автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Методика модернизации серийно эксплуатируемого парка диагностических комплексов с целью повышения его достоверности

10-6 1708

сдународный межакадемический союз

На правах рукописи

Федорчук Александр Александрович

МЕТОДИКА МОДЕРНИЗАЦИИ СЕРИЙНО ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ПАРКА ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ

ЕГО ДОСТОВЕРНОСТИ

Специальности 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Москва 2010

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель: доктор технических наук,

Начальник Центральной Дирекции по ремонту грузовых вагонов -филиала ОАО «Российские железные дороги» Бочкарев Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович доктор технических наук Миронов Леонид Алексеевич

Защита состоится « ¿у» 09, 2010 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_О ', 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор 'Г.Е. Лазарев

р О С С "и Й С К А я 1 государственная|

_______---------1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

Значение достоверной диагностики как для экономики ОАО «Российские железные дороги», так и для ее дочерних предприятий и филиалов является одним из определяющих условий успешного функционирования отрасли.

Так только за семь месяцев текущего года общее количество отказов по отрасли составило 43 564 (против 42 419 за аналогичный период 2009 г.), а общая задержка поездов составила 55 596,6 часа (против 43 877,1 часа за аналогичный период 2009 г.).

При этом задержано: 90 444 грузовых поездов( за аналогичный период 2009 г. 17 527); пассажирских поездов 21 068 (за аналогичный период 2009 г. 17 527); 7838 пригородных поездов (за аналогичный период 2009 г. 7157).

Соответственно для грузовых поездов задержки составили 53 502, 1 часа ( 44 785, 9 часа за аналогичный период 2009 г.); для пассажирских поездов задержки составили 5993 часа ( 5494, 2 часа за аналогичный период 2009 г.); для пригородных поездов задержки составили 2515, 7 часа (2218 за аналогичный период 2009 г.).

Преобладающая доля задержки поездов приходится на отказы подвижного состава из-за технической неисправности ходовых частей локомотивов и вагонов.

В Центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов филиал ОАО «РЖД» (ЦДРВ) громадное внимание уделяется диагностики. В 13 Дирекциях по ремонту грузовых вагонов (ДРВ) эксплуатируется порядка 500 диагностических комплексов, причем половина из них приходится на вибродиагностические системы (ОМСД, МПУ, УДП, СКБУ и т.д.).

В настоящее время на предприятиях ЦДРВ эксплуатируется 200 вибродиагностических систем, показатель достоверности которых на различных предприятиях отличается друг от друга от 2 до 25 раз, что свидетельствует о том, что оператор-диагност является дестабилизирующим фактором широкого дрейфа достоверности.

Поэтому и возникла проблема модернизации серийно эксплуатируемых систем, с целью повышения их достоверности путем исключения влияния человеческого фактора на окончательные результаты диагностических измерений. Цели и задачи исследования.

Целью данного диссертационного исследования является выбор путей модернизации серийно эксплуатируемых в настоящее время 200 вибродиагностических комплексов с целью доведения их уровня достоверности до показателей новейших диагностических комплексов при условии минимизирования минимальных материальных и финансовых затрат.

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

1. Проведен анализ работы диагностических комплексов более чем в 100 ремонтных депо ЦДРВ.

2. Изучены возможности и характеристики современных диагностических систем.

3. Разработана методика модернизация серийно эксплуатируемых комплексов при обеспечении минимизации материальных и финансовых затрат.

4. Созданы базы данных браковочных и годных параметров при диагностике подшипников и буксовых узлов колесных пар.

5. Разработаны оригинальные алгоритмы и программное обеспечение для достоверной диагностики как отдельных подшипников так и для буксовых узлов колесных пар.

6. Запланирована модернизация серийно эксплуатируемых диагностических комплексов с целью доведения достоверности контроля до показателей современных комплексов.

7. Проведен технико-экономический анализ позволивший оптимизировать схему модернизации систем.

Научная новизна диссертации.

Научная новизна диссертации включает в себя:

1. Впервые создана база данных на основе оптимизации диагностических параметров более чем от 200 эксплуатируемых комплексов.

2. Созданы оригинальные алгоритмы и ПО для повышения достоверности парка эксплуатируемых диагностических комплектов.

3. Разработана методика модернизации серийного оборудования, позволившая сохранить архитектуру и состав серийных комплексов за счет системы взаимоисключающих результатов измерений.

4. Предложены принципы перехода при вибродиагностике от сравнительных процедур к процедурам принятия окончательных решений (брак, годен) на основе коррелиационного анализа.

Практическая значимость работы.

Разработка позволила модернизировать целый класс диагностического оборудования путем доведения его уровня достоверности до показателей современных диагностических комплексов. Данная разработка позволила сэкономить более 500 млн. рублей при условии модернизации всего парка серийно эксплуатируемых диагностических комплексов. Структура и объем работы.

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

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА.

Глава 1. Анализ результатов эксплуатации серийного парка вибродиагностических комплексов в Центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов филиал ОАО «Российские железные дороги».

Самым широкоприменяемым диагностическим оборудованием в Центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов (ЦДРВ) филиал ОАО «Российское железные дороги» (ОАО «РЖД») являются вибродиагностические комплексы. При общем количестве средств неразрушающего контроля (НК) более 500 единиц на долю вибродиагностических комплексов приходится 200 единиц. Эти комплексы используются практически во всех ремонтных предприятиях ЦДРВ. Для выбора оптимальной стратегии модернизации этого громадного парка систем, были изучены результаты их эксплуатации за 2008 год, за 2009 год и за 6 месяцев 2010 года во всех 13 Дирекциях по ремонту грузовых вагонов (ДРВ), обслуживающих 17 железных дорог филиалов ОАО «РЖД»

В 2008 году (таб. 1) было всего на выходном контроле продиагностировано 1 119 706 колесных пар(КП) со смонтированными буксовыми узлами, при этом забраковано по результатам контроля 8 495 КП, оцеплено вагонов по неисправности буксового узла 12 731 КП, при этом количество продиагностированных годных КП на одну пропущенную бракованную КП в среднем по ЦДРВ составило 165 единиц.

В 2009 году (таб. 2) было всего на выходном контроле продиагностировано 1 329 504 колесных пар (КП) с всмотнированными буксовыми узлами, при этом забраковано по результатам контроля 10 022 КП, оцеплено вагонов по неисправности буксового узла 7 944 КП, при этом количество продиагностированных годных КП на одну пропущенную бракованную КП в среднем по ЦДРВ составило 215 единиц.

В 2010 году за 6 месяцев (таб. 3) было всего на выходном контроле продиагностировано 780 747 колесных пар(КП) со смонтированными буксовыми узлами, при этом забраковано по результатам контроля 5 772 КП, оцеплено вагонов

2008г.

№п/п ДРВ продиагност ировано колесных пар, шт. Забраковано по результатам вибродиагнос тики, шт. Забраковано по результатам вибродиагнос тики, (%) отцеплено вагонов по неисправности буксового узла, шт. Кол-во продигностированных годных КП на одну пропущенную бракованную на выходном контроле

1 Северо-Кавказская 101106 0 0,00 202 501

2 Дальневосточная 63097 1571 2,49 849 74

3 Свердловская 127231 4566 3,59 413 308

4 Куйбышевская 60426 81 0,13 360 168

5 Октябрьская 152867 172 0,11 937 163

6 Северная 58888 73 0,12 350 168

7 Южно-Уральская 136231 67 0,05 862 158

8 Западно-Сибирская 184387 1083 0,59 2008 92

9 Юго-Восточная 46119 0 0,00 496 93

10 Московская 137899 0 0,00 3546 39

И Приволжская 67705 177 0,26 943 72

12 Горьковская 35107 586 1,67 1664 21

13 Восточно-Сибирская 28643 119 0,42 101 284

Среднее по ЦДРВ 92285 653 0,73 979 165

Итого 1199706 8495 12731

2009г.

№п/п ДРВ продиагнос тировано колесных пар,шт. Забраковано по результатам вибродиагности ки, шт. Забраковано по результатам вибродиагнос тики, (%) отцеплено вагонов по неисправност и буксового узла, шт. Кол-во продигностированны х годных КП на одну пропущенную бракованную на выходном контроле

1 Северо-Кавказская 93 634 123 0,13 168 557

2 Дальневосточная 115 758 77 0,07 264 438

3 Свердловская 126 737 4757 3,75 393 322

4 Куйбышевская 64 899 110 0,17 295 220

5 Октябрьская 135 125 124 0,09 619 218

6 Северная 66 952 172 0,26 311 215

7 Южно-Уральская 127 172 97 0,08 705 180

8 Западно-Сибирская 245 699 1464 0,60 1666 147

9 Юго-Восточная 62 794 118 0,19 448 140

10 Московская 145 902 107 0,07 1275 114

11 Приволжская 55 072 213 0,39 554 99

12 Горьковская 65 905 2575 3,91 780 84

13 Восточно-Сибирская 23 855 85 0,36 466 51

Среднее по ЦДРВ 102 270 771 1 611 / 215

Итого 1329504 10022 10 7944 2789

6 мес. 2010г.

№п/п ДРВ продиагнос тировано колесных пар, шт. Забраковано по результатам вибродиагнос тики, шт. Забраковано по результатам вибродиагност ики, (%) отцеплено вагонов по неисправност и буксового узла, шт. Кол-во продигностированны х годных КП на одну пропущенную бракованную на выходном контроле

1 Северо-Кавказская 55 020 68 0,12 33 1 667

2 Дальневосточная 67 926 43 0,06 40 1 698

3 Свердловская 74 330 2 709 3,64 64 1 161

4 Куйбышевская 38 258 64 0,17 43 889

5 Октябрьская 79 223 72 0,09 101 784

6 Северная 39 455 100 0,25 51 773

7 Южно-Уральская 74 586 56 0,08 136 548

8 Западно-Сибирская 143 724 854 0,59 580 247

9 Юго-Восточная 37 030 68 0,18 73 507

10 Московская 85 510 62 0,07 497 172

11 Приволжская 32 525 124 0,38 212 153

12 Горьковская 38 845 1 502 3,87 470 82

13 Восточно-Сибирская 14 315 50 0,35 217 65

Среднее по ЦДРВ 60 057 444 0,76 194 673

Итого 780747 5772 10 2517 8746

по неисправности буксового узла 2 517 КП, при этом количество продиагностированных годных КП на одну пропущенную бракованную КП в среднем по ЦДРВ составило 673 единиц.

Сравнивая эти результаты совершенно очевидно, что достоверность вибродиагностики в различных ДРВ существенно отличается друг от друга (таб. 4).

В 2008 году достоверность вибродиагностики в Горьковской ДРВ, имевшей худший процент отцеплений по браку, отличалась от лучшего показателя СевероКавказской ДРВ в 24 раза.

В 2009 году достоверность вибродиагностики в Восточно-Сибирской ДРВ, имевшей худший процент отцеплений по браку, отличалась от лучшего показателя Северо-Кавказской ДРВ в 11 раз.

В 2010 году за 6 месяцев достоверность вибродиагностики на Горьковской ДРВ и Восточно-Сибирской ДРВ, имевших худший процент отцеплений по браку, отличалась от лучших показателей Северо-Кавказской и Дальневосточной ДРВ соответственно в 20 и 25 раз.

Такие разные показатели в достоверности вибродиагностики, эксплуатируемых в настоящее время комплексов, определяется в первую очередь тем, что на конечные результаты контроля сказывается влияние операторов-диагностов.

К основным недостаткам эксплуатируемых систем следует отнести :

- устанавливаемая система не позволяет отслеживать проведение диагностики одного объекта контроля под разными номерами (алгоритм «свой-чужой» не реализован);

- наличие усилителей заряда, позволяет фальсифицировать результаты диагностики посредством убавления коэффициента усиления на них, что говорит о роли человеческого фактора при работе на системе;

- в связи с тем, что усиление сигнала происходит в системе в усилителях заряда, расположенных в шкафе управления, то вибросигнал от датчика до шкафа( до усилителя) подтвержден воздействию внешних источников, например таких как

Ранжирование ДРВ по % отцеплений по браку (в порядке убывания) за 6 мес. 2010 г.

Ранжирование ДРВ по % отцеплений по браку (в порядке убывания) за 2009 г.

Таблица 4

Ранжирование ДРВ по % отцеплений по браку (в порядке убывания) за 2008 г.

№ п/п ДРВ % отцеплений по браку

1 Восточно-Сибирская 1,52%

2 Горьковская 1,21%

3 Приволжская 0,65%

4 Московская 0,58%

5 Западно-Сибирская 0,40%

6 Юго-Восточная 0,20%

7 Южно-Уральская 0,18%

8 Октябрьская 0,13%

9 Северная 0,13%

10 Куйбышевская 0,11%

11 Свердловская 0,09%

12 Дальневосточная 0,06%

13 Северо-Кавказская 0,06%

ДРВ % отцеплений по браку

Восточно-Сибирская 1,95

Горьковская 1,18

Московская 0,87

Юго-Восточная 0,71

Западно-Сибирская 0,68

Южно-Уральская 0,55

Октябрьская 0,46

Северная 0,46

Куйбышевская 0,46

Приволжская 0,39

Свердловская 0,31

Дальневосточная 0,23

Северо-Кавказская 0,18

ДРВ % отцеплений по браку

Горьковская 4,74

Московская 2,57

Восточно-Сибирская 1,71

Западно-Сибирская 1,09

Юго-Восточная 1,08

Южно-Уральская 0,63

Октябрьская 0,61

Куйбышевская 0,60

Северная 0,59

Свердловская 0,32

Дальневосточная 0,28

Приволжская 0,26

Северо-Кавказская 0,20

силовые электрические и магнитные поля, шумовые составляющие, вызванные работой рядом кранов и кран-балок;

- использование в приводном механизме разгонных роликов, изготовленных из резины не обеспечивает требуемой износостойкости, что будет приводить к необходимости частой их замены;

- отсутствует возможность режима «Автоизмерение», включающего в себе обкатку колесной пары;

- устанавливаемое программное обеспечение на обладает должной защищенностью от вмешательства пользователей, что может привести к несанкционированному изменению частоты вращения и других параметров, влияющих на результат диагностики.

Такие существенно разные результаты в достоверности вибродиагностики, получаемые практически на одинаковом оборудовании, поставила задачу перед ЦДРВ о создании вибродиагностического комплекса нового поколения.

Глава 2. Отличительные особенности диагностических комплексов нового поколения.

' Глубокий анализ вибродиагностических комплексов, которые в настоящее время широко эксплуатируются, и их сравнение с техническими характеристиками и результатами испытаний созданного комплекса нового поколения, позволили установить принципиальные их отличия друг от друга.

Диагностический комплекс нового поколения показан на рисунках 1 и 2. В сравниваемые комплексы входит две системы: диагностика отдельных подшипников и диагностика буксовых узлов КП. Система диагностики буксовых узлов КП :

- форма приводных разгонных роликов позволяет осуществлять контакт с колесом по всей поверхности, что резко сокращает износ роликов и повышает долговечность работы системы в целом, в отличии от старой системы, где поверхность ролика имеет конусную форму, что ведет их к форсированному износу;

- материал ролика выполнен из высокостойкого материала экстратана, в отличии от старой системы, где материал ролика выполнен из полиуретана, обладающего низской износостойкостью;

- реализован режим торможения по внутренней поверхности диска колеса стандартными тормозными колодками (аналогично дисковым тормозам автомобилей), а не но поверхности катания( аналогично барабанным тормозам) как выполнено в старой системе;

- исключена возможность повреждения поверхности катания колеса, а в старых конструкциях выработка тормозных колодок приводит к возможности самопроизвольного выброса КП со стенда;

- реализован режим автоизмерения, который позволяет в автоматическом цикле, с учетом проведения обкатки КП, проводить весь цикл диагностики от опускания КП на позиции измерения до ее снятия со стенда после проведенной вибродиагностической операции;

- сервисный экран отображает весь процесс диагностики и позволяет минимизировать работу оператора с клавиатурой и сенсорной мышью;

13

Рис.1. Система диагностики подшипников

Рис.2. Система диагностики колесных пар

- датчики высокого разрешения позволяют фокусировать луч на отметчике, установленном на колесе и не считывает различные метки, получаемые на колесе при прохождении различных стадий ремонта;

аксилероментры, оснащены встроенными усилителями, что исключает фальсификацию результатов диагностики и обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум измерительных каналов и защиту системы от промышленных помех (работа кран-балки или сварки вблизи системы, случайными ударными составляющими - прокатывание КП, удары кувалдой и т.д.);

- исключена возможность в системе записи колесной пары под разными номерами;

- техническое исполнение шкафа управления «антивандальное» что исключает возможность «разграбления» в условиях депо.

Система диагностики подшипников:

- введен в конструкцию стенда датчик оборотов, который позволяет производить измерения частоты вращения вала стенда. Данная особенность позволяет производить пересчет частот элементов подшипника (ролики, кольца, сепаратор), в частности, для метода огибающей (данный метод очень чувствителен к изменению частот элементов подшипника), что позволяет без ошибок определять и правильно ставить диагноз системой диагностики. Данная конструктивная особенность повышает достоверность диагностики по одному из самых важных методов контроля технического состояния элементов подшипника.

- датчики имеют промышленное исполнение и оснащены встроенными усилителями, что исключает фальсификацию результатов диагностики и обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум измерительных каналов и невосприимчивость системы к производственным помехам, (скачки напряжения при работе кран-балки или сварки вблизи системы и т.д.);

- исключена возможность запись одного подшипника под разными номерами;

- при записи в системе визуально отображается то условное положение наружного кольца, для которого осуществляется контроль, то есть оператору программа автоматически подсказывает, что кольцо продиагностировано полностью или еще остались сектора наружного кольца, которые не прошли контроль.

Основные сравнительные данные диагностических комплексов сведены в таблицу 5.

Длительная промышленная эксплуатация нового разработанного вибродиагностического комплекса, проводимого в депо Коноши ДРВ Серверные железные дороги филиала ОАО «РЖД», позволило довести достоверность диагностики до 99, 8 %.

Сравнительная таблица вибродиагностических комплексов

Таблица 5

№ пп Серийный вибродиагностический комплекс Современный вибродиагностический комплекс

1 Возможность фальсификации результата контроля Исключена возможность записи одного и того же

(записи одного и того же подшипника и КП под разными номерами) подшипника и КП под разными номерами за счет разработки ПО на основе использования корреляционного анализа (подтверждается актом приемочных испытаний от 06.04.2010)

2 Возможность фальсификации результата контроля за счет изменения коэффициента усиления (изменение вручную настройки усилителя сигнала) Из программно-аппаратного комплекса полностью исключен усилитель сигнала в виде отдельного

блока, что позволяет избежать фальсификации результата контроля

3 Низкая помехозащищенность системы из-за Высокая помехозащищенность системы за счет

необходимости проводной связи между датчиком и усилителем сигнала исполнения в едином конструктиве датчика и усилителя

4 Отсутствует режим Автоизмерение, что не Реализован режим Автоизмерение, который позволяет

обеспечивает в автоматическом режиме обязательную обкатку КП (по усмотрению оператора) в автоматическом режиме, с учетом проведения обкатки колесной пары, производить весь цикл работ (от опускания до подъема)

5 Торможение проводится по поверхности колеса тормозными колодками, что приводит при их износе к западанию КП на исходной позиции (требуются Торможение осуществляется по внутренней ровной поверхности диска колеса тормозными колодками и их износ не связан с расположением КП на исходной позиции (КП накатывается и скатывается с рельсов)

несколько человек для выкатки КП с исходной позиции)

6 Использование в приводном механизме конусных Используются цилиндрические ролики из экстратана.

разгонных роликов приводит к быстрому их износу и необходимости частой их замены (2-4 раза в год) обеспечивающие контакт ролика по всей его поверхности с колесом, что повышает их долговечность

Глава 3. Основные требования на модернизацию серийных вибродиагностических комплексов.

Анализ промышленного опыта эксплуатации вибродиагностических комплексов, изучение технических характеристик новейших достижений в этой области, проведенные исследования и эксперименты позволили выработать два бескомпромисных условия модернизации:

сохранение архитектурного построения серийного комплекса (экономический аспект);

- достоверность модернизированного комплекса должна быть доведена до уровня не ниже 99,9 % (научно-технический аспект).

Эти два основополагающих ограничения и были положены в основу дальнейшей работы.

В разработке предусматривается применение всех вибродиагностических технологий.[1] Это обеспечит использование информационно достоверных параметров, в полной мере характеризующих техническое состояние буксовых узлов. [2]

В процессе диагностирования должны контролироваться следующие параметры вибрации: среднеквадратическое значение вибрации (СКЗ) в трех полосах частот, Пик-фактор, параметр "эксцесс", спектр вибрации (автоспектр), спектр огибающей вибрации, для последних двух реализован гармонический анализ в рабочих полосах частот. Кроме того близки к завершению еще ряд перспективных методов контроля, которые отличаются от существующих у всех методов контроля подшипника качения и по прогнозам разработчиков дадут существенное повышение качества диагностики.

Оценка СКЗ вибрации в трех полосах частот не что иное, как оценка энергии вибросигнала и она осуществляется отдельно как для низкочастотных составляющих — для оценки общего состояния объекта контроля, до высокочастотных — для оценки незначительных распределенных дефектов

(например, точечная коррозия на роликах) на любом из элементов подшипника качения.

Параметры пик-фактор и эксцесс характеризуют наличие в объектах контроля ударных составляющих (например, трещина ролика). То есть данные величины реагируют на появление выбросов в сигнале из-за возникновения микро-и макроударов в объектах контроля.

Вышеперечисленные методы контроля к сожалению не позволяют идентифицировать местоположение дефекта, но тем не менее позволяют говорить о наличии или отсутствии дефектов, как сосредоточенного характера (например, трещины, раковины), так и распределенного (например, коррозия).

Спектральный анализ. Наличие дефекта в подшипнике качения при его вращении приводит к появлению в вибросигнале интенсивных спектральных составляющих, положение которых на частотной оси зависит от места расположения дефекта, скорости вращения и геометрических размеров диагностируемых узлов. Амплитуда этих спектральных составляющих определяет степень развития того или иного дефекта. Таким образом, частотный анализ спектра вибросигнала позволяет определять как сам дефект, так и место его расположения. Спекральный анализ позволяет выявлять, как средние, так и развитые дефекты подшипника качения.

Для поиска зарождающихся дефектов используется метод огибающей высокочастотной части вибросигнала. При наличии дефекта, как правило, высокочастотная, шумовая часть сигнала меняет свою амплитуду во времени, т.е. она модулируется неким более низкочастотным сигналом. Именно в этом модулирующем сигнале содержится и информация о состоянии подшипника. Выделение и обработка этой информации и составляют основу этого метода. То есть, если в спектре огибающей присутствуют какие бы то ни было гармоники — это говорит о наличии дефекта в объекта контроля, а величина их говорит о степени развития дефекта.

Эти методы контроля должны быть применимы в модернизируемом комплексе, что позволит определять дефекты, как на стадии зарождения, так и уже развитых и сильных дефектов. Кроме того все данные методы перекрывают весь спектр дефектов подшипника качения, от сосредоточенных и локально сосредоточенных, до распределенных по всей поверхности катания элементов подшипника качения.

Требования к разработке составлены как к комплексу в целом, так и к его отдельным системам.

Требования к комплексу:

• Системное технологическое построение - система диагностики подшипников и система диагностики КП.

® Защищенность системы от внешних помех.

• Автоматизация процесса диагностики.

® Исключение возможности повторного диагностирования одной и той же колесной пары;

• Идентификация по видам брака;

• Широкая интеллектуализация систем диагностики и управления на основе использования современной элементной базы (пьезоэлектрические преобразователи со встроенными предусилителями, лазерные датчики высокого разрешения, сенсорный дисплей и т.д.)

• Увеличение долговечности Комплекса за счет новых конструктивных решений в тормозной и приводной системах;

• Создание на основе разрабатываемого Комплекса бортовых систем для

диагностики буксовых узлов в движении для основных типов

подвижного состава.

Требования к системе диагностики подшипников:

• в состав системы входит стенд и программно-аппаратный модуль, размещенный в стенде;

• обеспечение вращения подшипников в пределах700-730 об/мин.;

• скорость вращения должна контролироваться оптическим датчиком;

• обеспечение нагружения наружного кольца подшипника в пределах 100-180 кг.

Требования к системе диагностики КП:

• в состав системы входит стенд и программно-аппаратный модуль, размещенный в шкафу управления;

• обеспечение разгона колесной пары до частоты не менее 300 об/мин.;

• торможение и остановка в заданном режиме;

• стабилизация скорости оборотов не должна превышать 3 минуты;

• уровни вибрации на стойках стенда не должны превышать 0,02 g;

• измерение частоты вращения должно производиться с помощью оптического датчика;

• обеспечение постоянной погрешности измерения частоты вращения колесной пары не более 1 об/мин в диапазоне от 60 до 320 об/мин.

Требования к программно-аппаратному модулю:

• пределы допускаемой основной относительной погрешности сисхемы при измерении общего уровня вибрации и для спектрального анализа должны быть в рабочем диапазоне амплитуд не более ±5%;

• диапазон рабочих частот:

- при измерении системой виброускорения - от 5 до 10000 Гц;

- при измерении системой виброскорости - от 5 до 10000 Гц;

- при измерении системой виброперемещения - от 5 до 10000 Гц;

• диапазон рабочих шумов:

- виброускорения (пик)- от 0,3 до 400 м/с2;

- виброскорости (СКЗ) - от 0,3 до 100 мм/с;

- виброперемещения (размах) - от 5,0 до 500 мкм;

• неравномерность амплитудно-частотной характеристики измерительного канала в диапазоне рабочих частот не должна превышать ±10%;

• собственные шумы не должны превышать:

- виброускорения (пик) - 0,1 м/с2;

- виброскорости (СКЗ) - 0,1 мм/с;

- виброперемещения (размах) - 2,0 мкм;

• время установления рабочего режима системы не более 5 мин.;

• напряжение коммутации управляющего канала - 220±10% В;

• ток коммутации управляющего канала - не менееО,5А.

Требования к программному обеспечению:

сбор и хранение диагностической информации;

выдача результатов диагностики в формате по видам дефектов (более 14 параметров выбраковки);

получение сводных отчетов за установленный период и развернутых по выбранному объекту;

передачу информации о проведенных замерах по СПД ОАО «РЖД» в дистанционный диагностический центр ЦДРВ ОАО «РЖД».

Глава 4. Методика модернизации вибродиагностических комплексов.

Необходимость сохранения конструктивного построения серийных комплексов, при условии доведения уровня диагностики не ниже 99%, потребовала поиска нетрадиционных методов анализа диагностической информации.{3][4]

Это означало, что методическая реализация разработки могла серьезно вторгаться только в области заимствования, изменения или разработки новых алгоритмов и программного обеспечения.

Решение проблемы повышения достоверности заключается в ликвидации двух источников дестабилизационного результата показателей работы диагностических комплексов в ремонтных депо ЦДРВ:

1 - возможность фальсификации результатов диагностики путем записи одного и того же подшипника или колесной пары под разными номерами;

2 - возможность фальсификации результатов диагностики за счет несанкционированного изменения коэффициента усиления настроенного усилителя сигнала.

Данная методика полностью реализовала работы [5][6], где ликвидация возможности фальсификации результатов диагностики путем записи одного и того же подшипника или колесной пары под разными номерами решена применением корреляционного анализа с использованием коэффициентов Пирсона, Спирмена и Кенделла (рис. 3, 4, 5, б).

Спектры одного подшипника, записанного под разными номерами. Коэффициент Пирсона = 0,9506; коэффициент Спирмена = 0,8918; коэффициент Кендалла = 0,8902. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,9109.

Спектры одного подшипника, записанного под разными номерами. Коэффициент Пирсона = 0,9496; коэффициент Спирмена = 0,8699; коэффициент Кендалла = 0,9221. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,9139.

Спектры двух разных подшипников. Коэффициент Пирсона = 0,3140; коэффициент Спирмена = 0,2243; коэффициент Кендалла = 0,1782. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,2388.

Спектры двух разных подшипников. Коэффициент Пирсона = 0,1201; коэффициент Спирмена = 0,1690; коэффициент Кендалла = 0,1715. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,1535.

Спектры одной колесной пары, записанной под разными номерами. Коэффициент Пирсона = 0,9042; коэффициент Спирмена = 0,9253; коэффициент Кендалла = 0,9206. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,9167.

.Спектры одной колесной пары, записанной под разными номерами. Коэффициент Пирсона = 0,8782; коэффициент Спирмена = 0,8795; коэффициент Кендалла = 0,8938. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,8838.

Чхтои. ГЦ

Спектры двух разных колесных пар. Коэффициент Пирсона = 0,1688; коэффициент Спирмена = 0,3748; коэффициент Кендалла = 0,2456. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,2631.

lattoxa. ГЦ

Спектры двух разных колесных пар. Коэффициент Пирсона = 0,4752; коэффициент Спирмена = 0,2321; коэффициент Кендалла = 0,2277. Средний (результирующий) коэффициент по спектрам = 0,3116.

Наличие усилителей заряда в серийных комплексах, в отличии от комплексов нового поколения, где применены совмещенные датчики с усилителями заряда (рис. 7, 8, .9, 10), потребовало поиска новых решений в общей теории статистики и корреляционного анализа.

Рисунок 7. Схема системы диагностики подшипников (серийный вариант)

Рисунок 8. Схема системы диагностики подшипников (современный вариант)

Рисунок 9. Схема системы диагностики колесных пар (серийный вариант)

Датчики

ПЭВМ

Рисунок 10. Схема системы диагностики колесных пар (современный вариант)

За время длительной эксплуатации обширного парка вибродиагностических комплексов накопились обширные базы данных годных и забракованных подшипников. Суть данных хранилищ информации на текущий момент заключается лишь' в протоколировании и хранении истории диагностики того или иного подшипника. Однако наличие такого обширного материала предоставляет уникальную возможность для анализа объектов одного рода, не используя дорогостоящие и трудоемкие системы обработки и не вникая в топологию самого объекта диагностики. Эти условия были положены в основу разработки методики с использованием корреляционного анализа для исключения влияния на достоверность диагностики присутствие в конструкции комплексов усилителей заряда.

В статистике часто возникает необходимость установления степени взаимосвязи (корреляции), или сходства двух, или более объектов. Различают:

- парную корреляцию - это зависимость между результативным и факторным признаком;

- частную корреляцию - это зависимость между результативным и одним факторным признаком при фиксированном значении других факторных признаков;

- множественную - многофакторное влияние в статической модели.

Наиболее простым вариантом корреляционной зависимости является парная

корреляция. Математически эту зависимость можно выразить как зависимость результативного показателя у от факторного показателя х. Одним из видов парной корреляции является корреляция знаков Фехнера.

Коэффициент Фехнера (коэффициент корреляции знаков) основан на

сравнении поведения отклонений индивидуальных значений каждого признака (х и

У) от своей средней величины и у~) и служит для оценки тесноты связи

качественных признаков. При этом во внимание принимаются не величины

отклонений (хг - *") и (Уг - Т), а их знаки ("+" или "-"). Определив знаки

отклонения в каждом ряду, рассматривают все пары знаков и подсчитывают число

их совпадений. Если совпадение знаков обозначить С, а несовпадений Я, то

коэффициент Фехнера вычисляется по формуле

31

Как и любой показатель тесноты связи, коэффициент Фехнера может принимать значения от -1 до +1. Если #= 0, то знаки всех отклонений совпадают и к<ь = 1. Если С= 0, то знаки всех отклонений не совпадают и кл = -1.

С помощью парного коэффициента корреляции выявляется связь между двумя признаками, но в действительности на результат воздействуют несколько факторов. В связи с этим возникают два типа задач: задачи измерения комплексной близости результативной переменной к нескольким другим переменным и задачи определения тесноты связи между двумя переменными при фиксированных значениях остальных переменных. Задачи первого типа решаются с помощью множественных коэффициентов корреляции, задачи второго типа — с помощью частных коэффициентов корреляции.

Для нашего случая актуальна задача первого типа.

Множественный, или совокупный, коэффициент корреляции для случая трех признаков, один из которых — результативный (с номером 1) и два — факторных (с порядковыми номерами 2 и 3) рассчитывается по формуле

д1:2з =

- 2К1-КиК2г

1

(2)

Для случаев, когда число V признаков , совокупное влияние которых на результативный признак У исследуется, превосходит два, множественный коэффициент корреляции можно определить по формуле

Ку-Л\-Хр = Jí -(1 " ^>'.-0(1 ~ _ Щх^Хг)'" (1 — ^уЛ^ЛЧХз-Л'р.,) (3)

Множественный коэффициент корреляции является показателем тесноты связи между результативным признаком и совокупностью факторных признаков. Множественный коэффициент корреляции изменяется в пределах от 0 до 1. Равенство его нулю говорит об отсутствии функциональной связи, равенство единице — о наличии полной функциональной связи.

Множественная корреляция - это метод многомерного анализа, широко применяемый в физике, психологии и многих других науках. Множественную корреляцию можно рассматривать как расширение двумерной корреляции, а ее коэффициент — как показатель степени связи одной переменной с оптимально взвешенной комбинацией нескольких других переменных. Для построения нового алгоритма диагностики будем использовать указанный метод множественной корреляции. Результатом диагностики по новому методу будет диагноз вида «Годен / Брак».

Для диагностики анализируемого объекта у нас имеется достаточно большой набор данных по годным и забракованным объектам такого же типа, полученных в однотипных условиях с помощью одних и тех же алгоритмов (например, с помощью преобразования Фурье получим, и будем использовать спектр вибросигнала). Известно, что существует достаточно узкий перечень дефектов подшипников и буксовых узлов колесных пар. Соответственно, при наличии большой выборки бракованных объектов всевозможные виды дефектов в этой выборке будут охвачены. С помощью алгоритмов множественной корреляции произведем сравнение данных диагностируемого объекта с блоком данных дефектных объектов. В случае превышения полученным коэффициентом множественной корреляции установленного порога можно говорить о наличии теснейшей связи между анализируемым узлом и целым рядом бракованных объектов. Такой узел будем считать бракованным.

Если объект при сравнении с набором бракованных узлов не был признан бракованным, тогда произведем аналогичное сравнение уже с набором годных объектов. В случае превышения полученным коэффициентом установленного порога считаем диагностируемый объект годным.

Если же и в этом случае вычисленный коэффициент множественной корреляции не превысил установленный порог, считаем объект бракованным. При такой ситуации у объекта возможно наличие нескольких дефектов, обоюдно влияющих и/или «гасящих» друг друга, либо наличие слабого или зарождающего дефекта.

В силу своей конструкции предложенный метод не отвергает и не ограничивает все существующие методы диагностики. Он является характеристическим анализатором объекта в целом, не вдаваясь в его конструктивные особенности.

Отметим еще одну наиболее важную уникальную характеристику предложенного метода диагностики. Широко известно о пагубном влиянии человеческого фактора во всех областях промышленности. В вопросах же обеспечения безопасности исключение человеческого фактора играет определяющую роль в сохранении человеческих жизней и имущества. До сих пор не исключен человеческий фактор и из процедур проведения диагностики подвижного состава. Так, во многих депо всей сети железных дорог установлены и активно эксплуатируются вибродиагностические системы, использующие в своем составе усилители вибросигнала, у которых имеется регулятор усиления. Любое несанкционированное изменение положения данного регулятора однозначно приводит к неработоспособности всей измерительной системы, причем в большинстве своем без видимых признаков.

Приведенный выше метод диагностики по своей сути не зависит от уровня настройки усилителей сигнала и будет корректно работать даже при минимальном уровне усиления. Данная особенность вытекает из свойств методов корреляционного анализа, примененных в указанном алгоритме.

Алгоритм разработанного метода диагностики показан на рисунке 11 Разработанная методика решила эту проблему полностью.

Поступление нового объекта диагностики. Получение спектра вибросигнала

Попарное сравнение полученного спектра со спектрами бракованных объектов. Получение набора коэффициентов парной корреляции знаков

Вычисление коэффициента множественной корреляции.

Диагноз объекта -брак. Завершение работы

>з объекта -Завершени

Диа

ден

I

Сравнение полученного коэффициента с пороговым значением

Порог превышен

Порог не

Сравнение превышен полученного коэффициента с

Вычисление коэффициента множественной корреляции.

Попарное сравнение исходного спектра со

спектрами годных объектов. Получение набора коэффициентов парной корреляции знаков Фехнера

Рис. 11 Алгоритм метода диагностики на принципах расчета корреляционных коффициентов Фехнера

Заключение по результатам выполненной работы.

Проведен анализ работы диагностических комплексов более чем в 100 ремонтных депо Ц ДРВ.

Изучены возможности и характеристики современных диагностических систем.

Разработана методика модернизация серийно эксплуатируемых комплексов при обеспечении минимизации материальных и финансовых затрат. Созданы базы данных браковочных и годных параметров при диагностике подшипников и буксовых узлов колесных пар.

Разработаны оригинальные алгоритмы и программное обеспечение для достоверной диагностики как отдельных подшипников так и для буксовых узлов колесных пар.

Запланирована модернизация серийно эксплуатируемых диагностических комплексов с целью доведения достоверности контроля до показателей современных комплексов.

Проведен технико-экономический анализ позволивший оптимизировать схему модернизации систем.

Впервые создана база данных на основе оптимизации диагностических параметров более чем от 200 эксплуатируемых комплексов. Созданы оригинальные алгоритмы и ПО для повышения достоверности парка эксплуатируемых диагностических комплектов.

Разработана методика модернизации серийного оборудования, позволившая сохранить архитектуру и состав серийных комплексов за счет системы взаимоисключающих результатов измерений.

Предложены принципы перехода при вибродиагностике от сравнительных процедур к процедурам принятия окончательных решений (брак, годен) на основе коррелиационного анализа.

• разработка позволит сэкономить более 500 млн. рублей при условии модернизации всего парка серийно эксплуатируемых диагностических комплексов.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. Сокращать эксплуатационные затраты. Журнал «Вагоны и вагонное хозяйство» №4 (16) VI квартал 2008 года.

2. Отличительные особенности вибродиагностических комплексов нового поколения. ДЦНТИ. г. Нижний Новгород. 2009 г.

3. Основные требования на модернизацию серийных вибродиагностических комплексов.

4. Методика модернизации вибродиагностических комплексов. ДЦНТИ. г. Нижний Новгород. 2010 г

Список использованной литературы

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т./Под общ. Ред. В.В. Клюева -2-е изд., испр. Кн. 2: Балицкий Ф.Я., Барков A.B., Баркова H.A. и др. Вибродиагностика. -М.: Машиностроение, 2006. -829 с.:ил.

2. Барков A.B., Баркова H.A. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации: Учебное пособие. СПб.:Изд. Центр СГ16ГМТУ, 2004, 152 с.

3. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. Вентцель Е.С., Овча -ров Л.А.-М.: Наука, 1988.

4. Применение вычислительной техники и математической теории эксперимента в научных исследованиях (учебное пособие).// Под ред. М-Б.А. Бабаева. - Баку, «Елм». - 1999. - 85 стр.

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

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

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

8. Основы биометрии: введение в статистический анализ биологических явлений и процессов, Ивантер Э.В., Коросов A.B. Петрозаводск, 1992. 168 с.

9. Теория статистики. В.М. Гусаров, М.: ЮНИТИ, 2001.

10-23004

; £-

2009062692