автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Методика построения динамического мониторинга колесных пар локомотивов на основе акустической эмиссии

ународный межакадемический союз На правах рукописи

Раловец Сергей Анатольевич

МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА КОЛЕСНЫХ ПАР ЛОКОМОТИВОВ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКОЙ

ЭМИССИИ

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Москва 2010 г.

339

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель: доктор технических наук,

вице-президент

ОАО «Российские железные дороги» Воротилкин Алексей Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Спиридонов Эрнст Серафимович доктор технических наук Миронов Леонид Алексеевич

Защита состоится ТУ 2010 года на заседании диссертационного со-

вета 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

-¿¿>..2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Г.Е. Лазарев

БИБЛИОТЕКА 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

В настоящее время основными методами дефектоскопии колесных пар локомотивов являются ультразвуковой и магнитный. Оба метода основаны на анализе амплитуд сигналов, коррелирующихся с размерами дефектов, но не позволяют определить динамику развития и степень их опасности.

Эти традиционные методы диагностики колесных пар локомотивов все чаще и чаще дополняются акустоэмиссионным методом. Явление акустической эмиссии при деформации колесных пар локомотивов заключается в излучении акустических волн при раскрытии трещин. К моменту начала предлагаемого исследования с высокой теоретической и практической достоверностью надежно установлено наличие акустической эмиссии при деформации колесных пар локомотивов.

Если при ультразвуковой и магнитной дефектоскопии колесных пар локомотивов брак не превышает долей единиц процентов, то при акустоэмиссион-ной дефектоскопии брак достигает 5%. Акустоэмиссионная дефектоскопия на стенде, проводимая в деповских условиях, не позволяет определить дрейф дефекта и время достижения пороговых ограничений и степень их опасности. Малая, но быстро растущая трещина, зачастую оказывается более опасной, чем большой статический дефект.

Динамику образования и развития дефектов под нагрузкой можно отслеживать методами акустической эмиссии, дающими дополнительные возможности по оценке опасности данных трещин. Имеющиеся работы по применению акустоэмиссионных методов на железнодорожном транспорте касаются, например, контроля рельсового пути при прохождении железнодорожных составов по мостам. Кроме того, имеются установки и методы контроля колёсных пар при их изготовлении или ремонте. Значительная часть этих исследований выполнена в России. Известно значительное количество работ по разработке диагностического оборудования, производимого в Германии для анализа вибрации и

деформаций узлов подвижного состава [1], [2], [3]. Но ни один из методов не-разрушающего контроля не позволяет 100 % выявить возникающие дефекты. Соответственно для повышения безопасной эксплуатации промышленных объектов все большее значение приобретает динамический мониторинг на основе применения акустической эмиссии.

Исходя из вышеизложенного, разработка методики построения динамического мониторинга колесных пар локомотивов на основе акустической эмиссии является предельно актуальной.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы является разработка методики построения динамического мониторинга колесных пар локомотивов на основе акустической эмиссии.

В соответствии с этой целью диссертационном исследовании поставлены и решены:

1. Проведен обзор применяемых диагностических акустоэмиссионных комплексов и систем.

2. Изучены технологические аспекты применения акустоэмиссионной диагностики.

3. Разработаны принципы снятия, приема и обработки акустоэмиссионной информации с вращающихся частей подвижного состава - одна из основ динамического мониторинга.

4. Экспериментально установлены места расположения акустоэмиссионных датчиков (раздельный вариант).

5. Предложенный алгоритм идентификации зарождающихся трещин в процессе движения локомотива.

6. Разработана модель и математический расчет определения протяженности зарождающихся трещин.

7. Предложен и обоснован состав системы динамического мониторинга колесных пар локомотив в процессе движения поезда.

Научная новизна диссертации.

Научная новизна диссертации включает в себя:

1. Впервые разработана методика, позволяющая создать систему динамического мониторинга колесных пар локомотивов при их движении на основе акустической эмиссии.

2. Даны принципы получения устойчивой диагностической информации свободной от промышленных шумов и вибрации подшипников колесных пар и редуктора.

3. Разработаны расчеты определения протяженности зарождающихся трещин.

4. Разработана структура динамического комплекса.

5. Предложен вариант дифференцированного датчика, позволяющего организовать съем и обработку информации в процессе движения локомотива.

Практическая значимость работы.

Разработка позволила приступить к созданию уникальной системы аку-стоэмиссионного мониторинга ходовых частей локомотивов в процессе движения железнодорожных составов.

Структура и объем работы.

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

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА.

Глава 1. Средства диагностики: перспективы и внедрение.

Напряженность работы инфраструктуры железнодорожного транспорта увеличивается по мере роста нагрузок на ось и скоростей движения. При этом затраты на техническое обслуживание вступают в конфликт с ограничениями, накладываемыми временем и экономическими условиями. На дорогах все труднее поддерживать инфраструктуру в конкурентоспособном состоянии.

Специальными средствами диагностируют параметры и характеристики механических дефектов, неисправности и повреждения объектов контроля. В процессе движения поезда наиболее интенсивно изнашиваются подшипники буксовых узлов и колеса, испытывающие максимальные, в том числе превышающие предельные значения динамических нагрузок.

Дефекты и неисправности тележек создают дополнительные осевые нагрузки на подшипники, ускоряют их износ, приводят к люфту и другим повреждениям. Изменяются геометрия и профиль колес с подрезанием гребня. Накапливается усталость поверхности качения колеса.

Дефекты поверхности качения колеса, в свою очередь, ускоряют износ, вызывают люфт и повреждения поверхностей качения подшипников. Изменяется геометрия тележки, вызывающая сходы с рельсов.

Дефекты профиля и поверхности качения колес приводят к повреждениям рельсов, верхнего строения пути и к сходам с рельсов. Отказ и перегрев подшипника буксового узла завершаются сходом с рельсов.

Заклинивание неисправными тормозами колес вызывает их перегрев. На поверхности качения появляются ползуны, что также приводит к сходу вагонов с рельсов.

Дефекты поверхности качения колес создают недопустимые ударные нагрузки на рельсы и подшипники. Это ускоряет их разрушение.

Отцепки вагонов по неисправностям букс с роликовыми подшипниками составили 63,2% от общего числа браков. При этом основное количество (86 %) отказов буксовых узлов происходит под гружеными вагонами. В них наиболее интенсивны износ и разрушение подшипников с дефектами, неисправностями и повреждениями.

Техническая диагностика и вопросы автоматического съема исходной информации о перевозочном процессе становятся приоритетными. Достоверность и оперативность информации определяют эффективность системы управления.

Необходимо объединить интеллектуальные, технологические и технические ресурсы. Это поможет разработать единую систему сбора информации с унифицированными интерфейсами взаимодействия и получать максимум объективной информации для каждого уровня управления. Специалистам необходимо формализовать сбор информации и проводить согласованную техническую политику.

Бортовые диагностические системы, подключаемые к действующим агрегатам для контроля состояния подвижного состава, обеспечивают предрейсовый и оперативный контроль состояния агрегатов. Информация отображается, и выдается предупреждение о предельных режимах в эксплуатации. При этом регистрируются отклонения параметров, отказы, что выдается по оперативному каналу связи для выхода из аварийной ситуации.

Мировая практика показывает, что для грузового подвижного состава наиболее эффективное направление развития средств диагностики - мониторинг на ходу поезда. Еще ее можно применять для пассажирского и, что особенно важно, для высокоскоростного движения.

До последнего времени технологии обнаружения неисправностей, прежде всего, развивались на основе пригодности узла к дальнейшей эксплуатации. При этом информация выдавалась в виде сигналов тревоги. Системы срабатывали только после выхода параметров за критические пороги.

Такие детекторы не оптимальны для долговременного наблюдения, вследствие чего они подходят для современного управления парком подвижного состава и контроля рисков.

К недостаткам таких систем относятся:

низкая достоверность обнаружения дефектов букс, приводящая к неплановым остановкам поездов (подтверждается не более 11% тревожных сообщений, при этом около 50 тыс. поездов останавливается за год по ложным сообщениям);

невозможность выявления дефектов кассетных букс, имеющих более высокий уровень нагрева, с требуемой достоверностью;

невозможность прогнозировать дефекты на ранней стадии для сокращения затрат на ремонт;

отсутствие контроля развития дефекта при движении вагонов по всему маршруту следования (накопление информации);

увеличение эксплуатационных расходов на содержание и регулировку технических средств диагностики;

недостаточная надежность технических средств при сложных условиях эксплуатации, низкой квалификации персонала и незащищенности от вандализма.

Методами и мероприятиями преодоления указанных недостатков и, в конечном итоге, повышения эффективности и безопасности систем диагностики могут стать:

внедрение принципиально новых типов датчиков теплового контроля (конверсионные технологии);

создание и развитие систем ранней диагностики подвижного состава; создание комплексов обработки информации от контрольных точек на всем протяжении маршрута следования;

повышение надежности технических средств и программного обеспечения за счет многократной обработки информации и математических моделей развития отказов;

повышение надежности каналов передачи информации и объема обрабатываемых сообщений, обеспечивающих повышение безопасности по приятию решения о состоянии технических средств;

использование косвенных методов диагностики состояния букс (акустические шумы, ультразвук, вибрация, цифровой контроль телевизионными методами);

создание комплексных устройств обработки информации (комплексные центры контроля) с объединением различных методов диагностики объекта для выработки прогнозирующих решений.

Конечной целью повышения технической безопасности подвижного состава должно стать создание системы, которая объединила бы комплексы технических средств выявления и прогнозирования неисправностей в единую автоматизированную систему. Другими словами - создание комплексной системы диагностики (рис. 1). Такая система должна обеспечивать сбор максимального количества объективной информации для каждого уровня управления.

В промышленности для решения таких задач применяются системы акустического, видео-, вибрационного, лазерного, инфракрасного, магнитного контроля. При этом подвижные объекты автоматически идентифицируются, включая их техническое и коммерческое состояние. Сочетание различных способов контроля и идентификации позволяет обеспечить необходимую достоверность и полноту исходной информации о подвижном составе.

Разрабатываемая методика и последующее создание динамического мониторинга подвижного состава на основе акустической эмиссии займет достойное место в структуре комплексной системы диагностики.

Информация о вагонах изАСОУП

АСУ-В ин-

формация за-

водов и ре-

монтных

предприятий

У

Центр отработки диагностической информации

"!г

Оперативная диагностическая информация, формируемая на ходу поезда

• Выявление предельных эежимов

V ; .•"'•г Шдрмиррванйе^ Штшшшшщ-:. эанкадДанных- --*

Рис. I. Структура построения комплексной системы диагностики

Глава 2. Основные диагностические акустоэмиссионные системы, применяемые в ОАО «РЖД».

Акустоэмиссионные системы (АЭ) довольно широко применяются в ОАО «РЖД». В первую очередь, при диагностики подвижного состава и пути.

Комплекс АЭ контроля литых деталей тележек грузовых вагонов (рис.2).

НЭДЕ»Гащгпвя блж* Н<гр^п»>* вл^о ттвтт .:..." ■ им ■ тслЛыпм 4

"1 гУДОЯВЗТ&Ф шшшнд 1

Рис.2

Комплекс используется:

- при текущем освидетельствовании;

- после восстановления наплавкой, сваркой, упрочнением и т.п.;

- при продлении срока эксплуатации деталей. В состав комплекса входит:

- система включает компьютер , 20 приемников, 18 предварительных усилителей, имитатор акустической эмиссии, программное обеспечение;

- маслонасосная станция;

- стенд для нагружения боковых рам;

- стенд для нагружения надрессорых балок;

- методическое обеспечение.

Преимущества данного метода контроля над другими методами заключается в том, что метод и аппаратура акустико-эмиссионного контроля позволяют: контролировать весь объем деталей, включая недоступные для сканирования и осмотра участки;

выделять только те участки деталей, на которых действительно находятся растущие в ходе эксплуатации дефекты;

не браковать детали по дефектам, которые не развиваются при эксплуатации, следовательно - не опасные;

автоматически создавать протоколы проведенного контроля с возможностью быстрой записи результатов других методов контроля.

АЭ система неразрушающего контроля в условиях эксплуатации на мосту (рис. 3).

АЭ система СЦАД

ПАЭЗ

ПАЭ 4

Тензометрическая система

Рис.3

Система предназначена для выявления дефектов, развивающихся в рельсах в процессе их эксплуатации.

АЭ система разработана на базе промышленной рабочей станции и состоит из платы приема и обработки сигналов дискретной акустической эмиссии, преобразователей акустической эмиссии, предварительных усилителей, имита-

тора, тензометрической системы для контроля уровня деформаций и программного обеспечения.

Неразрушающий контроль проводится в процессе деформации контролируемого рельса, при движении по нему поезда. Преобразователи акустической эмиссии устанавливают на подошве рельса через некоторые интервалы. Сигналы, испускаемые развивающимися дефектами, регистрируются преобразователями и передаются в акустико-эмиссионную систему. После проведения контроля (1 -3 мин) система анализирует сигналы акустической эмиссии вместе с результатами измерения рельса под весом проходящего поезда и автоматически выносит диагноз.

АЭ система неразрушающего контроля сварных соединений рельсов (рис.

41

Рис.4

Система предназначена для выявления дефектов, развивающихся при остывании сварного соединения рельсов.

Акустико-эмиссионная система разработана на базе промышленной рабочей станции и состоит из платы и обработки сигналов дискретной акустической эмиссии, преобразователей акустической эмиссии, предварительных

усилителей, имитатора, пирометра для бесконтактного измерения температуры сварного и программного обеспечения для управления работой системы.

- Неразрушающий контроль проводится после сварки в процессе остывания сварного соединения, с двух сторон от которого устанавливают преобразователи акустической эмиссии. Сигналы, испускаемые развивающимися дефектами, регистрируются преобразователями и передаются в акустико-эмиссионную систему. После проведения контроля (3-5 мин) система анализирует системы акустической эмиссии вместе с результатами температуры сварного соединения и автоматически выносит диагноз.

АЭ диагностический комплекс для контроля карданных валов электровозов (рис.5).

Рис.5

Диагностический комплекс предназначен для выявления усталостных, развивающихся под нагрузкой дефектов в карданных валах.

Комплекс разработан на базе персонального компьютера и состоит из платы приема и обработки сигналов дискретной акустической эмиссии, преобразователей акустической эмиссии, предварительных усилителей, имитатора, программного обеспечения для управления работой системы и стенда для нагруже-

ния. Диагностический комплекс в составе с устройством нагружения карданных валов позволяет выявлять наиболее опасные дефекты, склонные к развитию или развивающиеся усталостные трещины еще на стадии их зарождения. Преимущества: отсутствие влияния человеческого фактора, автоматизация обработки, анализа и протоколирования результатов контроля.

АЭ диагностический комплекс для контроля колесных пар локомотивов (рис.6).

Рис.6

Диагностический комплекс предназначен для выявления усталостных, развивающихся под нагрузкой дефектов в колесных парах. Разработан на базе промышленной рабочей станции и состоит из плат приема и обработки сигналов дискретной акустической эмиссии, преобразователей акустической эмиссии,

предварительных усилителей, имитатора, программного обеспечения для управления работой системы и стенда для нагружения.

Диагностический комплекс в составе с устройством нагружения колесных пар позволяет выявлять наиболее опасные дефекты, склонные к развитию или развивающиеся усталостные трещины еще на стадии их зарождения. Преимущества: отсутствие влияния человеческого фактора, автоматизация обработки, анализа и протоколирования результатов контроля.

АЭ система неразрушающего контроля рельсов в пути (рис. 7).

Автомотриса

Рис.7

Система предназначена для выявления дефектов, развивающихся в рельсах в процессе их эксплуатации.

АЭ система разработана на базе промышленной рабочей станции и состоит из плат приема и обработки сигналов дискретной акустической эмиссии, преобразователей акустической эмиссии, предварительных усилителей и программного обеспечения.

Неразрушающий контроль проводится в процессе деформации контролируемого рельса, при движении по нему поезда. Бесконтактные преобразователи

акустической эмиссии устанавливаются на движущемся поезде, весом которого создается необходимая деформация в контролируемом рельсе. Сигналы, испускаемые развивающимися дефектами , регистрируются преобразователями и передаются в акустико-эмиссионную систему. В процессе проведения контроля система анализирует сигналы акустической эмиссии и автоматически выносит диагноз.

Комплекс контроля целостности колец подшипников АЭ методом.(рис.8)

Рис.8

АЭ комплекс предназначен для выявления усталостных, развивающихся под нагрузкой дефектов в кольцах подшипников.

АЭ комплекс разработан на базе промышленной рабочей станции и состоит из платы приема и обработки сигналов дискретной акустической эмиссии, преобразователей акустической эмиссии, предварительных усилителей, имитатора, программного обеспечения для управления работой системы и стенда для нагружения.

Неразрушающий контроль проводится при нагружении колец подшипников на испытательном стенде. Установленные на кольцо преобразователи реги-

стрируют сигналы дискретной акустической эмиссии от развивающихся усталостных дефектов и передают их в систему. В результате обработки информативных параметров импульсов акустической эмиссии, зависимостей числа импульсов от испытательной нагрузки, амплитудного распределения составляется диагноз.

Глава 3. Разработана методика построения динамического мониторинга колесных пар локомотивов на основе акустической эмиссии.

Единственным отправным условием при разработке методики - это АЭ диагностика при движении локомотивов.

Характерной чертой метода АЭ является то, что акустические импульсы излучают дефекты, развивающиеся под действием приложенной нагрузки. То есть, к колесным парам для регистрации акустической эмиссии необходимо приложить существенную нагрузку.

Акустические волны улавливаются, как правило, пьезоэлектрическими датчиками. Большой проблемой при осуществлении контроля, является обеспечение контакта датчика с контролируемой поверхностью. При стационарном расположении датчика относительно объекта контроля для этого используют всякие смазки. В случае перемещения датчика, акустический контакт обеспечивается потоком воды или растворов спирта (при отрицательных температурах окружающей среды).

Однако для акустоэмиссионного контроля колесных пар данные проблемы могут быть решены, если установить датчики на колесные пары локомотива. Сам локомотив, обладающий массой до 100 тонн, перемещающийся по рельсам, создает необходимую нагрузку для возникновения АЭ в случае наличия в колесной паре соответствующих дефектов. Кроме того, на каждое колесо локомотива приходится характерная нагрузка около 12 тонн, при этом площадь контакта составляет примерно 1.5 см2 Такой контакт оказался достаточным для введения необходимой для регистрации части акустических волн в колесе и далее в датчике акустической эмиссии.

С развитием микроэлектронной и вычислительной техники, в современном методе акустической эмиссии появились возможности построения полностью автоматизированных систем мониторинга и диагностики, принимающие решения без вмешательства человеческого фактора, на основании методов распознавания образов, искусственного интеллекта, а так же других методов.

Но как передать информацию в систему идентификации акустоэмис-сионных сигналов при вращающихся колесных парах в режиме движения локомотива?

АЭ датчики.

Ни один из известных АЭ датчиков не позволяет снимать информацию с двигающихся объектов, так как при этом требуется обеспечит надежный контакт с диагностируемым изделием.

Для этого серийный датчик был «расчленен» на две составляющие конст-руктообразующие константы. 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. 9). По средствам индуктивной связи между датчиками происходит электропитание и съём диагностической информации.

Рис.9. АЭ датчики 20

Установка датчиков.

Колесные пары локомотивов воспринимают и передают на рельсы массу кузова и тележек со всем оборудованием. При движении локомотива каждая колесная пара, взаимодействуя с рельсовой колеей, воспринимает удары от неровностей пути и направляющие силы и, в свою очередь, сама жестко воздействует на путь. Кроме того, колесной парой передается вращающий момент тягового электродвигателя, а в месте контакта колес с рельсами реализуется сила тяги и торможения. От состояния колесной пары зависит безопасность движения поездов, поэтому к выбору материала, изготовлению отдельных элементов и формированию колесной пары предъявляются особые требования. Колесные пары имеют довольно сложную конструкцию. Анализ показал, что наиболее удобным местом установки АЭ датчика, являются центровые отверстия. Они выполнены в торцах оси, и позволяют при ремонте производить обточку колес для восстановления профиля бандажей колесных пар. (рис.10).

Рис.10. Место установки АЭ датчика

Если первая часть датчика должна быть установлена на колесной паре, то вторая часть датчика закрепляется на внутреннем торце крышки буксового узла и при сборке оба датчика центрируются друг относительно друга.

Скоростемер устанавливается обычно на правом переднем колесе локомотива (рис. 11).

Рис.11. Место установки скоростемера

Ещё один торец колеса на каждой тележке локомотива может использоваться для заземления. Колесные пары выполняются унифицированными, для взаимозаменяемости. Соответственно, в принципе, свободные центровые отверстия осей колесных пар могут быть использованы для установки системы диагностики. Ввиду достаточно миниатюрных габаритов датчика, вероятно, не потребуется изменять даже крышку буксы. Без каких-либо существенных переделок конструкции локомотивов, установить датчики в других точках колесных пар, представляется достаточно проблематичным.

Система идентификации АЭ информации.

Существенным сдерживающим фактором внедрения АЭ технологий была проблема выделения полезного сигнала на фоне различного рода помех (шумов). В последнее время были созданы различного рода эффективные средства борьбы, как с электрическими помехами, так и с механическими шумами. Эти средства включают в себя как аппаратные решения, так и специальные математические (программные) методы.

Схема передачи, приема и обработки АЭ диагностической информации приведена на рис. 12.

АЭ система

Рис.12. Схема передачи, приема и обработки АЭ диагностической информации

Информационный датчик 1, смонтированный в центровочном отверстии оси 2 колесной пары, получает от приемного датчика 3 электропитание на основе электромагнитной индукции. Приемный датчик, расположенный на внутренней стороне крышки буксового узла 4, в свою очередь, принимает АЭ информацию также на основе электромагнитной индукции. С этого датчика диагностическая информация поступает в компьютер. Компьютер также принимает информационные потоки, обусловленные механическими шумами электромагнитными помехами и виброакустические сигналы вращающихся подшипников с их многообразием дефектов.

Для решения проблемы шума была принята модель, которая позволяет локализовать электромагнитные помехи и механические шумы (рис. 13).

Виды шумов

Электрические помехи

Дифференциальные датчики

Волоконно-оптические датчики

1

Механические шумы

г

Локация источников в зоне контроля Фильтрация низкочастотных шумов

Рис.13. Модель локализации помех

Эта модель для устранения электромагнитных помех использует дифференциальные и волоконооптические датчики. Механические шумы устраняются с помощью низкочастотной фильтрации и локализации источников механических шумов непосредственно в зоне контроля.

Наибольшую сложность в процессе анализа АЭ информации представляют подшипники буксовых узлов, и не столько сами подшипники, как их типовые неисправности. Длительно проведенные экспериментальные работы позволили установить, что на полезный диагностический сигнал накладывается информация следующих неисправностей подшипников:

• Букса имеет повышенный нагрев относительно соседних букс, наибольший нагрев в районе предподступичной части оси, неравномерный нагрев корпуса буксы в зоне переднего или заднего подшипника и смотровой крышки.

• Смотровая крышка имеет вмятины, пробоины, кольцевые выпуклости наружу, окалину или цвета побежалости.

• Выброс смазки хлопьями на диск и обод колеса через лабиринтное кольцо, на пол и кузов вагона, сильные потеки в зоне смотровой и крепительной крышек. Наличия в смазке металлических включений.

• На задней (лабиринтной) части буксы имеется валик смазки с металлическими включениями.

• Корпус буксы имеет наклон вверх или вниз относительно шейки

оси.

• При отстукивании передней части смотровой крышки ниже ее центра слышны дребезжащие звуки или двойные удары (отбои).

• Резкий запах горящего масла или расплавленного сепаратора у подшипников с полиамидными сепараторами.

• При начальной стадии разрушения подшипников колесную пару может подклинивать, о чем свидетельствует ползуны по кругу катания и нагрев обода колеса.

• При полном разрушении подшипников колесная пара может идти

юзом.

• Черный цвет буксы по отношению к другим в зимний период.

• Корпус буксы смещен относительно лабиринта (в сторону поля), о чем говорит блестящая полоска металла на лабиринтном кольце (сдвиг буксы).

Для того чтобы учесть влияние дефектов подшипников на результаты диагностического процесса в базу данных системы были введены все акустические образы дефектов, искажающие получаемую АЭ информацию. В компьютер поступает диагностическая информация о техническом состоянии каждой колесной пары, выделенный сигнал под шумом, фильтрованный сигнал на фоне электромагнитных помех и соответствующий сигнал от бездефектного подшипника или с учетом браковочного признака, взятого из базы данных. (Рис.14)

ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛА НА ФОНЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ШУМОВ

ШУМОВОЙ СИГНАЛ

АКУСТИЧЕСКИМ СИГНАЛ

ВИБРСДОАГНОСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ

Выходной Вхсщные отнал отнапы

Базы данных дефектов подцмпникое

Рис.14.Схема выделения полезного сигнала на уровне шумовых помех

Выделение полезного сигнала 1 (рис.15) производится наложением на исходный спектр 2 корректирующей информации от механических шумов, электронных помех и подшипниковой составляющей.

Очищенный акустоэмиссионный сигнал

Акустический сигнал на фоне шумовых помех

Рис. 15.Реализация схемы выделения полезного сигнала

Такая система обработки исходных спектров с выделением информативного АЭ сигнала позволяет четко фиксировать в реальном режиме времени техническое состояние колесной пары и на этой основе строить динамический мониторинг подвижного состава.

Для определения протяженности малых трещин была выведена формула расчета длины зарождающихся дефектов в зависимости от ряда факторов: Длина затухания сигнала в линиях 1 зависит от ряда параметров:

- = (/72 +£2)174 БН!

0,5 • аш^

Г-1

V 77)

Г

8 =со\Ь0С, +ДПС,

?] = со2 ь0с0- /го в0;

Г N1/2

Г\l7CCJ

Gл =2 яко„ 1п

' я л

2т

Ь0, С0, /?0,О0- удельная индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость изоляции рельса относительно грунта на единицу длины бездефектного пути; СО - частота сигнала.

Используя динамический мониторинг, и зная размеры малых зарождающихся трещин, возникает реальная возможность выхода на создание прогнозного мониторинга с определением остаточного ресурса и организацией активного управления безопасностью движения.[4], [5].

Глава 4. Проверка основных принципов методики. Разработка технических требований на создание системы динамического мониторинга колесных пар локомотивов на основе акустической эмиссии.

Для проверки основных положений методики была выбрана партия в количестве 100 годных подшипников. Эти подшипники были проверены на стенде акустической эмиссии. На этом стенде из 100 проверенных подшипников 5 были забракованы по наличию зарождающихся трещин. 95 годных подшипников и 5 забракованных были поставлены на стенды ускоренных испытаний. Из 95 годных подшипников 4 в результате были разрушены по причине появления в них малых зарождающихся трещин уже после процесса первичного акустического контроля. Из пяти забракованных подшипников только один был разрушен. Следовательно, четыре первично забракованных подшипника имели трещины, но исключали процесс их роста при наложении критических нагрузок. На рисунке 16 приведены временные фазы разрушения подшипника. Испытания проводились на стендовом оборудовании Российского Федерального ядерного центра.

В результате проведенной работы был сформулирован ряд требований для создания промышленной системы динамического мониторинга подшипников колесных пар локомотивов на основе акустической эмиссии. Технические требования к системе:

• интеграл ьность;

• 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. Требования к программному обеспечению:

• статистический анализ временных рядов;

• спектральный Фурье анализ;

• быстрое преобразование Фурье;

методики сравнения спектров и распознавания образов; методики определения времен прихода сигналов; методики распознавания сигналов под шумом; методики очистки сигналов от шума. Состав системы:

• датчики акустической эмиссии, установленные на колесных парах локомотива;

датчик вибрации;

датчик угла поворота колёсной пары; датчик температуры;

устройство сбора и первичной обработки данных на базе промышленного компьютера;

устройство точного позиционирования (на основе Глонасс или GPS);

• устройство хранения и передачи данных.

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Проведен обзор применяемых диагностических акустоэмиссионных комплексов и систем.

2. Изучены технологические аспекты применения акустоэмиссионной диагностики.

3. Разработаны принципы снятия, приема и обработки акустоэмиссионной информации с вращающихся частей подвижного состава -одна из основ динамического мониторинга.

4. Экспериментально установлены места расположения акустоэмиссионных датчиков (раздельный вариант).

5. Предложенный алгоритм идентификации зарождающихся трещин в процессе движения локомотива.

6. Разработана модель и математический расчет определения протяженности зарождающихся трещин.

7. Предложен и обоснован состав системы динамического мониторинга колесных пар локомотив в процессе движения поезда.

8. Впервые разработана методика, позволяющая создать систему динамического мониторинга колесных пар локомотивов при их движении на основе акустической эмиссии.

9. Даны принципы получения устойчивой диагностической информации свободной от промышленных шумов и вибрации подшипников колесных пар и редуктора.

10.Разработаны расчеты определения протяженности зарождающихся трещин.

11.Предложен вариант дифференцированного датчика, позволяющего организовать съем и обработку информации в процессе движения локомотива.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Диагностика на железнодорожном транспорте. Проблемы и решения. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

2. Обзор акустоэмиссионного диагностического оборудования. ДТЩТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

3. Методика динамического мониторинга колесных пар локомотивов. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

4. Испытания на ускоренный износ подшипников прошедших входной аку-стоэмиссионный контроль. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

Список использованной литературы

1. Tomoki Shitani, Yasuhiro Nakanishi, Xiu Luo and Hiroshi Haya. Damage assessment in railway sub-structures deteriorated using AE technique. P. 225 - 232, EWGAE 2004.

2. G. Zumpano, M. Meo. A new damage detection technique based on wave propagation for rails. Int. journal of Solid and Structures. 43(2006), p. 1023 - 1046.

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

4. Воротилкин A.B. Методология повышения достоверности средств нераз-рушающего контроля. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

5. Воротилкин А.В. Корреляционные методы в проблеме повышения достоверности контроля. ДЦНТИ г. Нижний Новгород.2009 г.

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

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

11-340

/О

/

20101

82889

2010182889