автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Методология диагностики ходовых частей локомотивов в движении с определением остаточного ресурса

10-5 906

Международный академический союз

На правах рукописи

Лесун Анатолий Федорович

МЕТОДОЛОГИЯ ДИАГНОСТИКИ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ЛОКОМОТИВОВ В ДВИЖЕНИИ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Нижний Новгород 2010 г.

Работа выполнена на Горьковской железной дороге - филиала ОАО «Российские железные дороги»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Спиридонов Эрнст Серафимович;

доктор технических наук Миронов Леонид Алексеевич;

доктор технических наук, профессор,

Лауреат Государственных премий

Славинский Зиновий Михалевич

Защита состоится М мае 2010 г. 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

&.0 ^2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

--^^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

В ОАО «Российские железные дороги» громадное внимание уделяется безопасности перевозочного процесса. Ожидаемое увеличение грузооборота, предусматриваемое превышение пассажирооборота в 231 млрд. пассажиров к 2030 году, а также стремительная тенденция к переходу пассажирского движения на скоростное и сверхскоростное требуют качественной модернизации технологии ремонта и эксплуатации железнодорожного транспорта.

Эти требования, в первую очередь, продиктованы высокой степенью износа локомотивов и вагонов. Так износ по тепловозам составляет 84,2%, по электровозам 72,5%, превысили нормативные сроки службы 52% парка электровозов и 31 % парка тепловозов.

Учитывая такое состояние подвижного состава, в ОАО «РЖД» широко внедряются целевые комплексы, основанные на единой системе диагностики технологии ремонта и эксплуатации железнодорожного транспорта. Более 400 вибродиагностических комплексов внедрено на линейных предприятиях отрасли. Они последовательно контролируют подшипники, буксовые узлы в составе колесных пар, подшипники в составе электродвигателе, редукторные узлы, зубчатые передачи, и, в конечном счете, окончательная диагностика проводится в целом для пассажирского вагона на катковой станции.

Но диагностика в деповских условиях далеко не полно учитывает динамический характер нагрузок при движении составов и поэтому за последние годы разработаны и внедрены ряд бортовых и постовых диагностических комплексов, направленных на обеспечение безопасности движения. Особенно уделено внимание в этой проблеме пассажирскому комплексу.

Буксовые узлы пассажирских вагонов оснащены температурными датчиками, передающими на борт данные по нагреву буксовых узлов. В случае достижения критической температуры пассажирский состав останавливается для определения причины нагрева.

Помимо этих мер имеется строгая система, включающая в себя постовые приборы контроля, которые дистанционно замеряют нагрев буксовых узлов железнодорожных составов, проходящих мимо них. В случаях обнаружения перегрева составы также останавливаются для определения причины неисправностей. Данные системы могут быть также применимы в большой степени и к грузовым вагонам.

Что касается локомотивов, то обеспечение их безопасной эксплуатации должно быть основано на диагностике в движении сложнейших элементов ходовой части - колесно-моторных блоков (КМБ), включая определение его остаточного ресурса. Это сложнейшая задача является предельно актуальной и ее решение не только качественно повысит безопасность перевозок, но и даст значительный экономический эффект за счет практически полного исключения внепланового ремонта тягового состава.

Цель и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методологии диагностики ходовых частей локомотивов в движении с определением остаточного ресурса.

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

1- Изучен и обобщен опыт диагностических систем, обеспечивающих безопасность движения.

2- Разработаны системы, отчетливо выявляющие зарождающиеся, развитые и аварийно-опасные дефекты в ходовых частях локомотивов.

3- Создана система активной диагностики ходовых частей локомотивов в движении, исключающая влияние на достоверность результатов внешних и внутренних шумовых полей.

4- Разработанный программный комплекс позволяет в едином измерительном цикле одновременно контролировать, как подшипники, так и зубчатые передачи, объединенные в одном конструктивном блоке.

5- Созданные принципы определения скорости протекания деградационных процессов в обнаруженных дефектах позволили устанавливать остаточный ресурс ходовых частей локомотивов.

Научная новизна диссертации.

• Разработаны принципы выявления на ходу поезда зарождающихся, развитых и аварийно-опасных дефектов.

• Разработаны системы, позволяющие исключить влияние внешних помех па конечные результаты.

• Найдены методы интегральной оценки технического состояния подшипников и зубчатых передач, объединенных в едином конструктивном блоке.

• Решена задача определения остаточного ресурса на основе анализа скоростей деградационных процессов, выявленных неисправностей КМБ;

• Возможность определения остаточного ресурса позволяет по новому организовывать эксплуатационную работу и перейти к активному управлению безопасности движения.

Практическая значимость работы.

1. Внедрение результатов разработки при модернизации тягового состава снизит затраты на ремонтные и эксплуатационные работы не менее чем на 30 -35%.

2. Данная методология будет распространенна на другие типы тягового и основные виды подвижного состава.

3. Созданы условия для перехода от планового ремонта тягового состава к ремонту по реальному техническому состоянию ходовых частей локомотивов.

4. Определение остаточного ресурса позволяет организовать активную систему по управлению безопасности.

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. Постановка задачи.

Поставленная проблема однозначно диктует необходимость поиска ее решений в исследовании ходовых частей при движении локомотивов и разработке уникальных бортовых диагностических комплексов.

В условиях жесткой конкуренции железным дорогам необходимо повышать эффективность эксплуатации подвижного состава и следить за техническим его состоянием в процессе движения. Раннее обнаружение неполадок на борту поезда дает возможность быстрее диагностировать неисправности и предотвращать их последствия.

За рубежом и в России имеется ряд разработок направленных на создание бортовых комплексов.

Ряд американских компаний, являющихся лидерами в разработке и поставках систем бортовой диагностики и мониторинга, предлагают системы и комплексы, способные измерять, регистрировать и выводить такие параметры, как наклон вагона, смещение груза, чрезмерные силы в поезде, степень износа колес, уровень топлива, охлаждающей жидкости и температуру внутри вагонов-рефрижераторов, а также температуру и уровень вибрации буксовых узлов и ходовых частей локомотивов и вагонов.

Фирма Типкеп

Специалисты исследовательского отдела по интеллектуальным продуктам и системам компании Типкеп разработали самотестирующуюся сенсорную систему, которая устанавливается внутри буксы грузового вагона и в процессе движения поезда осуществляет беспроводную передачу данных о состоянии подшипника, колеса и заблаговременно предупреждает о наличии потенциально опасных ситуаций до возникновения отказа (рис. 1). Для измерения параметров и передачи информации на бортовой приемник используются датчики на базе технологии ИР. Информация через интеллектуальный интерфейс направляется в

компьютер, установленный в кабине управления ведущего локомотива, а также во внешнюю сеть для анализа получаемых данных. Комплект датчиков, расположенных непосредственно на подшипнике, а не в корпусе буксы или в месте посадки, обеспечивает максимальную достоверность и защиту информации, а также обладает достаточной вибростойкостью.

Рис. 1. Установка датчиков сенсорной системы компании Timken на буксовом подшипнике.

Фирма Sky Eye Railway Services

Интеллектуальная бортовая система (рис. 2), разработанная корпорацией Sky Eye, использует спутники системы глобального позиционирования GPS для определения местоположения движущегося объекта, в данном случае единицы подвижного состава, и для беспроводной работы в коммуникационной сети. Она может измерять и передавать информацию о недопустимых значениях вертикальной ударной нагрузки, виляния, изменения температуры или давления. Совместимость с Интернетом позволяет в любой точке иметь доступ к собранной информации независимо от местоположения и без использова-

ния любых других аппаратных средств. В предлагаемые услуги входят передача, обработка данных и их интеграция в системе информационных технологий клиента.

сотовой радиосвязи Рис. 2. Схема системы мониторинга компании Sky Eye

Систему Sky Eye можно использовать применительно к такому подвижному составу и транспортным средствам, как цистерны, контейнеры (в том числе с регулируемой внутренней температурой), вагоны-рефрижераторы, крытые, для перевозки автомобилей, обычные платформы и т. п. Бортовой комплект оборудования системы включает блоки ОРЗ (для позиционирования), коммуникационный, питания, микропроцессор для обработки данных, антенну и подсистему управления. Все компоненты могут быть смонтированы в виде единого компактного модуля или встроены в соответствующие системы подвижного состава или транспортного средства. В случае наличия внешнего источника питания (как, например, в вагоне-рефрижераторе) система может работать и с отбором мощности от него.

Фирма Alstom

Разработанная компанией Alstom система мониторинга состояния силовых установок EngMon дает возможность своевременно идентифицировать неполадки и тем самым повышать эффективность использования подвижного состава. Бортовой компьютер через поездную цепь управления и контроля получает входную информацию от датчиков, отслеживающих состояние двигателя, и сочетает ее с информацией от системы GPS для определения пробега и местоположения единицы подвижного состава. Данные регулярно передаются в модуль дистанционного мониторинга, где с помощью соответствующего программного обеспечения постоянно контролируется соблюдение предварительно заданных параметрических значений и в случае надобности немедленно выдается оповестительный или тревожный сигнал. Предусмотрена также работа в режиме советчика.

Как отмечают специалисты Alstom, система EngMon дает железным дорогам несомненные экономические выгоды, так как ее использование позволяет резко снизить потери доходов за счет раннего обнаружения потенциальных отказов. Надежная система диагностики устраняет возможность серьезных повреждений двигателей; кроме того, на ее базе можно создать эффективную систему технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию. Система EngMon также полезна железным дорогам при вводе двигателей в эксплуатацию и поддержке гарантийного обслуживания.

Фирма ENSCO

Бортовая система дистанционного мониторинга состояния локомотивов, разработанная в 1988 г. компанией ENSCO совместно с железной дорогой Conrail, может идентифицировать возникающие проблемы, связанные с температурой, положением контроллера управления двигателем, токами тяговых двигателей, работой тормозного оборудования, а также выдавать сообщения о состоянии и сигналы тревоги. Система использует GPS для локализации «горя-

чих точек» и сообщает все данные в реальном времени. Информация доступна в любое время и может быть передана в главный стационарный компьютер.

Фирма I.D. Systems

Наиболее широко используемый на железных дорогах продукт корпорации I.D. Systems — это так называемый коммуникатор доступа, который автоматически собирает данные об использовании всего парка и регистрирует часы полезной работы каждой единицы подвижного состава для расчета общей эффективности ее эксплуатации. Он передает сведения о местоположении и состоянии единицы подвижного состава на графические дисплеи системы управления и контроля, а также записывает информацию о времени и стоимости работ по техническому обслуживанию и ремонту пути и подвижного состава, обеспечивая двустороннюю связь с персоналом. Используя местную радиоретрансляционную технологию, коммутатор доступа передает информацию о состоянии поезда на ведущий локомотив или вагон и может отслеживать такие параметры, как виляние тележек, давление масла и температура внутри вагона.

Фирма Triant Technologies

Система Vehicle Health Monitor, разработанная компанией Triant Technologies и внедренная, в частности, в системе городского рельсового транспорта облегченного типа Docklands в Великобритании, состоит из двух бортовых компьютеров. Компьютеры отслеживают температуру, состояние тормозного оборудования, работу аппаратуры сигнализации и связи, привода дверей с передачей данных по волоконно-оптическому кабелю, проложенному под кузовами всех вагонов вдоль поезда. Если один из компьютеров идентифицирует сбой в работе оборудования, он посылает соответствующий сигнал в главную бортовую операционную систему поезда и выводит информацию на жидкокристаллический дисплей в кабине управления.

Фирма GE Transportation Systems

Система Static Dragger, разработанная компанией GE Transportation Systems, служит для считывания маркеров системы автоматической идентификации подвижного состава АЕ1 и для подсчета числа осей, что необходимо для обнаружения возникающих неполадок в работе системы СЦБ по пути следования поезда. Компания также предлагает инфракрасные датчики для определения состояния подшипников, сигнализирующие о превышении предварительно заданной предельной температуры их нагрева. Кроме того, разработаны температурные детекторы «горячих» колес, которые обнаруживают недопустимый нагрев колес при заклинивании (неотпуске) тормозов, и «холодных» колес, которые сигнализируют о несрабатывании тормозов отдельных вагонов при следовании под уклон.

Фирма StarTrack LLC

Система HealthTrack компании StarTrack LLC работает в режиме двусторонней связи в реальном времени. Она предназначена в основном для грузовых вагонов, перевозящих грузы большой ценности. Для мониторинга состояния вагонов применяются датчики с микропроцессорным управлением. В системе HealthTrack используются ускорениемеры для измерения вибрационно-ударных нагрузок в различных диапазонах частот. Модули, установленные на вагоне, измеряют и регистрируют события и параметры, набор которых определяет сам клиент в каждом отдельном случае, так же как пороговые значения и периодичность выдачи сообщений. В числе параметров и событий могут быть измеряемые на сцепках силы в поезде, виляние тележек, износ колес, уровень топлива, грубое обращение с грузом и даже хищение.

В Открытом Акционерном Обществе «Российские железные дороги», в плане рассматриваемой тематики, разработаны единые комплексные диагностические системы.

Единый комплекс измерительных диагностических систем и технологических стендов позволяют в условиях депо диагностировать наличие дефектов и оценивать качество произведенного ремонта буксовых подшипников, колесных пар в сборе, колесных пар с редуктором, подшипниковых узлов генераторов, подшипниковых узлов тяговых двигателей, редукторов, колес-но-моторных блоков.

Состав комплексов:

• комплекс диагностики подшипников с цилиндрическими роликами;

• комплекс диагностики подшипников с коническими роликами;

• комплекс диагностики буксовых узлов колесных пар без редукторов и с редукторами;

• комплекс диагностики подшипников генераторов и тяговых двигателей;

• комплекс диагностики колесно-моторных (колесно-редукторных) блоков;

• комплекс диагностики узлов ходовой части вагона (под вагоном);

• комплекс диагностики узлов ходовой части локомотивов (под локомотивом);

• центр управления качеством ремонта.

Каждая из ключевых операций ремонта в соответствии со сформированным технологическим маршрутом заканчивается определением качества диагностируемого узла, что исключает попадание дефектных изделий на очередную операцию.

Результаты диагностики поступают в центр управления качеством ремонта, где они накапливаются в базе данных и анализируются специальными программами, реализующими различные статистические методы

управления качеством. Это позволяет корректировать технологический процесс при выявлении тенденций отклонения показателей качества от заданных величин.

Все измерительные системы информационно объединены сервером центра управления качеством ремонта. В базе данных сервера сохраняются и накапливаются данные об отремонтированных узлах и агрегатах, включающие их идентификационные номера, дату и результаты измерений, наличие и степень развития дефектов, фамилию, имя и отчество лица, проводившего измерения. В эту же базу после обработки полученных данных заносится коэффициент качества узла, автоматически рассчитанный по специальному алгоритму, учитывающему всю совокупность параметров полученных в результате измерений. Это позволяет комплектовать узлы и агрегаты ходовой части локомотивов и вагонов подшипниками, имеющими близкие коэффициенты качества, что гарантирует их равнонадёжность, максимальный коэффициент использования, предупреждает развитие опасных неисправностей и, как следствие, обеспечивает высокую техническую готовность.

Данный комплекс позволяет не только отбраковывать неисправные узлы, но и управлять качеством производимого ремонта по всей технологической цепочке от подшипника до колесной пары, генератора, двигателя и колесно-моторного блока, (рис.3)

Рисунок 3. Структурная схема взаимодействия диагностических систем

Эти разработки легли в основу создания динамического мониторинга, задачей которого является обнаружение негативных изменений ходовых частей локомотивов или вагонов, указывающих на возможность возникновения аварийных ситуаций. Из всех приведенных работ динамический мониторинг наиболее близко подходит к проблеме, решаемой в данном исследовании.

Процесс динамического мониторинга можно условно разделить на три этапа, (рис.4)

М/С 2

КМ

1-16 - порядковые номера подшипников одного пассажирского вагона

■Ш - область сравнительного анализа вибропараметров всех подшипников одного вагона;

- область адресной диагностики подшипника с вибропарамегрзмк, отличным и от параметров остальных подшипников исследуемой группы;

НИ ■ область глубокой диагностики выделенного подшипника с установлением вида дефекта и выработки управляющего решения.

Рис.4 Модель динамического мониторинга.

Первый этап характеризуется тем, что при непрерывном контроле определяющих параметров группы однотипных узлов, работающих в одинаковых условиях и снабженных индивидуальными номерами, строится статистическая модель. Браковочным признаком узла является отклонение его определяющего параметра в худшую сторону от общей статистики. Статистика может быть одномерной или многомерной. В последнем случае слежение за каждым определяющим параметром выполняется отдельной подсистемой.

Например, для буксовых узлов контролируемым определяющим параметром является вибрация. Таким образом, проблемный буксовый узел опреде-

ляется по резкому отличию его виброускорения от аналогичного параметра остальных узлов группы.

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

На третьем — определяется значение порогового параметра.

Такой алгоритм нахождения неисправного узла позволяет значительно сократить потоки обмена информацией между процессорными блоками, установленными на подвижных единицах (локомотив, вагон) и центральным процессором бортовой системы, (рис.5)

Рисунок 5. Бортовой компьютер 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.

Рассмотренные зарубежные и отечественные системы не решают основной проблемы безопасности - не определяют скорости развития деградационных процессов, включая, зачастую их лавинный характер. Поэтому в данной работе необходимо выстроить такую методологию, заложенную на принципах углубленного декодирования поступающей информации, что позволит осуществить при движении локомотива достоверную диагностику технического состояния ходовых частей локомотивов. При этом дифференцированно должны найти отображение зарождающиеся, выявленные и аварийно-опасные дефекты и определение остаточного ресурса - основы модернизации эксплуатационной работы и как параметра, закладываемого в принцип управления безопасности движения.

Глава 2. Проблемы вибродиагностики и построение принципов определения остаточного ресурса.

Виброакустическая диагностика, являясь разделом технической диагностики, есть отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы организации процессов распознавания технических состояний машин и механизмов по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале.

Вибродиагностика - это одна из относительно новых отраслей науки, основанная на предположении, что любой объект (технический, биологический и т. д.) может быть представлен в виде колебательной системы и спектра вибросигнала, стимулированного либо тестом, либо функциональными возмущениями, содержащих информацию о техническом состоянии, дефектах и качестве объекта. Способ извлечения и расшифровки этой информации составляют основную задачу диагностики, которая в последнее врямя решается в с помощью вычислительной техники. Различают функциональную и тестовую диагностику. Под функциональной диагностикой чаще всего подразумевают виброакустическую диагностику, а под тестовой - определение технического состояния с помощью искусственно создаваемой вибрации.

Методы вибродиагностики направлены на обнаружение и идентификацию таких неисправностей агрегата, которые оказывают влияние на его вибрацию: дефектов роторов, опорной системы и узлов статора и т.д., испытывающих либо генерирующих динамические нагрузки. Сначала использовались методы и средства контроля различных параметров, затем мониторинга, и, на последнем этапе, системы диагностики и прогноза технического состояния. Внедрение каждого последующего вида систем дает пользователю новые возможности для перехода на обслуживание машин и оборудования по фактическому состоянию. [ 1 ]

Основными целями вибродиагностики являются:

• сокращение расходов на обслуживание;

• предупреждение развития дефектов агрегата и сокращение затрат на его восстановление;

• улучшение качества обслуживания;

• увеличение срока службы механизма.

Задачами вибродиагностики являются:

• разделение множества возможных технических состояний агрегата на два подмножества: исправных и не исправных;

• постановка диагноза, состоящего в определении характера и локализации одного или группы дефектов, соответствующих вибрационному состоянию агрегата;

• возможное обнаружение дефекта на ранней стадии и прогнозирование его развития во времени.

На основании диагноза определяется оптимальный режим эксплуатации агрегата в условиях возникшей неисправности и технология устранения дефекта и восстановления работоспособности агрегата. Чем надежней и конкретней диагноз, тем ниже затраты, связанные с восстановлением агрегата.

Методы преобразования исходных вибросигналов в элементах измерительного канала определяют оптимальные параметры устройств для различных видов вибросигналов.

Машина, элементы которой совершают вращательное движение, генерирует механические колебания сложной формы. Причинами этих колебаний являются физические взаимодействия элементов, связанные с разбалансом, люфтом, изгибом валом, несоосностыо, дефектами элементов машины и др. Эти сложные колебания несут большой объем информации о динамических явлениях происходящих в работающей машине и могут быть зарегистрированы на корпусных деталях машины как вибрации. Среди всего объема содержащейся в этих колебаниях информации необходимо выделить ту, которая позволяет идентифицировать дефекты элементов машин и развитие этих дефектов.

При проведении последующего анализа полученного вибросигнала, сигнал представляется в частотной и временной областях. Временной анализ сигнала позволяет судить об изменении сигнала во времени, анализировать изме-

нение амплитуды, а также увеличение влияния высших гармоник сигнала. Анализ в частотной области позволяет позволяет проводить спектральный анализ, дающий возможность выявить влияние отдельных частотных составляющих на результирующий сигнал. Например, на представленном ниже рисунке 6 видно, как развивается дефект подшипника, при его мониторинге в частотной области (путем анализа спектра):

10 8 6 4

2 п

П

Рисунок 6. Спектры вибрации при развитии дефекта подшипника качения

На первой стадии развития дефекта в спектре, наряду с первыми, механическими, гармониками оборотной частоты вращения ротора, появляется пик на характерной частоте дефекта того или иного элемента подшипника. На этой стадии характерная гармоника уже хорошо видна на спектре и позволяет достаточно точно выявлять дефектный элемент.

Дальнейшее развитие дефекта приводит к появлению гармоник от характерной подшипниковой частоты. Обычно появляются гармоники с номером два и три от основной частоты подшипникового дефекта. Рядом с каждой такой гармоникой слева и справа тоже будут иметь место боковые частоты, число пар которых может быть достаточно большим. Чем более развит дефект, тем больше боковых гармоник и у гармоник частоты дефекта. Износ подшипника с таким спектром уже очевиден и может простираться почти по всей рабочей поверхности подшипника, он уже стал групповым, захватив несколько элементов под-

шипника. Подшипник нуждается в замене или к такой процедуре нужно интенсивно готовиться.

Это последняя стадия развития дефектов подшипника. Затраты на трение велики и вращение ротора затруднено. Износ подшипника достигает такой стадии, когда характерная частота дефекта из - за износа становится нестабильной, такая же участь постигает боковые гармоники. Наложение многих семейств гармоник, каждое из которых состоит из основной частоты и боковых гармоник, создает достаточно сложную картину. Если в этих семействах основные гармоники различаются по частоте немного, то сумма всех частот представляет из себя общее поднятие спектра, "энергетический горб", захватывающий такой диапазон частот, куда входят все гармоники всех семейств от всех уже существующих дефектов подшипника качения.

Для представления сигналов в частотной и временной областях используется преобразование Фурье, являющееся математической основой, которая связывает временной или пространственный сигнал (или же некоторую модель этого сигнала) с его представлением в частотной области. [ 2 ]

Значения информативных параметров вибросигнала можно оценить на основе представления сложных колебаний в виде суммы более простых составляющих. Вибросигнал можно представить в виде 3-х составляющих: флуктуа-ционной составляющей, импульсной составляющей, а также случайной составляющей в виде шумов.

Флуктуационная составляющая характеризуется непрерывностью и относительной плавностью своего изменения. Причиной ее возникновения являются динамические процессы, время развития которых соизмеримо со временем цикла механизма и которые протекают на низких частотах, близких к собственным частотам его вращения. Эти явления обусловлены небалансом, несоосностыо, ослаблением механических связей конструкции, изгибом вала, волнистостью тел качения, неравномерным абразивным износом. Несмотря на то, что каждая

из этих причин порождает, как правило, периодическую компоненту в сумме они формируют сложное квазислучайное колебание.

Флуктуационную составляющую можно представить в следующем виде:

ш п

где Ау - амплитуда виброускорения ]-й гармоники ¡-й компоненты флук-туационной составляющей;

©(О

- функция, описывающая изменение флуктуационной составляющей виброускорения во времени, представленное в виде ряда Фурье; °яц - частоты соотвествующих гармоник;

- фазовый сдвиг соотвествующих гармоник.

В частотной области, путем использования НВПФ, получим:

00 т и

9(0 = | ZZ А, у,) езрН2пЛ)Л

-001=0 л=0

Данная составляющая позволяет идентифицировать развитые и аврийно-опасные дефекты ходовых частей локомотивов.

График флуктуационной и случайной составляющей сигнала представлен на рисунке 7:

Рис.7. Флуктуационная составляющая сигнала

Импульсная составляющая вибросигнала характеризуется высокой скоростью нарастания, малой длительностью импульсов. Причиной импульсной составляющей являются ударные динамические явления, связанные с локальными дефектами на рабочих поверхностях элементов машины - беговых дорожках и телах качения подшипников, поверхностях соприкосновения зубьев шесте-рен.(рис. 8)

Спектр короткого импульса очень широкий. Т.е. энергия сигнала распределена по всему частотному диапазону, а не сосредоточена на нескольких отдельных частотах. Это характерно для недетерминированных сигналов, таких как случайный шум и переходные процессы.

Учитывая то, что спектр дельта-функции (представляющей собой импульс бесконечно малой длительности) равен бесконечности, можно математически представить ударный импульс в виде дельта-функции. Импульсная составляющая на практике чаще всего описывается с помощью дельта-функции.

Единичная импульсная функция (дельта функция) может рассматриваться как некоторый входной сигнал нулевой ширины и бесконечной высоты:

Рис.8 - Вид сигнала с ударными импульсами

5(0 =

ад пргП = О, О прп1 Ф О,

на конечной площади

£ад(и=1

Используя таблицу ключевых свойств и функций, реализуемых преобразованием Фурье, можно получить математическое описание дельта-функции в частотной области.

Если импульс повторяется с постоянной частотой, то результирующий спектр будет уже не непрерывным, а состоящим из гармоник частоты повторения импульса, а его огибающая будет совпадать с формой спектра единичного импульса. Подобные сигналы производят, например, подшипники с дефектами (выбоины, царапины и т.п.) на одном из колец. Эти импульсы могут быть очень узкими, причем они всегда вызывают появление большой серии гармоник.

Данная составляющая позволяет идентифицировать зарождающиеся дефекты.

Таким образом, все составляющие вибросиганала описываются математическими формулами, что дает возможность проводить анализ вибросигиала при помощи различных методов.

Глава 3. Экспериментальная система вибродиагностики КМБ с определением остаточного ресурса.

Экспериментальная система показана на рисунке 9.

^^ - логическое развсшлсннс | | - блок системы : - может бьпь выполнен отдельным блоком

Рис.9

Датчики вибросигнала обеспечивают измерение ускорений в местах расположения: на буксовых и якорных подшипниках КМБ и на раме локомотива.

Датчики температуры обеспечивают измерение температур в теле букс локомотива. Датчики температуры ТД-1 состоят из полупроводникового термочувствительного элемента, нормирующего усилителя и схемы согласования, размещенных в едином корпусе. Корпус имеет выходной разъем и выполнен в виде болта, аналогичного штатному болту крышки буксы и устанавливаемого на место штатного.

Датчик скорости располагается в одной из букс локомотива и используется для измерения оборотной частоты колесной пары (с последующим пересчетом для остальных колесных пар).

Сигналы датчиков через кабели связи и коммутационные коробки подаются в регистратор, расположенный в кабине локомотива.

Регистратор обеспечивает синхронное считывание, преобразование и нормализацию сигналов. Синхронный регистратор МРВ-32К содержит вторичный преобразователь напряжения, платы контроллера, аналого-цифрового преобразователя, цифровых фильтров и схем сопряжения. Через USB кабель регистратор соединяется с ПЭВМ.

Конструктивное исполнение ПК позволяет его использовать практически в любых бортовых условиях, - он имеет пылевлагозащищенное исполнение, экран высокой яркости, устойчив к вибрациям и широкому диапазону температур окружающей среды.

ПК с программой IDS обеспечивает:

- анализ сигналов и диагностику узлов локомотива в соответствии с исходными данными узлов (типы подшипников, допуски на параметры, режим измерения, правила обработки сигналов и т.п.):

- для механических характеристик подшипников и их частей - на основе статистики, ГОСТ3189 и принятых пороговых значений качества.

- для температурных режимов букс - отклонение температуры буксы от средней и скорость ее изменения.

ПЭВМ с помощью программы IDS управляет работой регистратора, формирует начальные установки системы, проводит преобразование и анализ сигналов, ведет архив событий и сигналов, формирует файлы отчетности и диагностики, осуществляет индикацию работы системы и показывает результаты диагностики узлов локомотива в реальном времени на экране монитора. В зависимости от

ситуации и квалификации (доступа) пользователя результаты диагностики могут быть детализированы до необходимой степени. Программа позволяет оперативно корректировать условия измерения и диагностики по результатам статистики или в случае изменения параметров составляющих узлов.

Основные технические характеристики и составляющие экспериментальной системы приведены в табл. 1, 2

Таблица 1. Состав системы

Наименование Количество на 1 Приме-

аппаратуры Обозначение секцию локомотива чание

Синхронный МРВ-32К 1

регистратор

Персональная ЭВМ i 104С2 Tablet PC 1

Датчик скорости ДПС-У 1

Датчик ускорения ВК310А 18

Датчик температуры тд-1 8

Таблица 2. Основные характеристики системы

Наименование характеристики Значение

Количество контролируемых каналов 32

Диапазон контролируемых вибраций, Гц 3 + 10000

Диапазон контролируемых ускорений, м/сек2 0.05 - 400

Диапазон контролируемых температур, иС -40+150

Скорость движения локомотива, км/час 20- 180

Напряжение электропитания 220 В,50Гц (38-70 В пост. С преобразованием )

За объект исследования были приняты КМБ электровоза ВЛ-80. Марки и характеристики подшипников приведены в таб.3.

Таблица 3.Конструктивные и частотные свойства подшипников

Геометрические разме- Относительные частоты

ры подшипника(мм) элементов

Место установ- Марка под- (хБ обороти.,Гц)

ки шипника 0 N Р ВРБО ВРИ ВЗБ га3

внут. наруж. гел гел Уго (нар. (внут. (тела (се-

кач. кач. л обк. Обойма) Обойма) качения) пар.)

Букса 3042536ЛМ 180 320 18 34 0 7.776 10.224 3.608 0.432

Якорь двигате- НО-42ЭЗОЛ1М 150 320 14 42 0 5.749 8.251 2.708 0.411

ля

Подшипники характеризуются геометрическими (диаметры наружной и внутренней обоймы, количество и диаметр тел качения, угол обкатки для конических подшипников) и частотными характеристиками ( основными характерными частотами в спектре огибающей вибросигнала при дефектах в узле подшипника).

Для крепления датчиков была разработана специальная оснастка, позволяющая жестко закрепить вибродатчики датчики в теле корпуса подшипников вблизи вертикальных осей, а датчики температуры - в теле корпуса буксы.

Схемы размещения датчиков приведены на рис. 10.

Б1

-Ф

Я1

Я2

■о----

Б2

(Кабина)

Рис.10. Размещение датчиков на электровозе

Исследовательская система регистрации вибросигналов состоит из: Синхронного восьмиканального регистратора сигналов. Персонального компьютера (ПК). Комплекта вибродатчиков. Лазерного регистратора оборотов колеса. Программного обеспечения ПО "Атлант". Синхронный регистратор включает:

- плату синхронного многоканального быстродействующего АЦП;

- программно-перестраиваемые входные фильтры низких частот;

- плату управления фильтрами и питанием;

- блок питания активных фильтров.

Персональный компьютер включает в себя ноутбук ЮМ -1834 с пылезащи-той. Время автономной работы - до 2 часов. Базовая версия программы занимает в памяти примерно 20 Мб, а единичный замер по В каналам - около 200 Кб.

Лазерный регистратор оборотов предназначен для синхронизации замеров, измерения скорости вращения колеса для обработки результатов, расчета характеристик подшипников. Отметчик содержит излучатель и приемник излучения, отражающегося от специальной пленки, устанавливаемой на ободе колеса. Таким образом, отметчик весьма чувствителен к помехам окружающей среды (пыль, грязь, лед и т.д.). Отметчик подключается к одному из каналов регистратора.

Комплект программного обеспечения включает базовый модуль "Атлант", специализированный модуль "Ариадна" и диагностический процессор.

Базовый модуль "Атлант" предназначен для :

1) Синхронной регистрации, спектральной обработки и графического анализа сигналов с различных датчиков, имеющих выход по напряжению. Количество синхронно регистрируемых сигналов может изменяться пользователем (в пределах возможности синхронного регистратора) при работе с прибором в произвольной конфигурации.

2) Решения практических проблем оперативной вибродиагностики состояния оборудования «на месте измерения и регистрации» при помощи встроенных в компьютер экспертных систем, поиска дефектов различных механизмов и конструкций.

3) Создания и «ведения» баз данных по зарегистрированным сигналам, сосредоточенным в специальных директориях программы, соответствующих конкретным станциям ( цехам ) и агрегатам. При помощи этой базы данных можно контролировать техническое состояние оборудования, выявлять тенденции изменения.

4) Изменнения конфигурации исследуемых узлов, основных параметры регистрации сигналов:

- тип и частотный диапазон применяемых датчиков;

- количество каналов регистрации и "раскладку" датчиков по каналам;

- частоту синхронного опроса датчиков;

- длительность непрерывной регистрации сигналов.

5) Регистрирования с датчиков информации, для визуального контроля и анализа.

6) Дополнительной обработки исходных вибросигналов.

7) Контроля изменения параметров при пуске и выбеге оборудования практически на любом интервале времени.

5) Определения критических резонансных частот оборудования;

6) Учета влияния режимов работы оборудования.

7) Устранения тепловых расцентровок.

Специализированный модуль "Ариадна"

Экспертная система "Ариадна" предназначена для ранней диагностики состояния подшипников качения по пик - фактору временного сигнала, по спектру исходного сигнала и спектру огибающей вибросигнала.

В отличии от существующих систем диагностики дефектов подшипников качения предлагаемая программа "Ариадна":

• Работает с минимальным количеством технических средств для регистрации и обработки временных сигналов, не требует наличия встроенных или внешних аналоговых третьоктавного ( октавного, пол октавного ) фильтра и детектора огибающей. Все эти функции в системе "Ариадна" реализованы на программном уровне.

• В экспертной системе "Ариадна" можно легко перенастроить пороги "сильных дефектов" на основании информации по параметрам подшип-

ника, рабочей частоты вращения и места установки регистрирующего вибродатчика.

• Система использует в диагностике состояния подшипника качения одновременно три метода диагностики - по "пик - фактору" временного сигнала, по исходному спектру вибросигнала и по спектру огибающей вибросигнала, что значительно повышает достоверность диагноза и позволяет диагностировать до 15 различных дефектов состояния и монтажа подшипника.

Основные модули экспертной системы "Ариадна".

• Обработчик вибросигналов.

• При помощи этого достаточно сложного алгоритма программы "Ариадна" производится обработка и преобразование вибросигналов. Последовательность работы этого алгоритма примерно следующая.

• Для работы программы используются исходные временные сигналы с вибродатчиков в размерности виброускорения. Далее расчет и поиск дефектов идет по трем направлениям:

- Сигнал с вибродатчиков фильтруется, детектируется, обрабатывается стандартной процедурой БПФ. По спектру огибающей идет диагностика дефектов, в основном относящаяся к износу тел и поверхностей качения и более развитых дефектов - трещин и сколов на поверхностях качения.

- Сигнал интегрируется, обрабатывается процедурой БПФ. По спектру виброскорости сигнала идет диагностика дефектов монтажа подшипника и, в меньшей степени, диагностика дефектов поверхностей качения.

- По исходному временному сигналу идет диагностика модальных параметров процессов, возникающих при ударах в подшипниках. Здесь же идет расчет пик - фактора временного вибросигнала. Эта информация является уточняющей.

В обработчике вибросигналов используются только цифровые методы преобразования и анализа. Это позволяет значительно упростить аналоговую

часть приборов регистрации вибросигналов и повысить оперативность проведения диагностических работ при диагностике состояния подшипников качения.

Диагностический процессор.

Диагностический процессор - это основной, центральный алгоритм системы "Ариадна", его экспертная часть. При помощи диагностического процессора производится непосредственная диагностика подшипников качения.

Для удобства работы, возможности проведения дальнейшего анализа, все диагностируемые системой дефекты подшипников, в зависимости от степени их влияния на состояние агрегата и будущую стратегию проведения ремонтов и замен, в диагностическом процессоре системы "Ариадна" разделены на пять уровней:

- Общие проблемы некорректного монтажа подшипника в механизме. Это, чаще всего, перекос наружного кольца при установке, неоднородный радиальный натяг подшипника, проскальзывание кольца в посадочном месте, ослабление крепления корпуса подшипника, задевания в подшипнике и в уплотнениях.

- Проблемы обслуживания подшипников в процессе работы в механизмах. Чаще всего это проблемы застывания смазки.

- Проблемы износа элементов подшипника в процессе работы. Наиболее часто встречаются увеличенные зазоры в подшипнике из - за общего износа, частичный износ поверхностей тел качения и сепаратора, износ поверхности внутреннего кольца, дефект группы поверхностей трения и т. Д.

- Дефекты состояния подшипника, имеющие локальное расположение и являющиеся результатом ударов и внутренних дефектов материалов подшипников. К этой группе дефектов обычно относят раковины и трещины на наружном и внутреннем кольце, раковины и сколы на телах качения.

- Наведенные проблемы. В эту группу относятся такие дефекты механизма (не подшипника !), которые приводят к повышению вибрации на подшипнике и

которые, при недостаточно тщательном диагностировании, могут быть ошибочно приняты за дефекты подшипников. К этим дефектам чаще всего можно отнести обкатывание наружного кольца за счет небаланса или других причин. При выявлении таких дефектов не нужно менять подшипник, необходимо устранять первичную причину повышенной вибрации.

Такое разделение причин повышенной вибрации на пять групп дает возможность дифференцировать на каждом подшипнике "собственные" и "наведенные" вибрации, оценивать вклад в общую вибрацию от причин разного уровня, правильно рассчитывать остаточный ресурс подшипников. При запуске этого алгоритма производится автоматическое диагностирование состояния подшипника.

База данных по подшипникам.

Наличие большой базы данных по подшипникам, допускающей ее оперативное расширение и дополнение - обязательное условие для работы экспертных систем ранней диагностики подшипников. В программе "Ариадна" используется обобщенная база данных, созданная по информации нескольких фирм. Пользователь программы также имеет возможность корректировать и дополнять ее.

Только в базе данных хранится вся необходимая информация по характерным подшипниковым частотам, знание которых позволяет проводить диагностику.

В процессе работы система "Атлант" позволяет автоматически проводить замеры в заданных последовательности, интервале времени и скважности, режиме измерения, типа измеряемой величины, однако вход в режим диагностики на основании полученных замеров с помощью модуля "Ариадна" осуществляется вручную.

Испытания системы проводились на электровозе при скорости 25 км/час. На рисунке 11 приведен вид окна со списком замеров

ЕЗлиап! (Рабсма с лрхн

>48 Файл Окна Поношь

9 Ресурс питания О X I

: . I ФиМ д.--. к.за!

I ■ -"'I ' -1 •_! Ь I «1 .ч [и.| .. :

¿8 а > | 88 ■ 1 н

кмв

Зомер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер Замер

от 02 06 2006 е от 02 06 2006 а от 02 06.2006 в от 02 06 2006 е от 02 06.2006 е от 02 06 2006 е от 02 06.2006 в от 02.06.2006 в от 02.06.2006 е от 02 06 2006 В от 02 06 2006 в от 02 06 2006 в от 02 06 2006 в от 03 06.2006 в от 03 06 2006 в от 03 06.2006 в от 03 06 2006 в от 03.06 2006 в

1+12:28 N4 4:17:26 N>2 1+1?:« N'3 1+18 09 N4 1+19.28 N>5 1+19« N>6 1+20:04 N-7 1+20 39 N<8 1+21:01 N>9 14:21:53 N40 14:22:14 N41 14:22:34 N42 14:22:54 N43 11:33:27 N4 4 11:34 01 N45 11.34:24 №16 11:34.45 N47 11:3616 N48

I

Рис. 11. Вид окна программы со списком замеров На рисунках 12 и 13 даны виды программ с сигналами замеров

А! » п. Т Л

«в

Рис.12. Вид окна программы с сигналами замера (негодный подшипник)

Рис.13. Вид окна программы с сигналами замера (годный подшипник)

Исходя из проведенных исследований разработаны требования к комплексу для диагностики на ходу колесно-моторных блоков локомотива:

1. Измерения и анализ (диагностика) характеристик должны производиться системой автоматически и в едином цикле, с выводом обобщенных результатов пользователю в наглядном виде..

2. Система должна быть дополнена вибродатчиками общей вибрации для программного учета посторонних факторов при диагностике подшипника. При этом динамический и частотный диапазоны датчиков должны быть расширены до необходимых эксплуатационных значений ускорений при движении (на основании предыдущих замеров).

3. Должны быть скорректированы параметры цифровых фильтров, условий проведения замеров и алгоритмов обработки сигналов. Необходимо ввести алгоритм анализа состояния зубчатой передачи КМБ.

4. Ввести в систему датчики температуры букс для интегральной оценки состояния узла.

5. Расширить систему до 32 каналов, что позволит полностью охватить КМБ одной секции электровоза.

6. Заменить лазерный отметчик оборотов индуктивным или оптоэлектрон-ным вариантом.

7. Определять остаточный ресурс.

Глава 4. Разработка автоматической системы диагностики КМБ при движении локомотива с определением остаточного ресурса.

В соответствии с выработанным в главе 3 техническим заданием разработана автоматическая бортовая система диагностики КМБ локомотива в движении (СДКМБ).

Структурная схема системы приведена на рис.14.

Шеи № 20

иотш /-\

¡ими \ /

-т №

(Сеть э/еит^обом £

мш тшиаи-а

штю/еюшш-м

ШпИШИМ

Шт кишим

%&» щштюв КС Ш Ю1ШШт 1115 8

Дгофмиу кащащ Агмц*щ йр^ВМГ

т Ш№ №101 №Ш (Н ПН №ХК

Цтгяяаа 10фШ1 ЛС-Г

Рис.14. Структурная схема СДКМБ (указан 1 КМБ). Система состоит из датчиков, регистратора и ЭВМ.

Для эффективного решения поставленных задач вибродиагностики используются аппаратные средства, имеющие различную структуру и включающие разнообразные функциональные модули.

С развитием вычислительной техники все больше задач специальной обработки ложится на средства цифровой обработки. Такие системы более просты в настройке, более стабильны во времени и проще модернизируются. Причем, эта модернизация касается прежде всего методов и алгоритмов цифровой обработки исходного сигнала. Принципиальная возможность и эффективность использования новых и традиционных методов обработки вибросигналов во многом определяется параметрами и ограничениями неизменяемой аналоговой части системы.

Рассмотрим структуру подобной системы (рис.15):

Рис.15 - Функциональная схема системы виброакустической диагностики где

■ Д - датчик;

БПО - блок предварительной обработки;

УЗ - усилитель заряда;

ФНЧ - фильтр нижних частот;

■ БК - блок компараторов;

У - масштабирующий усилитель;

МБ - микропроцессорный блок;

УВХУ АЦП - устройство выборки-хранения/ аналогово цифровой преобразователь;

> МК - микроконтроллер;

■ ОЗУ - оперативно запоминающее устройство;

БКИ - блок клавиатуры/ индикации.

Механические колебания, генерируемые узлами механизмов распространяются по элементам машин и могут быть зарегистрированы на их поверхности. Для этого используются различные датчики (емкостные, индукционные, рези-стивные, электромагнитные) [3]. Но в последнее время наибольшее распространение получили пьезоэлектрические датчики. Это связано с тем, что пьезодат-чики имеют высокую точность измерения и чувствительность, обладают высокой стойкостью и в то же время имеют миниатюрные габариты и массу.

Для измерения вибраций обычно используется разновидность пьезодатчи-ков - пьезоакселерометры. Частотная характеристика акселерометра приведена на рисунке 16: I

-4м»»« 1м пред» л (опр« а« л а«тс я парше-рыли пзед»силителя ч уггтиями гкслдуатиц-м)

верхшй гредел определяется гмрлмктрыипг дкгплттмптр* и усгоьияш эксплуатируй)

/

Эффектно г* |й риапалои

А

ч

Рис. 16 - Частотная характеристика акселерометра Пик характеристики соответствует частотному резонансу датчика. Ниже границ предела эффективного диапазона - низкая чувствительность и неравномерность характеристики. Выше - неравномерность характеристики и нестабильность параметров. Эффективный диапазон выбирается на центральном участке, имеющем равномерную характеристику и обуславливает стабильную ра-

боту датчика в необходимом частотном диапазоне. При монтаже датчика на объекте эффективный диапазон уменьшается в несколько раз и подъем характеристики, соотвествующий уменьшению точности работы датчика, сдвигается на более низкие частоты, поэтому при выборе датчика необходимо учитывать эту особенность характеристики.

Общепринятый подход состоит в том, что для обеспечения заданного частотного диапазона, а также погрешности преобразования около 1% необходимо чтобы резонансная частота датчика была как минимум в 2 раза выше верхнего предела рассматриваемого диапазона частот.

Сигнал пьезоэлектрического датчика - акселерометра (Д) в виде электрического заряда, пропорционального виброускорению входного сигнала, поступает на вход усилителя заряда (УЗ), который осуществляет преобразование заряда в пропорциональную величину напряжения.

Сое

Рис. 17 - Эквивалентная схема усилителя заряда

В общем случае УЗ представляет собой операционный усилитель, охваченный емкостной обратной связью (рис. 17) [ 4 ]. Кроме того, при подключении УЗ к первичному преобразователю, вырабатывающему заряд, ко входу усилителя подключаются также: емкости соединительного кабеля, первичного преобразователя (датчика), паразитная входная емкость. Амплитуда входного сигнала изменяется в широком диапазоне, поэтому необходимы средства подстройки параметров измерительного канала.

Коэффициент усиления УЗ автоматически регулируется микроконтроллером (МК) таким образом, чтобы обеспечить необходимый динамический диапазон, не допуская при этом перегрузки по входному каналу.

Рис. 18,а - Неполное использование динамического диапазона канала

шение динамического диапазона, которое приводит к искажению формы сигнала

Рис. 18,в - Полное использование динамического диапазона, сигнал передается без искажений

Неполное использование динамического диапазона (рис. 18,а) приводит к увеличению влияния помех измерительного канала на результаты и неизбежное увеличение погрешности при последующем преобразовании сигнала в цифровую форму. Превышение сигналом динамического диапазона (рис. 18,6) приводит к искажению формы сигнала и потерям информации. По сути, с помощью коэффициента усиления входной сигнал нормируется так, чтобы занимать весь динамический диапазон измерительного канала и при этом сохранять исходную форму сигнала (рис. 18,в).

Если сигнал с выхода УЗ выходит за заданный диапазон, то блок компараторов (БК) сигнализирует об этом МК и он снижает коэффициент усиления УЗ до тех пор пока сигнал не будет обеспечивать полное заполнение тракта передачи. Блок компараторов представляет собой 2 компаратора, контролирующих отрицательный и положительный уровень сигнала, выходы которых подаются на Я8-триггеры.

Функциональная схема БК приведена на рис.19:

+и -и

МК

Рис.19 - Функциональная схема блока компараторов

где

. К - компаратор;

• ЯБ - ЯЗ-триггер;

• МК - микроконтроллер.

Отмасштабированный таким образом выходной сигнал УЗ поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ), где фильтруется с целью подавления составляющих, лежащих выше необходимого диапазона частот. Этот диапазон определяется, прежде всего, информативной составляющей сигнала, которая представляет интерес для дальнейшего анализа. Коэффициент усиления данного фильтра обычно стараются привести к 1-це. Выбор и расчет ФНЧ осуществляется исходя из поставленных требований к параметрам фильтрации, точности фильтра, коэффициенту усиления и др.

Параметры, которые характеризуют фильтр, и которые необходимо контролировать при анализе:

- монотонность АЧХ (обеспечивает корректное, без пульсаций, воспроизведение сигнала в полосе пропускания фультра);

- линейность ФЧХ;

- коэффициент усиления ФНЧ: К (усиление амплитуды сигнала);

- частота среза: Гс (максимальная частота, на которой фильтр пропускает сигнал без искажений, определяется затуханием аО;

- частота окончания переходной области: Г) (частота, в которой аплитуда сигнала ниже некоторой заданной амплитуды, кот. определяется допустимым затуханием в данной полосе частот - аг);

- максимальное затухание в полосе пропускания: аь

- затухание в переходной области: а?.

Для диапазона низких частот характеристика фильтра Баттерворта наилучшим образом аппроксимирует идеальную характеристику. Хотя для частот, расположенным около точки среза и в полосе задерживания, характеристика фильтра Баттерворта заметно уступает характеристике фильтра Чебышева, имеющего немонотонную характеристику в полосе пропускания, однако ФЧХ первого лучше (более близка к линейной), чем у фильтров Чебышева, инверсных Чебышева и эллиптических сравнимого порядка. В качестве схемы реализации ФНЧ можно выбрать широко распространенную схему фильтра на ИНУН (рис.20) (источник напряжения, управляемый напряжением), реализующая не-инвертирующий (положительный коэффициент) усиления. Фильтр на ИНУН позволяет добиться неинвертирующего коэффициента усиления при минимальном числе элементов. Он обладает низким полным входным сопротивлением, небольшим разбросом значений элементов и возможностью получения относительно высоких значений коэффициента усиления. Кроме того, этот фильтр относительно прост в настройке. [ 5 ]

С2

ивх о—

т

-СЗ-

сл

И

X

ивы* -о

Рис. 20 - Фильтр на ИНУН второго порядка Ослабленный после ФНЧ сигнал поступает на усилитель (У), который используется для усиления сигнала до полной загрузки динамического диапазона канала и уменьшения ошибки относительно квантования по уровню в АЦП. Ко-

эффициент усиления усилителя устанавливается программно при помощи МК. Контроль выхода сигнала У за заданные пределы также контролируется БК, аналогично УЗ.

С выхода усилителя сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Для фиксации входного сигнала на время преобразования АЦП используется устройство выборки/ хранения. Оно запоминает текущую величину аналогового сигнала и держит его на выходе, пока АЦП не выдаст двоичный код (результат преобразования). С МК подается сигнал начала преобразования, а по окончании преобразования АЦП выдает сигнал о том, что выходной код готов и МК может его считывать. Большинство современных АЦП имеют встроенные УВХ.

Согласно теореме Котельникова частота дискретизации сигнала должна быть в 2 раза выше частоты самого сигнала. Поэтому, при выборе АЦП необходимо учитывать его быстродействие. Разрядность кода АЦП соответствует полному диапазону аналогового сигнала и определяет разрешающую способность кода. АЦП принципиально свойственна методическая погрешность, обусловленная заменой непрерывного аналогового сигнала дискретным сигналом. Величина погрешности, вносимой АЦП равняется:

5 АЦП = 100%/211

Клавиатура дает возможность управлять ходом анализа и получения исходных данных, а дисплей позволяет пользователю получать сообщения о параметрах записанного вибросигнала и другую информацию.

Реализуя вышерассмотренные программно-аппаратные решения, модель определения остаточного ресурса имеет фазы приработки Бприр., установившегося режима Б уст. и при достижении нормативного порога, если он меньше предельного (А ресурса), определяется остаточный ресурс Б ресурса, (рис.2])

а, м

ресурса

S, м

Рис. 21. Модель определения остаточного ресурса. Работа программы IDS.

а) После загрузки компьютера и автоматической загрузки программы IDS: (примерно 3-4 минуты) на экране отобразится главное окно программы со "светофорным" индикатором состояния контролируемых узлов электровоза (Рис.22):

♦Г Мониторинг (Клиент)

Сервис

Инструментарий Просмотр сигналов

Просмотр архива

Просмотр архива сиг.

Просмотр

Структура

Оржд

в оша

ЕВ- Q Электровоз

Рис.22. Главное окно программы IDS.

б) Примерно через 4-6 сек после появления главного окна программы и начала движения (скорость не менее 20 км/час) цвет светофора из серого станет цветным:

Черный цвет говорит о невозможности расчета параметра (отсутствие подключения), серый - неопределенность состояния (отсутствие сигнала в цикле), зеленый - норма, желтый - тревожное состояние, красный - аварийное.

в) При зеленом цвете светофора возможна эксплуатация электровоза без ограничений.

г) При появлении желтого или красного сигнала программа автоматически раскрывает "дерево" электровоза до поврежденного узла и соответствующего параметра (Рис.23.)

Действия локомотивной бригады при выявлении дефектного узла регламентируются принятыми в установленном порядке ведомственными инструкциями.

д) В процессе движения контролируемые параметры оцифровываются в абсолютных (температура, обороты) или в

относительных (в процентах) единицах и локомотивная бригада при необходимости может вручную раскрыть дерево до нужной точки для ознакомления с действующими текущими результатами диагностики конкретного узла, е) По прибытии электровоза в депо специалисты депо или специализированного подразделения РЖД могут ознакомиться с архивами событий и сигналов в соответствии с руководством пользователя программы IDS.

• Г М0НИ10|1ИИ1 (K lHCIIl)

Сервис

Инструмент*»«

Просмотрснгнйл:

Просмслр ер»«*

Просмотр арчир* сиг

Просмотр

Структур* ' ^ Т*л*к*ч*нмя

в О ржд

ё Cj Электровоз

® (J ШЕ 1

В Q кмб г

!+; Q Поцшю**

Ш о Паашшнж Я1 ф Q П«шм1иик. Я2 '\/ Фон

Q) Upo*©»«> »иброскорости ( ^ Обсраты

( ) У рое«* *ибр*ш»< в полос* 50-300 Гц ( ) UpoMt* *ибр*ш« ■ полос* 300-1600 Гц < ) Ыро***»вибр*ции в полос* 1800-10000 Гц i у Зн*чени* эксцесс* Q внешняя обойм* ! ) Внутренняя обсйм*

JJJU2

Q) Cenaр*тлр

С»си*л ускорения Обороты Сигнел If: Q Лшхп« Б2 ф о ЗП1

т О ЗП2

О *мс 3

ffi Q КМЕ 4

Рис.23. Раскрытие "Дерева" электровоза

Длительные ходовые испытания автоматической системы проводились на Горьковской железной дороге.

Испытания оформлялись составлением программно-формулируемых отчетов и видов окон программы с результатами диагностики.(рис.24, 25, 26, 27)

Заключение

о состоянии подшипника марки 3042536ЛМ Статья: РВД Цех: МЭП Агрегат электровоз Точка: 1 по замеру от 20 05.06 16:17.37

Выявленные дефекты

Дефекты Уровень дефекта, о е

Перекос внешней обоймы при посадке 0.00

Неоднородный радиальный натяг подшипника ООО

Проскальзывание обоймы в посадочном месте 0.00

Ослабление крепления корпуса подшипника ООО

Задевания в подшипнике и уплотнениях 0.00

Увеличенные зазоры в подшипнике 0.00

Износ поверхности внешней обоймы 0.00

Износ поверхностей тел качения и сепаратора 008

Износ поверхности внутренней обоймы ООО

Дефект группы поверхностей трения ООО

Раковины (трещины) на внешней обойме 0.00

Раковины (трещшы) на внутрежей обойме ООО

Раковины (трещины) на тела* качения ООО

Обкатывание внешней обоймы 0.00

Дополнительная информация' Уровень виброускорения в полосах частот (методика M460CW01-0Q233856-97 РД37 006 086)'

50 -300 Гц 87 Дб (105/109)

300-1800 Гц 89 Д6 (115/119)

1800 -10000 Гц 87 Дб (123/127)

Уровень виброускорения в полосе частот 22 -11200 Гц: 93 Дб (123/127)

Оценка эксцесса виброускорения 0 31 (080/1 20)

Общее состояние подшипника хорошее.

о.а - относительные единиц* О- нет дефекта; 1- сильный дефект. 14.06.2006 12 4823

В скобках указаны пороговые значения, (тревожный уровень/недопустимый уровень)

Рис.24. Программно-формируемый отчет по диагностике подшипника (годный)

Заключение

о состоянии подшипника марки 46330 Станция: ' 'ех: МЭП Агрегат: КМьствнд Точка. 1 по замеру от02.06.06 14 17:26

Выявленные дефекты Дефекты Уровень дефекта, о. е.

Дополнительная информация: Уровень виброускорения в полосах частот (методика М4600001-00233856-97 РД37 006 086)

Уровень виброускорения в полосе частот 22 -11200 Гц 85 Дб (117/121)

Оценка эксцесса виброускорения. 1.87 (0 80/1.20)

Общее состояние подшипника неудовлетворительное.

Перекос внешней обоймы при посадке Неоднородный радиальный нтяг подшипника Проска/ьэывание обоймы в посадочном месте Ослабление крепления корпуса подшипника Задевания в подшипнике и уплотнениях Увеличенные зазоры в подшипнике Износ поверхности внешней обоймы Износ поверхностей тел качения и сепаратора Износ поверхности внутренней обоймы Дефект группы поверхностей трения Раковины (трещины) на внешней обойме Раковины (трещины) на внутренней обойме Раковины (трещины) на телах качения Обкатывание внешней обоймы

0.28 0.00 0.25 0.00 0.00 0.00 0.00 ООО 0.00 013 ООО 0.28 0.00 0.00

50 - 300 Гц 300 -1800 Гц 1800 -10000 Гц

75 Дб (99/103) 72 Дб (109/113) 84 Дб (117/121)

о е - относительные единица: О- нет дефекта, 1- сигьный дефект 3 скобках указаны пороговые значения: (тревожный уровень/недопустимый уровень)

13 06.2006 22 57 28

Рис.25. Программно-формируемый отчет по диагностике подшипника

(негодный) 48

С СИ ЮЯМНО ПОДШИПНИК«* и сю шсмешон

Распределение мфшов по элементам

! Г Внешняя обойма | 3% 1

Г Внутренняя обойма 2% ]

а Е¡¡и^Й | 2.5% I

Г Сепаратор | 4% |

| Справка ] X Отмена

степень и« проявления

Рис.26. Вид окна программы с результатом диагностики (годный подшипник)

Соаоянне подшипник«! и сю момснюн

Справка | X Отмена

Возможные дефекты и степень и« проявления

Щ 15% -14% 1 —12%_|

Распределение дефектов С Внешняя обойма ИСИ^ПЙк Г Внутренняя обойма

¡Тела качения С Сепаратор

Рис.27. Вид окна программы с результатом диагностики (негодный подшипник)

Результаты испытаний.

Обработка результатов измерений показала, что:

1) Система выдает адекватные результаты при исследовании КМБ в движении,- негодные - бракуются, годные подшипники квалифицируются с установкой остаточного ресурса.

В таблице 3 приведены примеры результатов диагностики забракованных подшипников с подтверждением результатов при последующей их расборке.

Таблица 4.

Подшипник Данные системы Данные осмотра

БУКСА1 Дефекты группы поверхности трения. Проскальзывание обоймы в посадочном месте. Увеличенный эксцесс ускорения Остаточный ресурс - 39% Множественные намины на наружном кольце (Рис.28.)

БУКСА2 Дефект группы поверхностей трения Остаточный ресурс - 38% Трещина ролика на переднем подшипнике (Рис.29.)

Якорь 1 Износ поверхностей тел качения и сепаратора. Дефект группы поверхностей трения Остаточный ресурс - 50% Трещина ролика (Рис.30).

Якорь2 Износ поверхностей тел качения и сепаратора. Дефект группы поверхностей трения Остаточный ресурс - 39% Множественные намины на наружном кольце (Рис.31)

Рис.28. Намин на наружном кольце переднего подшипника

Рис.29. Трещина ролика переднего подшипника

Рис.30. Трещина ролика якорного подшипника

Рис.31 Множественные намины на наружном кольце якорного подшипника

Заключение

1. Изучен и обобщен опыт диагностических систем, обеспечивающих безопасность движения.

2. Разработаны системы, отчетливо выявляющие зарождающиеся, развитые и аварийно-опасные дефекты в ходовых частях локомотивов.

3. Создана система активной диагностики ходовых частей локомотивов в движении, исключающая влияние на достоверность результатов внешних и внутренних шумовых полей.

4. Разработанный программный комплекс позволяет в едином измерительном цикле одновременно контролировать, как подшипники, так и зубчатые передачи, объединенные в одном конструктивном блоке.

5. Созданные принципы определения скорости протекания деградационных процессов в обнаруженных дефектах позволили устанавливать остаточный ресурс ходовых частей локомотивов.

6. Разработаны принципы выявления на ходу поезда зарождающихся, развитых и аварийно-опасных дефектов.

7. Разработаны системы, позволяющие исключить влияние внешних помех на конечные результаты.

8. Найдены методы интегральной оценки технического состояния подшипников и зубчатых передач, объединенных в едином конструктивном блоке.

9. Решена задача определения остаточного ресурса на основе анализа скоростей деградационных процессов, выявленных неисправностей КМБ.

Ю.Возможность определения остаточного ресурса позволяет по новому организовывать эксплуатационную работу и перейти к активному управлению безопасности движения.

11.Создана основа для перехода ремонта локомотивов от плановых видов ремонта к ремонтам по фактическому техническому состоянию ходовых частей локомотивов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Обзор диагностических систем, обеспечивающих безопасность движения. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2007 г.

2. Системы активной диагностики ходовых частей локомотивов. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

3. Определение остаточного ресурса на основе анализа протекания деграда-ционных процессов при движении подвижного состава. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

4. Комплект оборудования для диагностики колесных пар под нагрузкой. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

5. Остаточный ресурс как средство перехода на эксплуатацию тягового состава по его техническому состоянию. ДЦНТИ г. Нижний Новгород.2009 г.

6. Новые подходы к обеспечению безопасности перевозок с использованием средств мониторирования. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

7. Устройство для динамического мониторинга состояния ответственных узлов ходовой части железнодорожного транспортного средства. Лесун и др. Решение о выдачи патента по заявке № 2010106684/22(009402) с приоритетом от 24.02.2010 г.

Список использованной литературы

1. Баркова H.A. - Современное состояние виброакустической диагностики машин, 2002.

2. Марпл C.JI.-мл.-Цифровой спектральный анализ и его приложения.-М:Мир, 1990-584с.

3. Полищук Е.С.- Измерительные преобразователи.-Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1981.-296 с.

4. Техническое описание устройства УЗ-З.

5. Джонсон Д. Джонсон ДЖ.- Справочник по активным фильтрам.-М: Энер-гоатомиздат, 1983.-128 с.

6. Авенян В.А. и др. Способ изготовления сварных рельсов. Патент №2099463 от 18 июля 1995.

7. Бочкарев Д.А. и др. Способ разогрева в емкости загустевших продуктов и устройство для его осуществления. Патент №2103211 от 29 мая 1996.

8. Фадеев B.C. и др. Стенд диагностики колесных пар вагонов. Патент №35890 от 16 сентября 2003.

9. Беагон B.C. и др. Устройство определения присутствия предмета в контролируемой зоне. Патент №2145559 от 16 марта 1998.

10. Иванов П.С. и др. Рельсовое скрепление КБ-65. Патент №2131954 от 23 июля 1998.

11. Авенян В.А. и др. Способ изготовления сварных рельсов. Патент №2099463 от 18 июля 1995.

12. Масягин А.Г., Тюрин И.В., Шарадзе О.Х. Машина специальная на комбинированном ходу. Патент №45960 от 16 августа 1999.

о - 17 8 6 5

/ 7

196401

2009196401