автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Исследования и разработка бортовой локомотивной системы идентификации схода вагона с рельсов

3573; ' ' !

-'-■ 1 '-л\!ждународный академический союз

На правах рукописи

Шпади Дмитрий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА БОРТОВОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ СХОДА ВАГОНА С РЕЛЬСОВ

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертация

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

Москва. 2010 г.

Работа выполнена в ОАО РЖД.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Спиридонов Эрнст Серафимович; кандидат технических наук Тэвид Анатолий Яковлевич

Защита состоится/^ марте 2010 г. в 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_3 ^ • 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор

Г.Е. Лазарев.

Б И БЛ И О ТЕКА I •

_---1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

В ОАО «Российские железные дороги» постоянно проводятся системные исследования, направленные на повышение уровня безопасности перевозок. Решение этой проблемы особенно остро встало в настоящее время в силу критического износа подвижного состава, который составляет:

- по грузовым вагонам - 85%;

- по электровозам - 72,5%;

- по тепловозам - 84,2%;

- по пассажирским вагонам - 74,1%.

При этом средний возраст грузовых вагонов превышает 18 лет при нормативном сроке службы 28 лет. В том числе по наиболее дефицитному парку полувагонов средний возраст составляет свыше 16 лет при нормативном сроке службы 22 года. Износ подвижного состава железных дорог необщего пользования превышает 70%. Превысили нормативные сроки службы 52% парка электровозов, 31% тепловозов.

Такое техническое состояние подвижного состава при всей развитой технологии ремонта, эксплуатации и диагностики не исключает возможности возникновения внештатных ситуаций при железнодорожных перевозках (аварии, крушения).

Широко применяемые бортовые системы безопасности в тяговом составе, такие как комплексные локомотивные устройства безопасности типа «КЛУБ», не контролируют техническое состояние ходовых частей подвижного состава, на которые приходится более 70% отказов и не в состоянии идентифицировать момент схода вагона с рельсов.

Бортовые системы, применяемые в пассажирских вагонах, контролируют только температуру нагрева буксовых узлов, что является только косвенным показателем неисправности и не могут гарантировать безаварийное движение, так

как нагрев свидетельствует об имеющихся уже глубинных и опасных дефектах буксовых узлов. Эти системы так же не в состоянии проконтролировать момент потери контакта колеса с рельсом.

Постовые системы, контролирующие буксовые узлы при прохождении железнодорожных составов, позволяют вести только дискретный мониторинг, так как расстояние между постами достигает до 100 км. Эти постовые системы так же не гарантируют фиксацию момента схода вагона с рельсов.

Тем не менее, в настоящее время созданы и проходят испытания системы, смонтированные на подвижном составе, обеспечивающие непрерывный мониторинг технического состояния подвижного состава, включая и самое опасное его состояние - сход вагона с рельсов. Но в связи с тем, что такие системы должны быть смонтированы на каждом грузовом вагоне, инвентарный парк которых приближается к миллиону единиц, потребуются значительные экономические затраты для его модернизации. Широкая реализация таких систем практически неосуществима.

В силу вышеизложенного исследования по созданию высокоэффективной локомотивной системы идентификации схода вагона с рельса для обеспечения безопасности перевозок является предельно актуальной.

Цель и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке системы идентификации схода вагонов при движении поезда.

В соответствии с этой целью в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1 - исследованы системы контроля технического состояния ходовых частей подвижного состава в движении и выбрана за базовую - динамический мониторинг;

2 - изучены и определены методы диагностики, позволяющие фиксировать сход вагона с рельсов;

3 - созданы алгоритмы и программы для системы контроля схода вагона

с рельсов; (. „

4 - выстроена архитектура и принципы построения локомотивной бортовой системы для непрерывного контроля наличия контакта колеса с рельсом;

5 - оптимизированы функционально и конструктивно системы идентификации схода вагонов с рельсов и автоматического экстренного торможения железнодорожных составов.

Научная новизна диссертации.

1. Обоснование динамического мониторинга как метода, обеспечивающего исключение возникновения внештатных ситуаций при организации перевозочного процесса за счет идентификации схода вагона с рельсов и одновременного автоматического экстренного торможения железнодорожных составов.

2. Исследования диагностических технологий и выбор вибродиагностики как базового инструмента при создании системы контроля схода вагона с рельсов.

3. Разработка критериев идентификации схода вагона с рельса путем использования эффекта «шпальной» и «околошпальной» частот.

4. Созданы расчеты «шпальной» и «околошпальной» полосы частот.

5. Разработка бортовой системы контроля схода вагонов и ее интеграция с автоматической системой экстренного торможения состава на ходу поезда.

6. Созданы алгоритмы и программы для системы контроля схода вагона с рельсов.

7. Определена архитектура и принципы построения локомотивной бортовой системы для непрерывного контроля наличия контакта колеса с рельсом.

Практическая значимость работы подтверждена ходовыми испытаниями локомотивов и вагонов.

Структура и объем работы. Научный доклад состоит из четырех глав, заключения, списка научных трудов автора по диссертационной теме и списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА.

Глава 1. Исследования диагностических технологий и выбор вибродиагностики как базового инструмента при создании системы идентификации схода вагона.

В современной технической диагностике машин и оборудования использование сигналов вибрации является основой для решения как простых, так и самых сложных диагностических задач. При этом методы функциональной (рабочей) диагностики в процессе эксплуатации машин и оборудования имеют приоритетное направление. Применение мобильных технических средств сбора и обработки измерительной информации, включающих компьютер, позволяют эффективно решать задачи диагностики и мониторинга в реальных условиях эксплуатации. Одним из основных требований к техническим средствам является выбор частотных диапазонов контролируемой вибрации, в которых наиболее отчётливо выявляются зарождающиеся, развитые и аварийно-опасные дефекты.

Система глубокой диагностики должна обеспечивать обнаружение зарождающихся дефектов в первую очередь по высокочастотной вибрации, для возбуждения которой в ближней к дефекту зоне не нужны значительные колебательные силы.

Система защитного мониторинга должна строится на базе данных измерений низкочастотной вибрации машин, для возбуждения которой нужны значительные колебательные силы, сопровождающие появление сильных дефектов.

Эти два правила позволяют выбрать оптимально минимальное число точек контроля (каналов измерений) и, следовательно, минимизировать стоимость системы.

Первый эффективный метод диагностики механических систем по высокочастотной вибрации был запатентован шведскими специалистами в 1968 году (патент США №3482669). Это так называемый метод «ударных импульсов», основанный на обнаружении вибрации, возбуждаемой одиночными микроударами, возникающими в результате разрыва масляной плёнки в подшипниках качения.

Второй эффективный метод диагностики механических систем по высокочастотной вибрации предложили в 1979 году разработчики «Вектор-2000» (а.с. СССР №868416). Метод получил название «метод огибающей», а основан он на анализе колебаний мощности высокочастотной вибрации (шума), возбуж-

даемой, силами^ механического, гидродинамического или аэродинамического

трения: •■■■Все методы диагностики механических систем по высокочастотной вибрации, запатентованные в последующие годы, не имеют физической новизны, а лишь совершенствуют либо аппаратную часть, либо способы расчёта глубины дефекта. Физические основы двух перечисленных методов поясняются ниже приведёнными рисунками на примере диагностики подшипников качения буксовых узлов вагонной тележки. На рисунке 1.1а приведена форма сигнала виброускорения в полосе частот до 8 кГц, а на рисунке 1.16 - форма огибающей (среднеквадратичного значения, т.е. квадратного корня из мощности) тех же составляющих виброускорений. На рисунках отчётливо видны периодические ударные импульсы дефектного подшипника, обусловленные задеванием сепаратора за неподвижные или вращающиеся кольца. На рисунке 1.1в приведён спектр огибающей, который подчёркивает частоту сепаратора и её кратные частоты.

Метод ударных импульсов основан на обнаружении достаточно сильных ударных импульсов, необязательно периодических. Для их обнаружения обычно измеряется величина пикфактора, т.е. отношение пикового значения вибрации к её среднеквадратическому отклонению (СКО). Время измерения небольшое, обычно один - два оборота вала.

У этого метода, однако, имеются два существенных недостатка:

невозможность обнаружить те виды зарождающихся дефектов, которые. не приведут к появлению отчётливых ударных импульсов; приходится ждать появления цепочки дефектов, в которой, как правило, хоть один вид дефекта будет сопровождаться появлением ударных импульсов;

отсутствие реакции на те виды и сочетания дефектов, при которых ударных импульсов много и они могут накладываться друг на друга; в этом случае амплитуда ударных импульсов может оставаться на прежнем уровне, но растёт общее СКО и, как следствие, падает величина пикфактора.

^-частота сепаратора Ге=4 93 Гц 52.2 км/час

' \ А

\ '' I 1 Л , АI

С"}1-»»т Исгъл»«« Параметр Ога-л ми ЫГи то (£,>. Г|£ I_

:4(хгоом« о« ** I*

X ((пг§ <. чаче»

0 0оик-иххс

Рисунок 1.1 .Результаты обработки ускорений в буксах.

а) форма сигнала виброускорения на буксе В6

б) огибающая сигнала ускорения на буксе В6

в) спектр огибающей сигнала ускорения на буксе В6

г) кепстры ускорения на буксах В7 и В8

Из-за второго недостатка метод ударных импульсов не, применяется,«при контроле низкооборотных подшипников качения (ниже 50 - 100 об/мин) [1].

Несмотря на определённые недостатки, средства контроля состояния подшипников, основанные на методе ударных импульсов, эффективно используются, в том числе и на железнодорожном транспорте (диагностический контроль в процессе планово-технического обслуживания). Эффективность таких средств контроля оказывается максимальной при периодическом контроле состояния подшипников с интервалами между измерениями менее 50 - 100 часов наработки [2]. Именно в этом случае не пропускаются те зарождающиеся дефекты, приводящие к появлению ударных импульсов.

Однако, так как система ПТО не может обеспечивать указанный интервал между измерениями, то возникает необходимость выполнения диагностического мониторинга в процессе эксплуатации железнодорожного транспорта.

Метод ударных импульсов можно рассматривать как частный случай метода огибающей. В последнем для повышения чувствительности обнаружения периодических изменений мощности сигнала и, в частности, периодических ударных импульсов, применяется спектральный анализ. Так на рисунках 1.2 -1.3 приведены формы сигналов высокочастотной вибрации и спектры их огибающих, в которых есть и компоненты, возбуждаемые ударными импульсами (рисунок 1.3). В этом спектре огибающей отчётливо выделяется гармонический ряд составляющих с кратными частотами. Основная частота определяется периодом следования ударных импульсов, кратные определяют форму ударного импульса.

Но метод огибающей несколько шире, так как позволяет обнаружить не только периодические ударные импульсы, но и периодические изменения сил трения в подшипнике, определяемые либо перекатыванием тел качения через участки поверхности качения с повышенным износом, либо задеванием сепаратора за неподвижные или вращающиеся кольца.

Главное преимущество метода огибающей - возможность обнаружить на этапе зарождения гораздо большую номенклатуру дефектов и определить вид дефекта. Это позволяет, в стационарных условиях эксплуатации, учитывая реальные скорости развития каждого из возможных видов дефектов, перейти на диагностические измерения с гораздо большими интервалами, чем это было указано выше (в зависимости от того какие дефекты обнаружены), не теряя в достоверности диагноза и прогноза состояния диагностируемого узла.

Рисунок 1.2 Формы сигналов высокочастотной вибрации на буксах.

Рисунок 1.3 Спектры огибающих сигналов высокочастотной вибрации на буксах, возбуждаемой постоянными силами трения (а), переменными силами трения (б) и ударными импульсами (в).

,-. .Но 4этот- метод имеет свои недостатки,-которые чаще всего проявляются-в

диагностике оборудования на транспорте, когда пользователь может и не иметь возможности контролировать условия работы объекта диагностики, т.е. может пропускать те ситуации, когда объект из-за перегрузок или других аварийных условий эксплуатации испытывает ускоренный износ.

Первый из таких недостатков, общий для всех методов обнаружения зарождающихся дефектов - снижение чувствительности при появлении одновременно нескольких сильных дефектов, т.е. в предаварийном состоянии объекта диагностики. Чувствительность метода огибающей имеет зависимость от величины дефекта, близкую к аналогичной зависимости метода ударных импульсов.

Второй - нечувствительность к появлению непериодических ударных импульсов, которые чаще всего возникают в бездефектных узлах при снижении качества смазки. Поэтому дефекты смазки обнаруживаются косвенными методами без анализа спектров огибающей.

Третий недостаток, общий для метода ударных импульсов и метода огибающей - возможность сильной реакции на слабые дефекты, из-за которой оператор может принять решение о замене (ремонте) узла несколько преждевременно.

Однако, при проведении более частых мониторинговых измерений с периодом наработки оборудования значительно меньшим, чем это требуется при стационарных условиях работы оборудования, и возможности постоянного контроля условий эксплуатации и оценки внешних влияющих факторов, указанные недостатки становятся второстепенными.

Для примера на рисунках 1.4 и 1.5 приведены формы сигналов и спектры виброускорений букс тележки вагона:

- при отсутствии дефекта (параметры В1Б и ВЗБ, рисунок 1.5а);

- при появлении раковины на наружном кольце (параметр В4Б, рисунки 1.46 и 1.56);

- при наличии одновременно 2-х дефектов (параметр В2Б, рисунки 1.4а и 1.5а).

Из приведенных спектров видно, что наличие 2-х дефектов подчеркивается только возрастанием общего уровня спектра, а единичный дефект (раковина на наружном кольце) характеризуется кратными гармоническими составляющими.

Описанные выше методы диагностики подшипников качения используются и для диагностики зубчатых передач редуктора, муфт и подшипников генераторов и двигателей.

Рисунок 1.5 Фрагменты временных реализаций ускорений на буксах В2Б и В4Б

а) проворот внутреннего кольца и раковина заднего кольца подшипника

б) коррозионная раковина на наружном кольце подшипника

м

\ АЛА

Рисунок 1.6 Спектры ускорений, измеренных на буксах (подшипники в буксах В1Б и ВЗБ не

имеют дефектов).

Выявление дефектов осуществляется путём сопоставления типовых портретов бездефектных и дефектных (с дефектами каждого вида и сочетаниями дефектов различного вида) узлов. Портрет является образом

дефектов^ ?вда.^мн0жествег^,названныкм выше диагностических -параметров, полученных в результате измерений виброускорений. Определение наиболее информативных диагностических параметров, выявление закономерностей их изменения по мере развития и накопления повреждений с целью прогноза остаточного ресурса, установление предельных значений, соответствующих предаварийному состоянию, выполняется на основе накопления, анализа и обобщения статистических данных, полученных при эксплуатации подвижного состава.

Принципиальная трудность распознавания диагностического образа заключается в том, что он искажается вследствие наложения вибрации от других источников. Прежде всего, это относится к колёсной паре, так как дефекты колёс (ползуны, каверны, выщербины и раковины по кругу катания, прокат и т.д.) вносят значительный вклад в общий уровень виброускорений корпуса буксы в широком диапазоне частот и так же, как дефекты подшипников, порождают периодические составляющие вибрации.

Диагностический образ может включать следующие характеристики процесса виброускорений диагностируемого узла:

1) уровни амплитуды гармоник периодических составляющих вибрации на характерных для дефектных узлов частотах, определённые по спектру процесса или по спектру огибающей процесса (частотно-амплитудный метод диагностирования);

2) среднее квадратическое отклонение (СКО) или дисперсия процесса в заданном диапазоне или полосах частот (энергетический метод диагностирования);

3) пиковые значения процесса или пик-фактор процесса (амплитудный метод диагностирования;

4) коэффициент эксцесса распределения мгновенных значений процесса (эксцесс-метод диагностирования).

Частотно-амплитудный метод позволяет разделить периодические составляющие вибрации, связанные с дефектами, и её периодические составляющие от иных источников.

Несмотря на кажущуюся очевидность основанного на этом метода диагностирования, настроить его на автоматическую работу в условиях эксплуатации подвижного состава достаточно сложно. Из-за нестабильности частоты вращения колёсной пары может происходить размывание гармоник периодических составляющих вибрации, измеряемая информация может

искажаться переходными процессами, игтгсресующисчпшгмогут не выдечягься

в общем вибросигнале.

Предварительные испытания показали, что анализ спектра ускорений даёт хорошие результаты в среднечастотной области, но не работает в низкочастотной области. В частности, он не позволяет находить сепараторные частоты подшипника, а частоты вращения колёсной пары Рв и 2РВ определяются с ошибками. Причиной является малая амплитуда сигнала ускорений подшипника на этих частотах. В то же время эти частоты хорошо выделяются в спектре огибающей виброускорений. Отмеченное позволяет измерять ускорения, положим, в диапазоне частот 2-8 кГц, а информацию о частотах Рс, Рв, 2РВ, ЗРВ, и т.п., получать из спектров огибающей высокочастотных ускорений, что возможно ввиду виброударного характера протекающих процессов. В итоге повышается информативность измерительного канала, его помехозащищенность, как от электрических, так и от вибрационных помех, носящих как стационарный, так и нестационарный характер (вибрации ходовой тележки и подрессорных элементов вагона). Такой подход требует увеличения частоты опроса при измерениях, однако, это компенсируется уменьшением длительности обрабатываемой выборки процесса.

Наиболее простым представляется энергетический метод, когда определяется СКО или дисперсия виброускорений за интервал времени усреднения интегрирования и в случае превышения заданного порогового уровня выносится решение: «Годен», «Негоден». Оценки СКО (дисперсии) могут выполняться также и в заданных полосах частот. Влияние кратковременных нестационарностей, например, связанных с локальными дефектами колёс, может снижаться за счёт увеличения времени интегрирования; однако, вопрос о вкладе дефектных колёс в СКО вибрации требует дополнительного анализа.

Амплитудный метод диагностирования заключается в том, что когда за время установленного цикла наблюдения пиковые значения ускорения превысили заданный пороговый уровень, например, в 10 раз, система контроля выдаёт сообщение: «Негоден». Как показали предварительные испытания, такие системы не пригодны для использования на борту вагона ввиду больших выбросов виброускорений от иных, чем дефекты подшипников буксы, источников.

Многие дефекты на определённых стадиях развития носят характер локальных повреждений, что порождает виброударные процессы, проявляющиеся на фоне вибрации, близкой к стационарной. Эти процессы

| изывают отклонения ^распределения* мгновенных значений'вибро}скорсний от

гауссовского, вследствие чего увеличиваются значения центральных четных моментов распределения, в частности, коэффициента эксцесса (рисунок 1.6). Однако, в зависимости от стадии развития повреждений, отклонения эксцесса наблюдаются в различных полосах частот. Кроме того, имеет место наложения виброударных процессов от внешних источников. Казалось бы, последнее должно искажать диагностический образ, но относительная повторяемость виброударных процессов от других источников значительно меньше, чем от дефектов диагностируемого узла. Это справедливо даже для локальных дефектов колёс, так как частота вращения колёсной пары намного меньше частот прохождения телами качения беговых дорожек наружного и внутреннего колец подшипника, а также частоты вращения тел качения. Поэтому можно ожидать, что большой эксцесс при большом СКО в области высоких частот служит признаком дефекта подшипника.

Учитывая, что каждый из рассмотренных методов обладает своими преимуществами и недостатками, рациональный подход к решению задачи, как всегда в подобных ситуациях, заключается в комплексном использовании различных методов. За основу выполненной работы были приняты энергетический и частотно-амплитудный методы диагностирования.

Глава 2. Мониторинг на основеиспользования'стационарных и- бортовых вибродиагностических комплексов.

Статический мониторинг строится на стационарных вибродиагностических комплексах.[3]

Качественное выполнение в депо планово-предупредительных и ремонтных работ - один из ключевых моментов обеспечения безопасности перевозок. Особенно важен надежный контроль технического состояния ходовых частей подвижного состава, на долю дефектов которых приходится до 70% всех критических нарушений безопасности в пути следования. Современная высокоскоростная наукоемкая аппаратура контроля технического состояния ходовых частей в депо - вибродиагностические комплексы обнаруживает наличие дефектов с достоверностью не ниже 95-98%, минимизирует время обслуживания, не допускает прохождения дефектных узлов на последующие технологические операции, на которых пропущенный брак устранялся бы с большими финансовыми затратами.

В настоящее время 380 таких вибродиагностических комплексов (ОМСД) эксплуатируются на 173 предприятиях 16 железных дорог - филиалах ОАО «РЖД».

Данные комплексы контролируют весь технологический цикл ремонта ходовой части локомотивов и вагонов:

• Подшипники с цилиндрическими роликами.

• Подшипники с коническими роликами.

• Буксовые узлы колесных пар без редукторов и с редукторами.

• Подшипники генераторов и тяговых двигателей.

• Колесно-моторные и колесно-редукторные блоки.

• Узлы ходовой части под вагонами и локомотивами.

В состав данных комплексов входит ряд стендов.

Стенд вибродиагностики буксовых подшипников качения (рис. 2) предназначен для входного и/или выходного контроля подшипников в роликовых отделениях при ремонте вагонов и позволяет выявлять следующие неисправности: повреждения сепаратора; дефекты тел качения; износ тел качения; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); дефекты внутреннего кольца; износ внутреннего кольца.

Достоверность диагностики: более 95%.

Время съема/обработки сигнала: 8/1 с.

Полное время диагностики одного подшипника: 2 мин.

Возможна передача информации по цифровым каналам связи в Дистанционный Диагностический Центр.

Рисунок 2

Стенд вибродиагностики буксовых узлов колесных пар вагонов (рис. 3) позволяет выявлять следующие неисправности и дефекты буксовых цилиндрических роликовых подшипников типа 726: дефекты тел качения; износ тел качения; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); дефекты внутреннего кольца; износ внутреннего кольца, дисбаланс колесной пары, дефекты смазки.

Достоверность диагностики: более 95%.

Время съема/обработки сигнала: 8/1 с.

Полное время диагностики колесной пары: 3 мин.

Шкаф-пульт обеспечивает управление стендом и размещение системы вибродиагностики.

Возможна передача информации по цифровым каналам связи в Дистанционный Диагностический Центр.

Стенд вибродиагностики и обкатки колесных пар вагонов (рис. 4) позволяет:

- производить обкатку колесных пар под реальной нагрузкой с измерением температуры и вибрации корпуса буксы;

- выявлять следующие неисправности буксовых роликовых подшипников конических двухрядных типа ТЕШ 130x250 и цилиндрических типа 726: дефекты тел качения; износ тел качения; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); дефекты внутреннего кольца; износ внутреннего кольца, дисбаланс колесной пары, дефекты смазки.

Для диагностики двухрядных подшипников производится осевое нагру-жение, для цилиндрических осевое нагружение может производиться для выявления торцевых дефектов.

Достоверность диагностики: более 95%.

Время съема/обработки сигнала: 8/1 с.

Полное время диагностики колесной пары: 10 мин.

Время обкатки: до 30 мин.

Шкаф-пульт обеспечивает управление стендом и размещение системы вибродиагностики.

Возможна передача информации по цифровым каналам связи в Дистанционный Диагностический Центр.

Данные стенды объединены в дистанционные диагностические центры -ДДЦ (рис. 5), которые обеспечивают статистический мониторинг, 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 прием от разработчиков системы и инсталляцию новых программных модулей.

ДИСТАНЦИОННЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР

"Дистанционный диагностический центр \

Подшипник

Подшипник

Колесная пара

Генератор

ТЭД но стенде

Колесная пара с редуктором

Колесная пара

КМБ/КРВ под локомотивом

Рисунок 5

Следует учитывать, что 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 зависимостей. Для установления границ контролируемых параметров потребовался качественный переход от статического к динамическому мониторингу, т.е. решению проблемы

определения пороговых значений технического состояния подвижного состава при движении поездов. Статистические данные статического мониторинга используются как первичные пороговые значения при контроле деградационных процессов в буксовых узлах.

Динамический мониторинг строится на основе бортовых вибродиагностических комплексов. [4]

В целом система представляет собой сложный аппаратно-программный комплекс (рис. 6), построенный по модульному принципу и включающий регистрирующие датчики, специализированные усилители, процессорные блоки, базы данных, комплект специального программного обеспечения.

БОРТОВАЯ СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Бортовы* комплексы контроля

Сороор ЛМЗДМОЙ системы контроля

Г.лртогюи комплекс контролн

■-- первдл-и Л.Т1ШЫХ по г. <_ >. I". п.

Пассажирский ааюн -

- совмещенные датчики вибрации/температуры

- бортовой компьютер

- устройство сбора информации

Рисунок 6

Каждый ответственный узел подвижного состава в этой системе контролируется по определенным параметрам, которые в процессе эксплуатации могут изменяться в некотором интервале значений: от начальных - до пороговых, предельно допустимых. Система с высокой точностью производит контроль текущих значений параметров, их сравнение с предельно допустимыми значениями, регистрирует результаты контроля и формирует базу данных.

Расчетные пороговые значения для динамического мониторинга определяются по принятым математическим зависимостям. Дефекты элементов под-

шипника могут проявляться в виде составляющих вибрации как на соответствующих частотах, связанных с движением этих элементов, так и на комбинационных частотах, получаемых сложением и вычитанием из соответствующей частоты других, меньших по величине, частот Т7,- и Рк. Возникновение боковых частотных составляющих обусловлено модуляцией колебаний. Дефекты подшипников могут обуславливать и многие другие периодические составляющие вибрации.

В основу создания программного обеспечения динамического мониторинга был 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. (рис.7)

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ДЕПО С СИСТЕМАМИ, УСТАНОВЛЕННЫМИ НА ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ

Рисунок 7

Модель динамического мониторинга (рис. 8) не определяет скорость развития деструктивных процессов, а только контролирует пороговые значения виброускорений и выдает соответствующую информацию машинисту для принятия адекватных управляющих решений.

МОДЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

А - диагностический симптом; Апр - предельно допустимое значение: Лд - порог зарождения дефекта; 5 - пробег, км.

5/ - приработка;

- нормальное состояние;

- развитие дефекта;

- деградация

Рисунок 8

Статистические данные динамического мониторинга были использованы в дальнейшем при определении пороговых виброускорений, возникающих при ударе колеса о шпальную решетку.

Глава. 3. Разработка критериев идентификации схода вагона с рельса

путем расчета «игпальной» полосы частот.

Алгоритм регистрации схода вагона с рельса заключается в измерениях ускорения необрессоренных частей подвижного состава. При этом проводится регистрация сигналов поперечных (координата У) и вертикальных (координата Т) ускорений необрессоренной части подвижного состава в заданной полосе частот (Го-5; Г0+5), где ^ - частота ударов, сошедшей колесной пары с рельсов о шпалы («шпальная частота»); 5 - параметр задающий «околошпальную» полосу частот, которая устанавливается экспериментально. «Околошпальная» полоса частот (^-5; ^+5) изменяется пропорционально скорости движения состава. Момент схода определяется сравнением энергий сигналов ускорений в «околошпальной» полосе частот по координатам У и Ъ при сходе вагона с рельсов с опорными уровнями - энергиями сигналов ускорений, возникающих при штатном движении поездов в указанной полосе частот.

Способ реализуется следующей последовательностью действий.

1. Во время движения подвижного состава замеряют вертикальные (координата Т) и поперечные (координата У) ускорения, в соответствии с которыми вырабатывают аналоговые непрерывные электрические сигналы в виде случайных стационарных процессов Х(Х) и У(0 соответственно.

2. Сигналы фильтруют, выделяя их низкочастотные составляющие и затем преобразуют в дискретную последовательность сигналов и У(0 с заданным шагом квантования

3. Для полученных дискретных последовательностей [5] рассчиты-

(ю) (со)

вают оценки энергетических спектров Ьг и Ьу процессов а(к) и у (к)

конечной длительности по формуле:

где, N - число отсчетов; - значение ускорения в_к-й момент времени; т2 - среднее значение ускорений; А1 - шаг квантования; ( со ) = 2тй - круговая частота; { - частота.

5(йГ) =

яхЫ

х

+1 ^{2к-т2)$\пкШЫ г (1)

4. Замеряют скорость подвижного состава, соответственно которой вырабатывают аналоговый непрерывный сигнал. Последний преобразуют в дискретную последовательность сигналов с тем же шагом квантования Л1:. Рассчитывают "шпальную" частоту по формуле:

^ = у/1, (2)

где V - скорость движения поезда (м/с); 1 -расстояние между шпалами.

Для регистрации схода вагона с рельсов устанавливают "околошпаль-ную" полосу частот

(^-5; ^+5) = Ъ) (3)

( со )

5. По полученному энергетическому спектру 8г и значениям граничных частот^; f2) вычисляют значения энергии сигналов ускорении по Z и У-коордпнатам в заданной полосе частот по формуле:

^ = ¿5, (4)

где -значения отсчетов спектральной плотности в диапазоне частот

г =№^2) (5)

6. При сходе колесной пары вагона с рельсов в результате периодических ударов колесной пары по шпалам с частотой ^ генерируются колебания в рельсах, регистрируемые датчиками ускорений. Это приводит к росту значений энергии сигналов ускорений, определяемых соотношением (4).

7. При движении подвижного состава происходит непрерывная оценка энергий спектров сигналов ускорений по Ъ и У-координатам в заданной полосе частот и сравнение их с экспериментально установленными опорными уровнями - энергиями ускорений при штатном движении поезда и той же полосе частот. При одновременном превышении энергий сигналов ускорений по Ъ и У-координатам в т раз опорных уровней формируется сигнал схода вагона с рельсов, в соответствии с которым вырабатывается управляющий сигнал для включения тормоза.

Глава 4. Разработка бортовой системы контроля схода вагонов и ее интеграция с автоматической системой экстренного торможения состава на ходу поезда.

Разработанная система (рис. 9) содержит датчики 1, 2 вертикального и поперечного ускорения, установленные на необрессоренных частях локомотива. Датчик 3 скорости, представляющий собой локомотивный скоростемер, последовательно соединен с аналого-цифровым преобразователем 4, с блоком 5 расчета «шпальной» частоты и блоком 6 формирования "около-шпальной" полосы частот, выход которого подключен к первым входам блоков 7, 8 расчета энергии сигналов ускорений. Датчики 1, 2 вертикального и поперечного ускорения через соответствующие цепочки последовательно соединенных фильтра 9 низких частот, аналого-цифрового преобразователя 10, блока 11 оценки энергетических спектров подключены ко вторым входам соответствующих блоков 7, 8 расчета энергии сигналов ускорений. Выходы блоков 7, 8 соответственно подключены ко входам компараторов 12, 13 на других входах которых установлены источники 14, 15 опорного сигнала. Выходы компараторов 12, 13 подключены к логическому элементу 16, который через формирователь 17 импульсов подключен к блоку 18 включения тормоза.

Рисунок 9.

Система работает следующим образом. При движении грузового или пассажирского подвижного состава в локомотиве возникают ускорения, величины которых регистрируются с помощью датчиков 1 вертикальных и датчиков 2

поперечных ускорений-и преобразуются-в электрические сигналы. "Во время штатного движения подвижного состава датчики 1, 2 ускорений, установленные на необрессоренных частях локомотива, регистрируют «фон» в виде электрических сигналов, которые фильтруются в фильтрах 9 низкой частоты и в аналого-цифровых преобразователях 10 преобразуются в дискретные сигналы с заданным шагом квантования Д1:, для которых в блоках 11 оценки энергетических спектров рассчитываются их энергетические спектры. Энергия «фона» формируется неровностями поверхностей катания рельсов, стыками и т.п. При сходе колесной пары вагона с рельсов в результате периодических ударов по шпалам с частотой Р генерируются вынужденные упругие колебания рельсового пути. В локомотиве возникают повышенные уровни поперечных и вертикальных ускорений, инициированные распространением вынужденных упругих колебаний рельсового пути от места колесной пары, сошедшей с рельсов до локомотива. В локомотивном датчике 3 скорости движения поезда вырабатывается аналоговый непрерывный сигнал, пропорциональный скорости движения поезда. Сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 преобразуется в дискретную последовательность сигналов с указанным шагом квантования Л1:. Далее сигнал подается на блок 5 расчета «шпальной» частоты. Значение «шпальной» частоты определяется по формуле

У/Ь

где V - скорость движения поезда; Ь - расстояние между шпалами.

При прохождении блока 6 формирования «околошпальной» полосы частот, устанавливается диапазон информативных частот для регистрации схода вагона (^-5; ^+5), где 8 определяется экспериментально. В блоках 7, 8 расчета энергии сигналов ускорений по полученным энергетическим спектрам, поступившим с блоков 11 оценки энергетических спектров, и значениям информативных частот, поступившим с блока 6 формирования «околошпальной» полосы частот, вычисляются значения энергий сигналов вертикальных и поперечных ускорений в заданной «околошпальной» полосе частот. При движении подвижного состава происходят непрерывная оценка энергии спектра сигналов вертикальных и поперечных ускорений в указанной полосе частот и сравнение их с экспериментально установленными опорными уровнями в виде «фоновых значений» энергий спектра сигналов в компараторах 12, 13, сигналы с которых поступают на логический элемент 16. При

одновременном превышении энергий сигналов вертикальных и горизонтальных ускорений в формирователе 17 импульсов вырабатывается управляющий сигнал для включения тормоза, который подается в блок 18 включения тормоза.

Данная система (рис. 10, 11), установленная на локомотиве, исключает возможность возникновения аварий и катастроф в режиме магистральных перевозок при минимальных экономических затратах для модернизации тягового состава за счет системной интеграции функций мониторинга схода и автоматического экстренного торможения железнодорожных составов в пути следования.

Рисунок 10. Элементы бортового программно-аппаратного комплекса для идентификации схода вагона с рельсов

Рисунок 11. Бортовой компьютер 27

и последующего схода вагона'пр: либо модернизации вагонного парка.

■ом

:ии поезда не требует при этом какой-

Заключение

1. Исследованы диагностические технологии и определена вибродиагностика как базовый инструмент при создании системы контроля схода вагона.

2. Проведен анализ систем мониторинга для контроля технического состояния ходовых частей подвижного состава, как в статике, так и в динамике.

3. Изучены и выбраны методы диагностики, позволяющие фиксировать сход вагона с рельсов.

4. Разработаны критерии идентификации схода вагона с рельса.

5. Создан расчет «шпальной» и «околошпальной» полосы частот.

6. Созданы алгоритмы и программы для системы контроля схода вагона с

рельса.

7. Определена архитектура и принципы построения локомотивной бортовой системы для непрерывного контроля наличия контакта колеса с рельсом.

8. Впервые в практике железнодорожного транспорта введены понятия «шпальной» и «околошпальной» частот.

9. Экспериментально определены наиболее информативные зоны размещения датчиков схода вагона с рельсов.

10. Системно интегрированы функции мониторинга схода и автоматического экстренного включения тормозной системы.

11. Разработана бортовая система контроля схода вагонов.

12. Проведены испытания разработанной системы и по ним получены положительные результаты.

13. Выполненные исследования показали теоретическую и практическую возможность идентификации процесса потери контакта колеса с рельсом и последующего схода вагона при движении поезда, не требуя при этом какой-либо модернизации вагонного парка.

Список опубликованных работ подтеме1 диссертации *

1. Вибродиагностика как базовый инструмент при создании системы идентификации схода вагонов с рельсов. ДЦНТИ. Нижний Новгород. 2008 г.

2. Мониторинг на основе использования стационарных и бортовых вибродиагностических комплексов. ДЦНТИ. Нижний Новгород. 2008 г.

3. Критерии идентификации схода вагона с рельса путем расчета «шпаль-ной» полосы частот. ДЦНТИ. Нижний Новгород. 2009 г.

4. Бортовая система идентификации схода вагонов с рельсов. ДЦНТИ. Нижний Новгород. 2009 г.

1. Барков A.B., Баркова H.A., Федорищев В.В. Вибрационная диагностика ко-лёсно-редукторных блоков на железнодорожном транспорте. Северозападный учебный центр, Санкт-Петербург, 2000.

2. Краковский Ю.М., Эльхутов С.Н. Комплексная вибродиагностика оборудования роторного типа. Теория, методы, приборы, технология. Контроль. Диагностика. 2003, №8.

3. Бочкарев H.A., Донькин A.B., Козырев C.B. Статический, динамический и прогнозный мониторинга в обеспечении безопасностью железнодорожных перевозок, Москва. 2005.

4. Абрамов В.М., Бочкарев H.A., Козырев C.B. Безопасность перевозок - технические и экономические аспекты, Москва. 2005.

5. Рандалл Р.Б. Частотный анализ. Дания. Издательство К. Ларсен и сын А/0,1989.

6. Daniel Lynn. Выявление дефектов подшипников качения с помощью анализа вибраций. Computational Systems, Inc., www vibration.ru.

7. Образцов В.Л, Малышев В.П. Автоматизация технической диагностики колёс при движении поезда. М. транспорт, 1978.

8. Попков В. И., Мышинский Э. Л., Попков О. Н. Виброакустическая диагностика в судостроении. Л.: Судостроение, 1983.

9. Явленский К. В., Явленский А. К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л.: Машиностроение, 1983.

.Ю.Александров А. А., Барков А. В., Баркова Н. А., Шафранский В. А. Вибрация и диагностика судового электрооборудования. Л.: Судостроение, 1986.

И.Генкин М. Д., Соколова А. Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.Машиностроение, 1999.

12.Мэтью, Альфредсон. Применение вибрационного анализа для контроля технического состояния подшипников качения. Конструирование и технология машиностроения, 1984, т. 106, №3.

13.Технические средства диагностирования. Под общей редакцией В. В. Клюева, М. Машиностроение, 1989.

14.Дайер, Стюарт. Обнаружение повреждения подшипника путем статистического анализа вибрации. Конструирование и технология машиностроения, 1978, т. 100 №2.

10-12065

2009194273