, как в экономическом, так и техническом аспекте.

Методы исследования. В работе использовались научные основы и принципы теоретической механики, сопротивления материалов, математического анализа, вероятностные методы оценок результатов измерения, методы математического моделирования с применением компьютерных технологий.

Достоверность результатов работы подтверждается:

• сходимостью результатов экспериментальных данных и данных имитационного моделирования, не превышающей 10%;

® применением обоснованных ведущими учеными в данной области допущений;

® использованием при решении поставленных задач общеизвестных математических методов дифференциального исчисления, теории сигналов, векторной алгебры;

• критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях.

Научная новизна диссертационной работы:

• разработана методика определения ползуна на круге катания колесных пар подвижного состава, с помощью весоизмерительной системы;

в разработана имитационная модель процесса силового воздействия вагона на рельс через колесные пары, учитывающая влияние ползуна на круге катания колеса;

• разработан алгоритм обработки сигналов от весоизмерительной системы, включая и сигнал, возникающий под действием ползуна на круге катания колеса.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

• разработано диагностическое устройство для определения ползуна на круге катания колесных пар подвижного состава;

• разработано программное обеспечение для устройства диагностики колесных пар подвижного состава;

• разработанная методика определения ползунов на круге катания колесных пар подвижного состава позволяет проводить диагностику при сквозном проезде поезда через данное устройство;

• в ряде случаев разработанное программное обеспечение можно использовать на существующих весоизмерительных системах для расширения их функциональных возможностей.

Личный вклад автора

Наиболее значимые исследования, включая постановку цели и задач работы, разработку методики проведения эксперимента по определению ползуна на круге катания колесных пар подвижного состава, разработку комплекса диагностики колесных пар подвижного состава, разработку алгоритма и программы для ПК, внедрение методики и программы в учебный процесс, выполнены автором лично. Авторство подтверждается опубликованными работами и апробациями результатов диссертационной работы на научных конференциях.

Реализация результатов работы

Диагностическое устройство для определения ползуна на круге катания колесных пар подвижного состава на основе весоизмерительной системы внедрено в ремонтном локомотивном депо «Дальневосточное» Дальневосточной железной дороги - филиала ОАО «РЖД»,

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Информационно-измерительная техника» на кафедре «Электротехника, электроника и электромеханика» в Дальневосточном государственном университете путей сообщения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:

• на Пятой Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17-19 апреля 2007 г.;

• Российско-корейском семинаре молодых ученых по науке и технологиям, Новосибирск, НГТУ, 17-20 сентября 2007 г.;

• Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 17-19 октября 2007 г.;

« 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Инновационные технологии - транспорту и промышленности», Хабаровск, ДВГУПС, 7-9 ноября 2007 г.;

• Международной научно-практической конференции учены транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Подвижной состав XXI века», Хабаровск, ДВГУПС, 13-14 ноября 2008 г.;

• XIII краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов «