автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Исследование путей дальнейшего повышения эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта

11-4 482

ждународный межакадемический союз

На правах рукописи

Елфимов Владимир Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ДАЛЬНЕЙШЕГО ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО

ТРАНСПОРТА

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада.

Москва 2011 г.

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель: доктор технических наук,

начальник Горьковской железной дороги -филиала ОАО «РЖД» Лесун Анатолий Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович доктор технических наук Миронов Леонид Алексеевич

Защита состоится «Хё» Я 2011 года на заседании диссертационного совета Д.06.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.06.024.МАИ 032.

Автореферат разослан_<2%, 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ч.^х^Ч^^ Г.Е. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Постоянная тенденция к наращиванию массогабаритных показателей грузовых поездов и гигантскому увеличению скоростей пассажирских перевозок требуют нового качественного подхода к обеспечению безаварийного функционирования железнодорожного транспорта.

Казалось бы, выверенная до мелочей современная стратегия безопасности перевозок, не исключает крушений, которые приносят не только громадные экономические потери, но и, что самое страшное и непозволительное, приводит к человеческим жертвам. Отечественная статистика, сожалению,

подтверждает вышесказанное (табл.1).

Таблица 1

Крушения Аварии Сходы Число

\ грузовые пассажирские погибших

2005 3(0) 2(+1) 40 (+14) 2 (+1) 1

2006 2(+1) 1 (0) 42 (+18) 2(0) 2

2007 4(+1) 1 (+1) 65 (+17) 5 (+1) 1

2008 КО) 2(0) 42 (+16) 3(0) 2

2009 0(+3) 1 (+1) 38 (+18) 2(0) 1

2010 1(+1) 1 (+3) 29 (+23) 4(0) 1

Стратегическая программа обеспечения безопасности движения ОАО «РЖД» строится на основе глубокой интеллектуализации железнодорожного транспорта, конечной целью которого является организация прямого управления безопасностью движения на основе интегральной совокупности интеллектуальных диагностических комплексов стационарных, постовых и бортовых классов. Ее реализация стала возможна благодаря доступности вычислительных мощностей в десятки Тфлоп/с и современным технологиям космической связи.

Впервые в практике железнодорожных перевозок отработан новый подход к обеспечению безопасности на основе единой системы

диагностических технологий ремонта и эксплуатации подвижного состава. В единстве ремонта и эксплуатации подвижного состава заложена стратегия, которая интегрированный сетевой мониторинг показателей надёжности подвижного состава в эксплуатации и норм его содержания при выпуске из ремонтных предприятий отрасли.

Научной основой стратегии являются алгоритмы и процедуры формирования образцовых диагностических признаков, оптимизации распознавания слабых сигналов на фоне сильных помех, построения прогнозирующих трендов, методы оптимальной передачи диагностической и аварийной информации при жестких эксплуатационных ограничениях в бортовую систему локомотива и в информационные центры любого

I

иерархического уровня.

Инструментальной основой является совокупность статического, динамического и прогнозирующего мониторингов технического состояния пути и ходовых частей подвижного состава, позволяющая в реальном масштабе времени сравнивать их статические задаваемые нормы и реально получаемые в эксплуатации. Это дает возможность принимать управляющие решения, предупреждающие развитие опасных ситуаций, изменять в случае необходимости организацию процесса эксплуатации и ремонта локомотивов и вагонов на предприятиях отрасли, влиять на ситуацию в целом и в конечном счете поддерживать требуемый уровень безопасности железнодорожного !

транспорта.

И тем не менее при такой насыщенности технических средств и систем управления безопасностью перевозок не исключены крушения и аварии (рис.1).

Только за прошедшие два года 2009-2010 количество остановок грузовых составов только за счет неисправности буксового узла превысило 11 ООО случаев, а у пассажирских поездов - более 25000.

Поиск дополнительных организационно-технических решений, которые позволили бы повысить эксплуатационную надежность железнодорожного транспорта, может являться темой диссертационного исследования и представляется актуальным.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы являются исследование и определение технических и организационных решений для дальнейшего повышения эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта.

В связи с этим:

1. Проведены анализ и систематизация диагностических комплексов неразрушающего контроля.

2. Обоснована необходимость дальнейшего повышения технической готовности железных дорог, включая конкурентоспособность на рынке предоставления транспортных услуг.

3. Разработан новый технологический маршрут построения диагностических комплексов.

4. Разработан метод диагностики подшипников на основе акустической эмиссии (АЭ).

5. Разработан метод диагностики на основе АЭ для колесных пар с напрессованными кольцами подшипников.

6. Разработаны технические требования для создания промышленных комплексов на основе АЭ для диагностики подшипников и колесных пар с напрессованными внутренними кольцами подшипников.

7. Спроектирован, изготовлен и прошел годовые испытания опытный образец системы для диагностики подшипников на основе АЭ.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Классификация диагностических комплексов по принципам ответственности за безопасность движения.

2. Обоснована необходимость дальнейшего совершенствования диагностических технологий.

3. Исследованы и определены фазы технологического процесса (мертвые зоны), где зарождаются микротрещины, лавинный процесс развития которых приводит к возникновению внештатных ситуаций.

4. Разработаны принципы и технические положения, позволяющие создать новые диагностические комплексы, качественно повышающие эксплуатационную надежность железнодорожного транспорта.

5. Разработаны принципы управления силовым процессом напрессовки колец на колесные пары.

6. Предложены принципы интегрированного мониторирования, отражающего реальное техническое состояние подвижного состава и пути в системе их непрерывного взаимодействия и взаимовлияния.

7 Разработан комплекс требований для создания супермониторинга, учитывающего комплексный характер взаимодействия колеса с рельсом.

Практическая значимость работы.

В процессе выполнения диссертационного исследования определены реальные технические и научные направления, позволившие уже на стадии выполнения данной работы получить первые практические результаты.

Апробированные макеты диагностических комплексов подшипников на основе АЭ позволили на Восточно-Сибирской и Горьковской железных дорогах в двое сократить количество остановок грузовых поездов по причине брака буксовых узлов.

Структура и объем работы.

Научный доклад состоит из четырех глав, заключения, списка научных трудов по выполненной теме и списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Глава 1. Анализ и систематизация диагностических комплексов для железнодорожного транспорта.

Проведенный анализ современных диагностических комплексов показал, что их можно разделить на четыре класса: стационарные, бортовые, постовые и воздушного базирования.

Стационарные комплексы.

В этом классе доминирующее место занимают технология вибродиагностики, которая реализуется комплексом в составе: система диагностики подшипников (рис.2) и система диагностики колесных пар (рис.3).

Рис.2 Рис.3

Система диагностики подшипников (рис.2а) в отличие от применяемых

сегодня моделей исключает применение усилителей за счет совмещения

пьезодатчика в едином конструктиве с усилителем оформленным в

полупроводниковом исполнении (рис.2б). Данная система в автоматическом

цикле контролирует полностью все элементы подшипника, включая и

неподвижное наружное кольцо (рис.2в). Помимо этого интеллект системы

исключает повторное измерение подшипников под разными номерами (рис.2г).

Рис. 2а

Рис.26

Рис.2г

Рис.2в

Система диагностики колесных пар (рис.За) в отличие от применяемых сегодня моделей исключает применение усилителей за счет совмещения пьезодатчика в едином конструктиве с усилителем оформленным в полупроводниковом исполнении (рис.Зб). Данная система в автоматическом цикле контролирует полностью все элементы подшипника буксового узла колесной пары, включая буксовые узлы с кассетными подшипниками, за счет наличия осевого нагружения (рис.Зв). Помимо этого интеллект системы исключает повторное измерение подшипников колесных пар под разными номерами (рис.Зг).

Рис.За

НЗГ^ННИг Р11

Рис.36

А

ЧсЗсзр -|

пар

^ Рис.Зв

Начинают внедряться в отрасли и системы АЭ диагностики колесных

Рис.4

Система диагностики колесных пар на основе АЭ определяет зарождающиеся трещины. Процесс диагностики происходит при нагружении колесной пары усилиями соизмеримыми с реальными эксплуатационными нагрузками.

Бортовые комплексы.

Бортовые комплексы широко применяются для совмещенной диагностики виброускорений и температуры, буксовых узлов локомотивов и пассажирских вагонов (рис.5). В состав комплекса входят диагностический блок, датчики ускорения, температуры и монитор отображающий результаты диагностики.

Рис.5

Диагностический комплекс колесных пар на наличие зарождающихся трещин при движении поезда строится на методе АЭ. Ни один из известных акустико-эмиссионных датчиков не позволяет снимать информацию с двигающихся объектов, так как при этом требуется обеспечить надежный контакт с диагностируемым изделием. Для этого серийный датчик был «расчленен» на две составляющие конструктообразующие константы (рис.6).

Первая часть отвечает за снятие информации с вращающейся колесной пары с обеспечением надежного акустического контакта. Вторая часть принимает дистанционно информацию первой части датчика и передает ее в

вычислительный комплекс

для идентификации результатов диагностики

Рис.6 Рис.7

Выделение полезного сигнала проводится по сложнейшим алгоритмам и программными средствами фильтрующими паразитные сигналы подшипников и других источников шума (рис.8). Посредством индуктивной связи между датчиками происходит электропитание и съём диагностической информации.

Наиболее удобным местом для установления датчика и обеспечения надежного

Номер вагона с забракованной колесной парой фиксируется у бригадира, машиниста локомотива пассажирского поезда и одновременно передается в центр управления безопасностью движения.

Бортовой комплекс электромагнитноакустического сканирования позволяет одновременно контролировать рельсовые плети и идентифицировать сход вагона (рис.10). Схемное построение такого комплекса приведено на рисунке 11.

ЦЕНТР УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ

Рис.10

Колесо

Колесо

250 мм

Рис.11

При диагностике рельсовых плетей, отраженный сигнал позволяет идентифицировать их дефекты, а сход фиксируется путем наличия емкостных зарядов в контакте колесо-рельс. В случае потери контакта колесо-рельс система фиксирует возможность появления условий для схода вагона или сам сход. Вся информация в режиме реального времени передается по радиоканалам на локомотив и по средствам космической связи в отраслевой центр управления безопасностью, которая содержит не только диагностические параметры дефектов, но и их точную дислокацию на железнодорожном пути.

Для постоянной проверки готовности скоростных магистралей применяется мобильный бортовой комплекс, оснащенный трехлучевой лазерной системой. Комплекс передвигаясь с магистральными скоростями полностью проверяет состояние верхнего строения пути, контактную электрическую сеть и отсутствие любых предметов в зоне передвижения

скоростных составов (рис.12).

Постовые комплексы.

Основу постовых комплексов составляют интеллектуальные системы диагностирующие на ходу безконтактным методом виброускорения и нагрев буксовых узлов и несанкционированный прижим тормозных колодок к поверхности катания колесных пар.

Постовой комплекс, диагностирующий работу подшипников на основе измерения акустической информации микрофонной решеткой (рис.13), позволяет определять все основные дефекты подшипников при движении грузового состава. Номер грузового вагона с забракованным подшипником фиксируется техническим зрением. Обработка диагностической информации позволяет определить величину гарантированного безостановочного пробега Аь прогнозного безаварийного пробега Д2 и прогнозного суммарного запаса в ткм Д3= Д|+Л2 (рис.14)

Рис.13

Рис.14

Пороговый уровеньтревоги- 90 сШ

Д3=А1+Д

5 67 8 Номера диагностических постов

Постовой комплекс на основе бесконтактного измерения температуры (рис.15) решает две задачи.

Выносной модуль левого канала

Выносной модуль правого канала

Рис.15

Определяется температура нагрева буксовых узлов, включения кратковременного торможения перед проходом колесных пар мимо выносных модулей, контролирующих температуру нагрева колесных пар. В случае выявления таких колесных пар (рис.16) номер забракованного вагона считывается системой технического зрения(рис.17).

- отсутствие контакта тормозной колодки с колесом

- наличие контакта тормозной колодки с колесом

Рис.16

Г ГУ 65966342 7П , ■ —1 < ____ _

65966343

Рис.17

Как нормальный отход, так и зависание колодок при кратковременном торможении фиксируется системой с цифровым и графическим отображением.

Комплексы воздушного базирования.

Комплексы воздушного базирования будут применяться для диагностики верхнего строения пути и земляного полотна. В их состав входят портативная компьютерная система и источник сверхширокополосной радиолокации.

Система должна включать и малогабаритный навигационный блок, обеспечивающий определение текущих координат и внесение необходимых данных в блок обработки радиолокационной информации. Магистральные пути, в первую очередь высокоскоростные, будут иметь свои постоянно обновляемые «радиолокационные портреты», и в случае обнаружения их несовпадения, принимаются соответствующие управляющие решения по движению железнодорожных составов. Комплексы воздушного базирования используются на вертолетах и на беспилотной авиации (рис.18).

Рис.18

Все вышеперечисленные комплексы задействованы при организации трех основных видов мониторинга: статического, динамического и прогнозного.

Глава 2. Мониторинг - одно из направлений повышения эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта.

Постоянно наращиваемый в промышленности потенциал диктует необходимость безупречного функционирования перевозочного процесса. Все больше и больше усложняются задачи железнодорожного транспорта в жесткой и порою неравной конкуренции с другими видами транспорта. Чтобы выстоять и победить отрасли необходимо ряд обязательных принципов:

комплексность технологии для реализации транспортной цепочки «от двери до двери»;

комплексность качества выполнения основных технологических операций и переходов в цепочке «от двери до двери»;

комплексность соответствия технологических параметров перевозочного процесса в реализации цепочки «от двери до двери»;

комплексность соответствия технологии в реализации цепочки «от двери до двери» техническим средством для ее реализации.

Выполнение этих требований, которым должен отвечать железнодорожный транспорт, необходим высочайший уровень безопасности перевозок и постоянно высоко стабильный уровень его технической готовности и эксплуатационной надежности.

Одним из организационно-технических направлений обеспечения дальнейшего повышения уровня безопасности перевозок стал тотальный мониторинг всех жизненно-важных объектов железнодорожной отрасли, в первую очередь подвижного состава, на долю которого приходится основная часть технических отказов при эксплуатации поездов. Реализация мониторинга в условиях железнодорожного транспорта интеллектуализация тягового и подвижного составов. Это означает оснащение вагонов микроэлектронными датчиками разного функционального назначения, пьезогенераторами и средствами дистанционной передачи цифровой диагностической информации на малогабаритные вычислительные комплексы большой мощности тягового состава и в центры управления различного иерархического уровня. Такая интеллектуализация железнодорожного транспорта позволила перейти к

активно-прямому управлению движения поездов, что должно было исключить возможность возникновения внештатных ситуаций при движении железнодорожных составов. Такие разработки в реальном режиме времени должны были определять остаточный ресурс каждого диагностируемого объекта.

Статический мониторинг базируется на стационарных системах которые обеспечивают пооперационный контроль всего технологического процесса ремонта и при необходимости активно его корректируют (рис.19). Данные комплексы, объединеные в центры управления технологией, обеспечивают хранение данных диагностического контроля, проверку адекватности статистических методов, их адаптацию при изменении параметров техпроцесса, формирование сменных отчетов и их передачу в системы управления более высоких иерархических уровней, а так же инсталляцию новых программных модулей.

Август 2007

Сентябрь 2007

Охтябрь 2007

информация

Диагностируемь объект

Центр

управления

технологией

Рис.19 18

Предельные значения характеристик статического мониторинга, которым должны удовлетворять контролируемые параметры ходовых частей локомотивов и вагонов, не увязаны должным образом с дальностью пробега из-за отсутствия необходимых аналитических данных, что вызвало необходимость разработки динамического мониторинга. При аргументированном установлении границ контролируемых параметров дополнительные затраты будут перекрываться доходом от увеличения пробега локомотивов и вагонов. Поэтому проблема формирования прогнозных оценок длин пробега в зависимости от значений контрольных параметров является предельно актуальной и была поставлена в компании ОАО «РЖД» как новая технико-экономическая платформа, гармонично сочетающая задачи безопасности движения с оптимизацией финансовых затрат для ее обеспечения.

Решение этой задачи потребовало качественного перехода от статического к динамическому, а затем и к прогнозному мониторингу, то есть к решению контроля не только пороговых значений технического состояния при движении железнодорожных составов, но и определению скорости деградационных процессов в реальном масштабе времени (рис.20).

При этом состояние узлов и механизмов подвижного состава в ходе движения контролируется бортовой системой.

В основу создания программного обеспечения динамического мониторинга заложен принцип углубленного декодирования поступающей информации, позволивший свести до минимума количество датчиков, устанавливаемых на вагон, разложить вибрационный сигнал на составляющие сигналы от контролируемых деталей, и по их характеристикам оценить техническое состояние каждой детали, а базовые пороговые значения должны соотносится с данными статического мониторинга с последующей их динамической коррекцией.

ДИНАМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

Лоссахх рсхлй вагон

ё]

СХ>

ДИНАМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИГОРОДНОГО ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Голсаиен иг си

Т

1 - бортовой юипыотер

2 ■ устройстю сбора информации

Д - диагностический симптом-. 5/ - приработка',

- "Рвйельно допустимое значение-. ^ . нормальное состояние; Д„ - порог зарождения дефекта; . развитие дефекта;

5 ■ пробег, км. „

¿V • деградация

ПРОГНОЗНЫЙ МОНИТОРИНГ КОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ЛОКОМОТИВА ВО ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ

лй-,-

л».

¡--Т»!

№ 55

ша

• ■ совмещенные датчики вибрации/температуры

• - акустико-эмиссиоиные

1 ■ бортовой компьютер

2 - устройство сбора информации

Рис.20

В основу создания программного обеспечения динамического мониторинга заложен принцип углубленного декодирования поступающей информации, позволивший свести до минимума количество датчиков, устанавливаемых на вагон, разложить вибрационный сигнал на составляющие сигналы от контролируемых деталей, и по их характеристикам оценить техническое состояние каждой детали, а базовые пороговые значения должны соотносится с данными статического мониторинга с последующей их динамической коррекцией.

Процесс динамического мониторинга включает два этапа:

в На первом этапе при непрерывном контроле определяющих параметров группы однотипных узлов, работающих в одинаковых условиях и снабженных индивидуальными номерами, строится статистическая модель. Браковочным признаком узла является отклонение его определяющего параметра в худшую сторону от общей статистики. Например, для буксовых узлов определяющим параметром является вибрация и проблемный узел определяется по резкому отличию его виброускорения от аналогичных значений других узлов группы.

о На втором этапе оценивается степень близости определяющего параметра проблемного узла к пороговому значению.

Динамический мониторинг не определяет скорости развития деструктивных процессов. Эту задачу на основе статистических данных динамического мониторинга выполняет прогнозный мониторинг.

Задачи прогнозного мониторинга:

® Определение класса и построение математической модели упреждающей оценки определяющего параметра в зоне возникновения и нарастания дефекта.

• Оценка доверительных пределов сформированных прогнозов.

• Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований и их корректировка при необходимости.

® Расчет параметров конкретных прогнозных моделей.

® Прогноз скорости развития деструктивного процесса и выработка управляющей команды, обеспечивающей необходимую безопасность движения.

® Увязка параметров технического состояния ходовых частей с прогнозной дальностью пробега в реальном масштабе времени.

На основе единой системы диагностических технологий ремонта и эксплуатации подвижного состава могут быть сформулированы новые, в сторону оптимального ужесточения, исходные пороговые значения для диагностических комплексов, используемых на линейных предприятиях отрасли.

И тем не менее тотальный мониторинг не создает условий для качественного улучшения эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта. Все три вида мониторинга информационно-диагностически не увязаны между собой, а самое главное, не реализовано взаимодействие и взаимовлияние подвижного состава и пути (колесо-рельс).

Требуется разработка нового класса супермониторинга, синтезирующего в себе все информационно-диагностические потоки с подвижного состава и пути, включая их взаимное влияние друг на друга, с выработкой в реальном режиме времени тактических и стратегических решений, являющихся гарантом качественного улучшения безопасности движения и эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта.

Глава 3. Разработка диагностических акустоэмиссионных технологий применительно к задачам подвижного состава железнодорожного транспорта.

Предупреждение аварий техногенного характера является приоритетной задачей для всех промышленно развитых стран. Особого внимания требуют объекты, разрушение которых может приводить к человеческим жертвам или нанести ущерб экологии целых регионов. Это объекты топливно энергетического комплекса (нефте- и газопроводы, резервуары хранения химически активных веществ); промышленные установки; здания и сооружения, объекты наземного и воздушного транспорта; морского и речного флота; атомные, тепловые и гидро - электростанции.

Как свидетельствует мировая статистика, около 50% аварий связаны с техническими причинами, обусловленными длительной эксплуатацией промышленного оборудования. В России большинство промышленных объектов эксплуатируются более 30 - 40 лет, значительная их часть выработала свой номинальный ресурс и остро стоит вопрос о возможности его продления.

Исходя из целей обеспечения безопасности при минимизации расходов на поддержание нормального функционирования оборудования, в настоящее время получает развитие стратегия управления техногенным риском, основанная на использовании комплексного неразрушающего контроля технического состояния объектов с возможностью прогнозирования развития дефектов (повреждений) без вывода объектов из рабочего состояния. Тем самым на смену традиционному методу планово профилактического обслуживания, приходит метод контроля фактического состояния оборудования в процессе эксплуатации.

Следует отметить, что ни один из методов неразрушающего контроля не может обеспечить выявление всех опасных дефектов. Соответственно, как правило, применяется комплексный подход, предусматривающий использование различных методов диагностирования.

Одним из наиболее эффективных методов неразрушающего контроля, является метод АЭ. В этом методе, как правило, регистрируются механические

23

колебания поверхности объектов в диапазоне частот от 50 кГц до 2 МГц. Природа колебаний может быть весьма различной. Классическая АЭ технология регистрирует выходящие на поверхность объекта волны, генерируемые микротрещинами в процессе их распространения. Дело в том, что разрушение это не мгновенный процесс. Сначала образуются микротрещины, они развиваются, сливаются, и, наконец, формируется магистральная трещина, которая приводит к разрушению объекта. Регистрация и анализ колебаний вызванных ростом микротрещин позволяет определить — существует ли опасность разрушения. В последнее время чувствительность оборудования и эффективность обработки сигналов АЭ метода настолько возросли, что появилась возможность регистрировать возникновение пластических микродеформаций, предшествующих формированию микротрещин. Это позволяет увеличить интервал времени от регистрации начала процесса разрушения до собственно факта разрушения.

Метод акустической эмиссии является «пассивным» ведётся лишь «прослушивание» объекта, без его зондирования, и реагируют АЭ системы только на развивающиеся под приложенной (рабочей) нагрузкой дефекты. Эти качества обуславливают высокую эффективность АЭ метода - минимальным числом датчиков можно проконтролировать объекты весьма сложной геометрии и выявить наиболее опасные, развивающиеся дефекты.

АЭ - технология применяется для диагностирования таких объектов, как подшипники, редукторы и т.д. Дело в том, что их выход из строя тоже начинается с микроразрушений соприкасающихся поверхностей вращения. И эти микроразрушения при работе устройств, приводят к генерации механических (акустических) волн, соответствующих частотному диапазону оборудования акустоэмиссионного контроля. В процессе развития микроразрушений начинают появляться и вибрационные эффекты, но АЭ -технология позволяет регистрировать начало процесса разрушения на самой ранней стадии его развития.

Проблема шума часто оказывалась непреодолимым барьером на пути внедрения АЭ технологии в качестве бортового средства мониторинга. Методы

решения этой проблемы зависят от характера шумов, которые можно условно разделить на две основные категории - электрические помехи и механические шумы, которые могут вызваться разными причинами вибрацией, случайными контактами контролируемого объекта с твердыми предметами, нестационарным обтеканием потоком жидкости или газ.

Для каждой из этих категорий существуют традиционные способы борьбы с шумами. Для электрических помех это правильное заземление, использование датчиков оснащённых предварительными усилителями, использование дифференциального включения, фильтрация гармонических составляющих. Для механических шумов основными методами их подавления являются использование групп датчиков обеспечивающих локацию сигналов из интересующей зоны контроля, и выбор полосы частот отсекающей посторонние вибрации, но, в то же время, чувствительной к свойствам дефектов в контролируемом объекте. Даже комбинация данных достаточно простых методов позволила построить диагностические и мониторинговые системы, использующиеся в авиации. Самолеты Мираж, элементы космических кораблей Шаттл проходят обязательную постполетную диагностику методами АЭ, а вертолеты Сикорского оснащены бортовыми системами непрерывного мониторинга состояния узлов ротора, где шумовые условия, очевидно, далеки от лабораторных.

АЭ технология является относительно дорогостоящей. Стоимость каждого (не обладающего интеллектуальными свойствами) АЭ канала составляет 3-4 тысячи USD. Недостаточное развитие вычислительной техники не давало возможности обеспечить требуемую обработку высокочастотных сигналов в режиме реального времени. Соответственно, несмотря на все свои привлекательные качества, АЭ - технология практически не использовалась для систем непрерывного мониторинга. АЭ системы использовались в большинстве случаев для периодической диагностики каких - либо объектов. Диагностируемый объект обвешивался датчиками, объект так или иначе нагружался, производилась запись сигналов, датчики снимались и далее специалистами с помощью диагностических программ производилась пост -

обработка и анализ записанных сигналов с выдачей диагностического заключения.

• В последнее время появились эффективные и разнообразные методы компьютерной обработки данных. За последние годы, а точнее буквально за последние 1-3 года, появились действительно быстродействующие компактные вычислительные средства с большим объемом памяти. Производительность доступных вычислителей достигла десятков Тфлоп/с, что сделало возможным использование и быстрое развитие современных математических методов моделирования и обработки сигнала, сжатия информации, классификации сигналов и распознавания образов в реальном времени.

Для изучения возможности введения в технологию ремонта АЭ диагностику подшипников был использован стенд ускоренных испытаний. На нем закреплялся испытываемый подшипник, на котором одновременно были установлены пьезоэлектрические и акустоэмиссионные датчики, проводной связью подключенные к соответствующим универсальным системам диагностики.

Длительные эксперименты показали, что возникновение зарождающихся трещин проявляется в несколько раз быстрее, чем вибросигналы достигают своих пороговых значений (рис.21).

Сравнение АЭ и вибро-диагностики подшипника 0.020 ---

со с

о

>. <

Ш

сГ

ю т

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Время, с Рис.21

В процессе проводимых исследований были отобраны подшипники с выявленными зарождающимися трещинами. Отобранная партия подшипников в количестве 70 единиц прошла испытания на ускоренном силовом стенде. Из 70 испытанных подшипников 69 разрушились до достижения ими пороговых значений виброускорений, и только один подшипник не разрушился и достиг пороговых значений виброускорений (рис.22).

200 400 600 600 10

200 «Ю 600 8М

Пороговые значения Разрушение Динамика АЭ

Рис.22

Причиной катастрофической поломки подшипников является лавинообразный рост микротрещин (рис.23).

Рис.23

Проведенные исследования показали, сколь сильно влияние зарождающихся трещин на долговечность подшипников.

Создание промышленного АЭ диагностического оборудования позволит существенно сократить брак, в первую очередь вагонного грузового парка, чем резко улучшаться, как экономические показатели перевозочного процесса, так и эксплуатационные характеристики вагонного парка.

Экспериментальные работы и их результаты позволили выработать ряд основных вопросов, которые необходимо решить при создании диагностических комплексов на основе АЭ.

Требуется решение задач:

® уточнение возможных мест установки датчиков на подшипнике;

о проведение исследований с целью выявления спектральной

плоскости шумов и определения оптимальных частотных диапазонов приема акустоэмиссионных сигналов;

• разработка алгоритмов предварительной обработки акустоэмиссионных сигналов;

• разработка методов постобработки данных с выдачей заключений о степени опасности выявленных дефектов.

Изучение поломок колесных пар по причине разрушения посадочного места (шейки) под напрессовку внутреннего кольца подшипника показало, что более половины поломок характеризуется отсутствием повышенного нагрева, который как правило вызывается серьезной неисправностью подшипника. Это указывает на то, что шейка оси разрушается в холодном состоянии.

Для изучения этого процесса разрушения была проведена серия экспериментов с использованием универсальной АЭ системы. АЭ датчики устанавливались на КП и их показания снимались на всем протяжении процесса напрессовки (рис.24)

Универсальная АЭ диагностическая система

[1_

■Ь_

Г|

и1

Рис.24

Эксперименты показали, что в ряде случаев при холодной напрессовке, по причинам неблагоприятного допускового поля размерных цепей шейки оси и внутреннего кольца, недостаточной смазки или нарушения соосности прессов зарождаются микротрещины, развитие которых в динамическом режиме может привести к разрушению колесной пары (рис.25).

АЭ-сигнал при нарушении режима напрессовки

АЭ-сигнал без нарушения режима напрессовки

Рис.25

Устойчивый характер возникновения зарождающихся трещин также может быть связан с нарушением подготовки сопрягаемых поверхностей, отступлением от регламентируемых показателей скорости и усилий напрессовки.

При нормальной технологии напрессовки характер изменения АЭ-фона пропорционален усилиям напрессовки (рис.26).

О 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000

Поведенные эксперименты показали возможность создания автоматической системы управления технологией напрессовки, взяв за основу АЭ информацию, получаемую в реальном режиме.

Задачи, которые необходимо решить при создании промышленного образца АЭ диагностики колесных пар при напрессовке колец:

® уточнение возможных мест установки датчиков на колесной

паре;

в проведение исследований с целью выявления спектральной

плоскости шумов и определения оптимальных частотных диапазонов приема акустоэмиссионных сигналов;

» разработка алгоритмов предварительной обработки

акустоэмиссионных сигналов;

в разработка методов постобработки данных с выдачей

заключений о степени опасности выявленных дефектов;

• разработка методов предварительной обработки АЭ-сигналов с

целью определения синхронности режимов напрессовки.

Глава 4. Результаты исследований.

К практическим результатам выполненного исследования следует отнести разработанный макетный образец системы АЭ диагностики ПОДШИПНИКОВ (рис.27) ■

Рис.27

Два макета такой системы были изготовлены и поставлены на производственные испытания на Восточно-Сибирскую и Горьковскую железные дороги - филиалы ОАО «РЖД».

Годовая эксплуатация этих макетных образцов, которые были встроены в технологический маршрут ремонта подшипников, позволили этим железным дорогам резко сократить количество отцепов грузовых вагонов по браку буксового узла (Таб.2) Таблица 2

ДРВ 2009г. 20010г.

Про диагностировано КП Отцеплено вагонов по неисправности буксового узла Количество продиагности-рованных КП на 1 отцепку буксового узла (пропущенный брак) Продиагнос-тировано КП Отцеплено вагонов по неисправности буксового узла Количество продиагности-рованных КП на 1 отцепку буксового узла (пропущенный брак)

Октябрьская 135 125 619 218 160 939 559 288

Московская 145 902 1275 114 123 219 385 320

Гооьковская 65 905 780 84 90 658 142 638

Северная 66 952 311 215 91133 288 316

Северо-Кавказская 93 634 168 557 94 137 238 396

Юго-Восточная 62 794 448 140 78 321 287 273

Приволжская 55 072 213 259 51 111 162 316

Куйбышевская 64 899 299 217 72 268 156 463

Свердловская 126 737 393 322 141 503 336 421

Южно-Уральская 127 172 705 180 118 595 358 331

Западно-Сибирская 245 699 1666 147 312 890 612 511

Восточно-Сибирская 23 855 466 51 139 139 201 692

Дальневосточная 115 758 264 438 84 429 424 199

ИТОГО: 1 329 504 7 607 438 1 558 342 4148 376

На Горьковской железной дороге в 2009 году отцеплено по неисправности буксового узла 780 вагонов, а в 2010 - 142 вагона. На ВосточноСибирской железной дороге в 2009 году отцеплено по неисправности буксового узла 466 вагонов, а в 2010 - только 201. Следует отметить. Что если у этих двух железных дорог в 2009 году были самые низкие показатели по отцепу вагонов, то в 2010 году они сумели получить самые высокие сетевые показатели.

Представляет интерес и другой качественный показатель диагностики -количество продиагностированных на выходном контроле колесных пар на одну внеплановую отцепку грузового вагона по причине неисправности буксового узла. По этому показателю: Горьковская дорога в 2009 - 84, 2010 -638. Восточно-Сибирская дорога, 2009 51, 2010 692. Эти показатели названных железных дорог были самые низкие по отрасли, а в 2010 году эти показатели самые высокие среди всех дорог ОАО «РЖД».

Проведенные исследования показали необходимость введения в технологический маршрут ремонта АЭ диагностику колесных пар после напрессовки на шейке оси колесной пары внутренних колец подшипников. Установлена реальная возможность создания автоматической системы управления напрессовкой на основе АЭ диагностической информацией, снимаемая непосредственно при проведении процесса посадки кольца на шейку оси. В случае реализации применения диагностики для подшипников и колесных пар технологический маршрут выстраивается в новой последовательности. Предлагаемый технологический маршрут (рис.28) позволит существенно увеличить эксплуатационную надежность подвижного состава.

Акусто-эмиссионная диагностика подшипников

Виброднагностнка поднлiпинков Акусто-эмиссионная диагностика колесных пар

Акусто-эмиссионная диагностика колесных пар с напрессованными кольцами

Рис.28

Анализ эксплуатации железнодорожного транспорта показал необходимость создания нового класса мониторинга (Супер), где в диагностических процедурах будет обязательно присутствовать взаимное влияние контакта колеса и рельса. Формат такого взаимосвязанного диагностического процесса позволит объективно определять техническое состояние подвижного состава и железнодорожного пути, а также уровень опасности при совпадении критических значений параметров, отвечающих за безопасность колеса и рельса, в зоне их непосредственного контакта. Конечной целью этой части исследования являются рекомендации для построения сетевой системы мониторинга состояния железнодорожного пути и подвижного состава в режиме реального времени.

Укрупнено сетевой мониторинг включает в себя регистрационно-аналитический комплекс подвижного состава и регистрационно-аналитический комплекс железнодорожного пути (рис.29)

РЕГИСТРАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Федеэальный центр мониторинга, прогнозирования и планирования

Элементы съема или пере^ачл информации

Щ

¡Линейные пункты обоаботки!

_11.11_

Дорожные центры мониторинга, прогнозирования и планирования

Бортовое ¡/стройство - «Мгксиметр>

Датчик паргметрсв взаимодействия Олок ф/шьтрации V первичной пЯраРотки ГЛОНАС-бРЭ приемник

Наземный комплекс

РЕГИСТРАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

•г»«

ЩрШ «■а^гдИ

Привязка данных к ингерактионоИ карте или схеме ж7д

Фильтрация и статистическая обработка данных Локализация участкоо (мест) о зависимости от попучежых данных

Рис.29

При этой схеме эксплуатационный мониторинг колебаний железнодорожного подвижного состава используется как сигнализатор взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути. В этом варианте мониторинга подвижной состав является не только источником информации о состоянии железнодорожного пути, но благодаря специальному алгоритму происходит процесс очищения диагностической информации от влияния на нее технического состояния железнодорожного пути и наоборот. Математическая модель такого диагностическо-информационного взаимодействия приведена на рис.30.

Матаитичссгдп модель

г

Т

Фильтрация Сигнала на фоно электрического шума (дсмойзииг)

Математическое модолироаамио шума и способы оыделения сигнала под шумом

Искусственный Интеллект (Нейронные сети и т.д.)

Создание образа шума (Определенно статистических пароиотроо

шумооых сигналов и их характерах оогеюоых форм слектроо и т.д)

Создание образа АЭ сигнала (Определенно статистически» параиотроо АЭ сигналов и их характерных осг»«оых форм слоктроо и т.д)

у л

Рис.30

Новый класс мониторинга должны отличать: Интегральность;

Работа в режиме реального времени;

Интегрируемость в бортовые системы и другие системы диагностики и контроля (вибро и пр.);

Обнаружение и регистрация только развивающихся дефектов; Возможность обнаружения координат дефектов;

Высокая чувствительность временное разрешение от 1 мкс и динамический диапазон до 110 дБ; Высокая производительность; Высокое соотношение эффективность / стоимость. Не требует участия в работе персонала - работает автономно; Может быть установлена на каждом локомотиве;

Способна осуществлять мониторинг собственно колесных пар, рельсов и железнодорожного полотна в целом.

Такой класс мониторинга не только отвечает задачам повышения эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта, но и предопределяет реальные возможности перехода от планово-предупредительного ремонта к ремонту подвижного состава и железнодорожного пути по их реальному техническому состоянию.

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Проведены анализ и систематизация диагностических комплексов неразрушающего контроля.

2. Обоснована необходимость дальнейшего повышения технической готовности железных дорог, включая конкурентоспособность на рынке предоставления транспортных услуг.

3. Разработан новый технологический маршрут построения диагностических комплексов.

4. Разработан метод диагностики подшипников на основе акустической эмиссии (АЭ).

5. Разработан метод диагностики на основе АЭ для колесных пар с напрессованными кольцами подшипников.

6. Разработаны технические требования для создания промышленных комплексов на основе АЭ для диагностики подшипников и колесных пар с напрессованными внутренними кольцами подшипников.

7. Спроектирован, изготовлен и прошел годовые испытания опытный образец системы для диагностики подшипников на основе АЭ.

8. Обоснована необходимость дальнейшего совершенствования диагностических технологий.

9. Исследованы и определены фазы технологического процесса (мертвые зоны), где зарождаются микротрещины, лавинный процесс развития которых приводит к возникновению внештатных ситуаций.

10. Разработаны принципы и технические положения, позволяющие создать новые диагностические комплексы, качественно повышающие эксплуатационную надежность железнодорожного транспорта.

11. Разработаны принципы управления силовым процессом напрессовки колец на колесные пары.

12. Предложены принципы интегрированного мониторирования, отражающего реальное техническое состояние подвижного состава и пути в системе их непрерывного взаимодействия и взаимовлияния.

13. Разработан комплекс требований для создания супермониторинга, учитывающего комплексный характер взаимодействия колеса с рельсом.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Анализ и систематизация диагностических комплексов железнодорожного транспорта. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

2. Мониторинг инструмент повышения эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

3. Основные технические направления в области диагностических технологий. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

4. Принципы построения совмещенного мониторинга на основе взаимосвязи контактной группы колесо-рельс. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

Список использованной литературы

1. Воротилкин A.B. Методология повышения достоверности средств неразрушающего контроля. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г

2. Воротилкин A.B. Корреляционные методы в проблеме повышения достоверности контроля. ДЦНТИ г. Нижний Новгород.2009 г.

3. V Muraviev, Т. Muraviev. Diagnostics of railway objects using acoustic emission technique. NDT for Safety, p. 175 - 182, Nov. 07-09, 2007, Prague, Czech Republic.

4. Бочкарев A.H. Железнодорожные технологии в основе живучести подвижного состава. ДЦНТИ. Г Нижний Новгород. 2008 г.

5. Бочкарев А.Н. Мониторинг принципы перехода от контроля диагностики к управлению железнодорожными технологиями. ДЦНТИ. г. Нижний Новгород. 2008 г.

6. Общая теория статистики И.И. Елисеева, М.М. Юсбашев, М.: Финансы и статистика, 2002 г.

7. Лесун А.Ф. Остаточный ресурс как средство перехода на эксплуатацию тягового состава по его техническому состоянию. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

8. Лесун А.Ф. Новые подходы к обеспечению безопасности перевозок с использованием средств мониторирования. ДЦНТИ Нижний Новгород. 2009 г. , I - >

3 V

2010202194