автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Методы повышения эксплуатационной надежности грузового подвижного состава

Международный межакадемический союз На правах рукописи

Кобяков Денис Михайлович

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ГРУЗОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Москва 2012 г.

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель: доктор технических наук,

Начальник отдела разработки новых грузовых вагонов Департамента технической политики ОАО «РЖД», Шпади Дмитрий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович

Защита состоится «2 т» 2012 года на заседании диссертационного

совета Д.011.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной

комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.011.024.МАИ 032.

Автореферат разослан

44. 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор —' Г.Е. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Программа развития железнодорожного транспорта России до 2030 года опирается на две основополагающие платформы:

- интеллектуализация подвижного состава и инфраструктуры Российских железный дорог;

- организация в масштабах страны скоростного и высокоскоростного движения как в дальних, так и в пригородных пассажирских перевозках.

Говоря о содержании и задачах первой платформы, следует выделить два ключевых звена: обеспечение безопасности перевозок в грузовом и пассажирском движении, снижение затрат по содержанию, ремонту и эксплуатации железнодорожного транспорта.

При этом совершенно очевидно, что реализация второй платформы тесно связано с техническим продвижением результатов первой платформы в железнодорожные технологии.

В настоящее время первая платформа уже успешно реализуется при разработке глубокой интеллектуализации тягового подвижного состава.

В первую очередь, это электровозы и тепловозы. Для этого широко развернуты работы по разработке диагностических систем информационного, информационно-советующего и управляющего классов.

Более того, эти системы, приведенные в режим мониторинга, позволяют не только исключить возникновение аварийных ситуаций, но и за счет интегрального совокупного анализа всех данных мониторинга (статического, динамического, прогнозного) установить величину остаточного ресурса, в первую очередь для самой регламентирующей позиции - ходовой части локомотивов.

При этом необходимо отметить, что сам локомотив имеет собственное энергопитание, без которого не возможно функционирование любого диагностического комплекса.

Совершенно иная картина представляется с применением диагностических комплексов в вагонном хозяйстве. Грузовой вагон любого типа энергобезоружен. Правда в настоящее время ведется интенсивный научно-технический поиск создания диагностических систем с энергонезависимыми датчиками. Решение этой задачи в настоящее время представляется весьма проблематичным.

Разработка методов интеллектуализации вагонного хозяйства, которые не потребуют оснащения грузовых вагонов электронной аппаратурой, и не будут уступать по своим тактико-техническим возможностям и эффективности уровню интеллектуализации тягового состава является предельно актуальной и востребованной задачей.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы являются исследования, направленные на разработку методов интеллектуализации грузового подвижного состава.

В связи с этим:

1. Проведен анализ диагностических технологий, применяемых при ремонте и эксплуатации грузовых вагонов.

2. Выбран основной принцип построения диагностических технологий.

3. Предложена и реализована система комплектования ходовых частей грузовых вагонов на основе интегральной оценки качества ремонта, путем введения единого коэффициента надежности.

4. Взяты за основу показателей надежности измерения, учитывающие оптимальные их значения в интервале допускового поля.

5. Разработан постовой мониторинг грузового состава путем замены дистанционных акустических измерений замерами по контактному принципу.

6. Предложена и апробирована система идентификации схода вагона в грузовом движении.

7. Разработана система взаимосвязи и взаимокоррекции между статическим и динамическим мониторингами грузовых вагонов.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Методы интеллектуализации грузового подвижного состава.

2. Разработка и введение в практику комплектования ходовых частей грузовых вагонов на основе интегрального показателя уровня ремонтных технологий коэффициента надежности.

3. Система взаимосвязи статических и динамических показателей эксплуатационной надежности грузовых составов.

4. Трехуровневая система сопровождения дрейфа зарождающихся неисправностей и ее финишная идентификация.

5. Методологический подход в выборе параметра, характеризующего потерю контакта колеса с рельсом.

6. Структурирование систем мониторирования для вхождения в них диагностических принципов применительно к грузовым вагонам.

7. Эволюционное развитие диагностических постовых систем от бесконтактных измерений параметров движущихся грузовых составов к системам контактного измерения.

Практическая значимость работы.

В процессе выполнения диссертационного исследования определены реальные технические и научные направления, по которым в настоящее время получены положительные результаты ходовых испытаний грузовых вагонов.

Структура и объем работы.

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

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА.

Глава ¡.Анализ базового принципа диагностики грузовых вагонов и постановки задачи исследования.

Несомненно, в диагностических технологиях вагонного хозяйства преобладает виброанализ.

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

Система глубокой диагностики должна обеспечивать обнаружение зарождающихся дефектов в первую очередь по высокочастотной вибрации, для возбуждения которой в ближней к дефекту зоне не нужны значительные колебательные силы. Система защитного мониторинга должна строится на базе данных измерений низкочастотной вибрации машин, для возбуждения которой нужны значительные колебательные силы, сопровождающие появление сильных дефектов. Эти два правила позволяют выбрать оптимально минимальное число точек контроля (каналов измерений) и, следовательно, минимизировать стоимость системы.

Метод «ударных импульсов» основан на обнаружении вибрации, возбуждаемой одиночными микроударами, возникающими в результате разрыва масляной плёнки в подшипниках качения.

Метод диагностики механических систем по высокочастотной вибрации основан на анализе колебаний мощности высокочастотной вибрации (шума), возбуждаемой силами механического, гидродинамического или аэродинамического трения и получил название «метод огибающей».

Физические основы двух перечисленных методов поясняются ниже приведёнными рисунками на примере диагностики подшипников качения

буксовых узлов вагонной тележки. Метод ударных импульсов основан на

б

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

У этого метода, однако, имеются два существенных недостатка:

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

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

Из-за второго недостатка метод ударных импульсов не применяется при контроле низкооборотных подшипников качения (ниже 50 - 100 об/мин) [5].

Несмотря на определённые недостатки, средства контроля состояния подшипников, основанные на методе ударных импульсов, эффективно используются, в том числе и на железнодорожном транспорте (диагностический контроль в процессе планово-технического обслуживания). Эффективность таких средств контроля оказывается максимальной при периодическом контроле состояния подшипников с интервалами между измерениями менее 50 - 100 часов наработки [5]. Именно в этом случае не пропускаются те зарождающиеся дефекты, приводящие к появлению ударных импульсов. Однако так как система планово-технического обслуживания не может обеспечивать указанный интервал между измерениями, то возникает необходимость выполнения диагностического мониторинга в процессе эксплуатации железнодорожного транспорта. Метод ударных импульсов можно рассматривать как частный случай метода огибающей. В последнем для повышения чувствительности обнаружения периодических изменений мощности сигнала и, в частности, периодических ударных импульсов, применяется спектральный анализ. В этом спектре огибающей отчётливо выделяется гармонический ряд составляющих с кратными частотами. Основная частота определяется периодом следования ударных импульсов, кратные определяют форму ударного импульса.

Но метод огибающей несколько шире, так как позволяет обнаружить не только периодические ударные импульсы, но и периодические изменения сил

трения в подшипнике, определяемые либо перекатыванием тел качения через участки поверхности качения с повышенным износом, либо задеванием сепаратора за неподвижные или вращающиеся кольца. Главное преимущество метода огибающей - возможность обнаружить на этапе зарождения гораздо большую номенклатуру дефектов и определить вид дефекта. Это позволяет, в стационарных условиях эксплуатации, учитывая реальные скорости развития каждого из возможных видов дефектов, перейти на диагностические измерения с гораздо большими интервалами, чем это было указано выше (в зависимости от того какие дефекты обнаружены), не теряя в достоверности диагноза и прогноза состояния диагностируемого узла. Но этот метод имеет свои недостатки, которые чаще всего проявляются в диагностике оборудования на транспорте, когда пользователь может и не иметь возможности контролировать условия работы объекта диагностики, т.е. может пропускать те ситуации, когда объект из-за перегрузок или других аварийных условий эксплуатации испытывает ускоренный износ.

Первый из таких недостатков, общий для всех методов обнаружения зарождающихся дефектов - снижение чувствительности при появлении одновременно нескольких сильных дефектов, т.е. в предаварийном состоянии объекта диагностики. Чувствительность метода огибающей имеет зависимость от величины дефекта, близкую к аналогичной зависимости метода ударных импульсов. Второй - нечувствительность к появлению непериодических ударных импульсов, которые чаще всего возникают в бездефектных узлах при снижении качества смазки. Поэтому дефекты смазки обнаруживаются косвенными методами без анализа спектров огибающей. Третий недостаток, общий для метода ударных импульсов и метода огибающей - возможность сильной реакции на слабые дефекты, из-за которой оператор может принять решение о замене (ремонте) узла несколько преждевременно.

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

На рисунках 1 и 2 приведены формы сигналов и спектры виброускорений букс тележки вагона.

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

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

М 10 05 213 35 1 8473 ?<9 35 0081701 •

Рисунок 1. Фрагменты временных реализаций ускорений на буксах

а) проворот внутреннего кольца и раковина заднего кольца подшипника

б) коррозионная раковина на наружном кольце подшипника

„„ ьУ >> ' и ; Л/;,Л

й« ;Г"

1 |

те«« к в) :=;Г ® ^

Рисунок 2. Спектры ускорений, измеренных на буксах

9

(подшипники в буксах не имеют дефектов).

Выявление дефектов осуществляется путём сопоставления типовых портретов бездефектных и дефектных (с дефектами каждого вида и сочетаниями дефектов различного вида) узлов. Портрет является образом дефектов во множестве названных выше диагностических параметров, полученных в результате измерений виброускорений. Определение наиболее информативных диагностических параметров, выявление закономерностей их изменения по мере развития и накопления повреждений с целью прогноза остаточного ресурса, установление предельных значений, соответствующих предаварийному состоянию, выполняется на основе накопления, анализа и обобщения статистических данных, полученных при эксплуатации подвижного состава.

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

В связи с последним следует рассмотреть характерные частоты гармоник периодических составляющих вибрации, вызываемых вращением элементов подшипников и вращением колёсной пары [1].

Частота вращения колёсной пары может быть оценена по формуле:

3.6 тЮ

где - частота вращения колёсной пары, Гц;

V - скорость поступательного движения колёсной пары, принимаемая равной скорости движения вагона, км/ч;

О - диаметр колеса по кругу катания, м.

Частоту вращения колёсной пары можно определить по результатам измерений процесса виброускорений корпуса буксы, построив кепстр этого процесса и найдя квефренцию, соответствующую рагмонике с максимальной амплитудой.

Периодические составляющие вибрации, связанные с вращением колёсной пары, проявляются на частотах

= к (2)

где к - целые положительные числа (номер гармоники). Периодические составляющие, связанные с вращением элементов подшипников, проявляются, прежде всего, на частотах, обусловленных кинематикой подшипника как планетарного механизма. К ним относятся:

1) гармоники, определяемые вращением сепаратора подшипника, РТР

Г, = (3)

где (¡-¡-к - диаметр тела качения (ролика);

с/(- - диаметр сепаратора (средний диаметр подшипника);

а - угол контакта в подшипнике;

2) гармоники, определяемые прокатыванием тел качения по наружному кольцу, ВРРО

т = к-= к■ /V • г,К Л со8^• 1,к, (4)

где число тел качения в подшипнике;

3) гармоники, определяемые прокатыванием тел качения по внутреннему кольцу, ВРР1

п = к-= к■ (/г, -/V)• гп. = Iк■ ■ ^I + ^■ соза|• гп.; (5)

4) гармоники, определяемые вращением тел качения вокруг своей оси,

В5Р

£7 = к ■ Г., = к ■ Г., ■ — <1п.

<1,

(6)

Диагностический образ может включать следующие характеристики процесса виброускорений диагностируемого узла:

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

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

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

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

Частотно-амплитудный метод позволяет разделить периодические составляющие вибрации, связанные с дефектами, и её периодические составляющие от иных источников. Несмотря на кажущуюся очевидность основанного на этом метода диагностирования, настроить его на автоматическую работу в условиях эксплуатации подвижного состава достаточно сложно. Из-за нестабильности частоты вращения колёсной пары может происходить размывание гармоник периодических составляющих вибрации, измеряемая информация может искажаться переходными процессами, интересующие пики могут не выделяться в общем вибросигнале.

Предварительные испытания показали, что анализ спектра ускорений даёт хорошие результаты в среднечастотной области, но не работает в низкочастотной области. В частности, он не позволяет находить сепараторные частоты подшипника, а частоты вращения колёсной пары Fц и 2/гй определяются с ошибками. Причиной является малая амплитуда сигнала ускорений подшипника на этих частотах. В то же время эти частоты хорошо выделяются в спектре огибающей виброускорений. Отмеченное позволяет измерять ускорения, положим, в диапазоне частот 2-8 кГц, а информацию о частотах /V, Рн, 21"н, ЗУ и, /> и т.п., получать из спектров огибающей высокочастотных ускорений, что возможно ввиду виброударного характера протекающих процессов. В итоге повышается информативность измерительного канала, его помехозащищенность, как от электрических, так и от вибрационных помех, носящих как стационарный, так и нестационарный характер (вибрации ходовой тележки и подрессорных элементов вагона). Такой подход требует увеличения частоты опроса при измерениях, однако, это компенсируется уменьшением длительности обрабатываемой выборки процесса.

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

Амплитудный метод диагностирования заключается в том, что когда за время установленного цикла наблюдения пиковые значения ускорения

превысили заданный пороговый уровень, например, в 10 раз, система контроля выдаёт сообщение: «Негоден». Как показали предварительные испытания, такие системы не пригодны для использования на борту вагона ввиду больших выбросов виброускорений от иных, чем дефекты подшипников буксы, источников.

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

Учитывая, что каждый из рассмотренных методов обладает своими преимуществами и недостатками, рациональный подход к решению задачи, как всегда в подобных ситуациях, заключается в комплексном использовании различных методов.

Наряду с вибродиагностикой на ремонтных предприятиях используется

ультразвук, акустическая эмиссия, магнитные электрические поля, механические и лазерные измерения.

Такая разветвленная технология контроля, положенная в практическую плоскость реализации на статические, постовые и бортовые диагностические комплексы, должна позволить на уровне данного исследования разработать в строгом соответствии с требованиями интеллектуализации вагонного хозяйства методы, направленные на повышение безопасности грузового движения и снижение трудоемкости ремонтных и эксплуатационных расходов в грузовом

движении. К этим методам следует отнести:

- формирование грузовых вагонов идентичной надежности путем введения интегрального показателя - коэффициента качества на основе стационарных диагностических комплексов;

- обеспечение динамического мониторинга технического состояния ходовых частей грузовых вагонов на основе постовых диагностических комплексов;

- идентификация схода вагона в грузовых поездах на основе постовых и бортовых диагностических комплексов.

Глава 2. Формирование грузовых вагонов по признакам идентичной эксплуатационной надежности.

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

В настоящее время 380 таких вибродиагностических комплексов (ОМСД) эксплуатируются на 173 предприятиях 16 железных дорог - филиалах ОАО «РЖД». Данные комплексы контролируют весь технологический цикл ремонта ходовой части локомотивов и вагонов: подшипники с цилиндрическими роликами; подшипники с коническими роликами; буксовые узлы колесных пар без редукторов и с редукторами; подшипники генераторов и тяговых двигателей; колесно-моторные и колесно-редукторные блоки; узлы ходовой части под вагонами и локомотивами. Данные комплексы объединены в дистанционные диагностические центры - ДЦЦ (рис.3), которые обеспечивают статический мониторинг, хранение данных диагностического контроля, проверку адекватности статистических методов, их адаптацию при изменении параметров техпроцесса, формирование сменных отчетов и их передачу в системы управления более высоких иерархических уровней, а так же прием от разработчиков системы и инсталляцию новых программных модулей.

дистанционным диагностический центр

К1ЛБ МО стенде

Рисунок 3.

Концентрация результатов с диагностических комплексов позволяет с высокой достоверностью фиксировать качество выполняемых основных технологических операций. Обработка этих результатов в режиме реального времени легла в основу активного управления технологическим процессом ремонта подшипников и буксовых узлов колесных пар (рис. 4).

^ 200 к "150 2 11 100 1 а 50 Г

1

5 10 15 20 25 3 Распределение п 35 40 45 50 55 60 6' огазатель качества (%) ока}атепякачест5а Зона недопустимых эначем.!? 70

Рисунок 4.

Несмотря на системный уровень управления технологией ремонта, внеплановое количество ремонтов в настоящее время по своей трудоемкости сравнимо с плановой.

Проведенные исследования показали, что действительно ходовая часть грузовых вагонов комплектуется из деталей и узлов, прошедших технологический и выходной контроль. В случае же когда из шестнадцати

подшипников одного вагона, хотя бы один из них близок к своему предельному ресурсу, то его ускоренный выход из строя приведет к простаиванию вагона и исключению из грузового оборота пятнадцати подшипников с высоким остаточным эксплуатационным ресурсом.

Не отбрасывая инструмент управления технологией ремонта, логическим его продолжением было принято направление, обеспечивающее комплектование грузовых вагонов деталями и узлами с близкими ресурсно-эксплуатационными показателями.

В этом случае диагностические результаты всех видов диагностики, применяемые в технологическом маршруте, заносятся для расчета коэффициента качества. Результаты учитывают величину замеров в реальном поле допусков. (Рис.5)

Акустическая эмиссия -► ------------------ч- Феррорезонанс

4- Тепловые

измерения

ч- Механические и

лазерные линейные измерения

Рисунок 5.

В базу данных центра формирования вагонов с одинаковыми показателями эксплуатационной надежности после обработки полученных данных заносится коэффициент качества узла, автоматически рассчитанный по специальному алгоритму, учитывающему всю совокупность параметров, полученных в результате измерений. Коэффициент качества является оценочным показателем, позволяющим оптимально комплектовать узлы и агрегаты ходовой части локомотивов и вагонов деталями, имеющими близкие коэффициенты качества, что гарантирует их равнонадежность, предупреждает развитие опасных дефектов и обеспечивает высокую техническую готовность.

Пусть выполнена проверка качества и признаны годными детали типа I в количестве п единиц, детали типа] - в количестве единиц,..., детали типа к

- в количестве ^ штук. Определим булеву переменную

П, если детали включены в один модуль

X ~ 1 '

" * [0, в противном случае

Пусть (Т. (- коэффициент качества узла, собранного из деталей /,/.....к .

Ультразвук Магнитострикция

Поскольку каждая деталь любого из типов входит только в один модуль, то выполняются ограничения:

х„,6 М Для ' = . У = . к = и* (7)

п п, _

Е -Ех 1 = | для всякого < = 1

/1, Л, _

Е-Ех, , = I для всякого 7 = 1,П/ (8)

П, _

•ЕЕ -X, ' ДЛЯ всякого к = \,Пк.

¡А

Целевая функция представляет сумму коэффициентов качества всех собранных модулей и имеет вид:

ЧЛсу...»ч...к- (9)

,=| к=I J J

Задача комплектования состоит в получении максимума целевой функции Р(Х,С) при ограничениях (7), (8). Эта задача является обобщением классической задачи выбора на многомерный случай, известна в дискретной математике как многоиндексная задача о назначении с аксиальными суммами, решение которой может быть получено алгоритмом ветвей и границ или эвристическими процедурами [7].

Следует учитывать, что предельные значения характеристик статического мониторинга, которым должны удовлетворять контролируемые параметры ходовых частей локомотивов и вагонов, не увязаны должным образом с дальностью пробега из-за отсутствия необходимых аналитических зависимостей. Для установления границ контролируемых параметров потребовался качественный переход от статического к динамическому мониторингу, т.е. решению проблемы определения пороговых значений технического состояния вагонов при движении железнодорожных составов.

Гпава 3. Динамический мониторинг грузовых вагонов.

Динамический мониторинг локомотивов, пассажирских и пригородных вагонов выстроен на основе бортовых вибродиагностических комплексов. В целом система представляет собой сложный аппаратно-программный комплекс, построенный по модульному принципу и включает регистрирующие датчики, специализированные усилители, процессорные блоки, базы данных, комплект специального программного обеспечения. При этом в основу мониторинга закладываются специализированные датчики, требующие значительное энергопотребление. (Рис.6)

Пассажирский погон

Рисунок 6

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

Динамический мониторинг строится для грузового парка по постовой диагностической архитектуре.

Расчетные пороговые значения для динамического мониторинга грузовых

19

вагонов определяются по принятым математическим зависимостям. Дефекты элементов подшипника могут проявляться в виде составляющих вибрации как на соответствующих частотах, связанных с движением этих элементов, так и на комбинационных частотах, получаемых сложением и вычитанием из соответствующей частоты других, меньших по величине, частот Г, и Возникновение боковых частотных составляющих обусловлено модуляцией колебаний.

Дефекты подшипников могут обуславливать и многие другие периодические составляющие вибрации, в частности на частотах:

- гармоник, получаемых при дефекте формы тела качения, РРВ

^а п

- гармоник, получаемых при дефекте формы внутренней дорожки качения, РР1

I

--1

(Ю)

(П)

Следует отметить важную для диагностирования особенность «подшипниковых» частот: значения этих частот не кратны значению частоты вращения колёсной пары (отношение «подшипниковых» частот к частоте /<"/, не является рациональным числом). Указанное является одной из предпосылок для различения дефектов подшипников букс и дефектов колёс.

Зубчатые передачи редукторов являются источниками гармонических рядов вибрации с зубцовыми частотами [3]

Г!=к-Г7=ктигг1= к-гН2г2, (12)

где 2; и 22 - число зубцов соответственно большой и малой шестерен, Рщ, Рн2 - частоты вращения шестерен.

Кроме того, дефектные шестерни могут быть источниками вибрации в субгармонических областях частот.

Так, при дефектах одной шестерни частотные ряды имеют вид:

/V = к ■ /Г,' = \ к

±к.

■г»,

где

п,

п- к

"•Гв

, к, к1, к2 - целые числа,

(13)

/•д - частота вращения дефектной шестерни. Если дефекты имеют место в обоих шестернях, возможно появление гармонических рядов вибрации с инфранизкими частотами

= (14)

п\ п1

где П/ и п2- целые числа, обычно «,= 2 или 3.

В основу создания программного обеспечения динамического мониторинга был заложен принцип углубленного декодирования поступающей информации, позволивший свести до минимума количество датчиков, устанавливаемых на вагон, разложить вибрационный сигнал на составляющие сигналы от контролируемых деталей, и по их характеристикам оценить техническое состояние каждой детали, а базовые пороговые значения должны соотносится с данными статического мониторинга с последующей их динамической коррекцией (рис. 7).

Рисунок 7.

Процесс постового динамического мониторинга включает два этапа: ■ На первом этапе при непрерывном контроле определяющих параметров группы однотипных узлов, работающих в одинаковых условиях и снабженных индивидуальными номерами, строится статистическая модель. Браковочным признаком узла является отклонение его определяющего параметра в худшую сторону от общей статистики. Например, для буксовых узлов определяющим параметром

является вибрация и проблемный узел определяется по резкому отличию его виброускорения от аналогичных значений других узлов группы.

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

Модель динамического мониторинга грузовых вагонов идентична диагностической модели динамического мониторинга подвижного состава, оснащенного бортовыми интеллектуальными системами. (Рис.8)

Л - диагностический симптом, Д([/1 - предельно допустимое значение Л,, - порог зарождения дефекта; X - пробег, км.

Рисунок 8

Динамический мониторинг не определяет скорости развития деструктивных процессов. Эту задачу на основе динамического мониторинга и измеренных значений параметров статического мониторинга выполняет прогнозный мониторинг только для подвижного состава, оснащенного энергозависимыми датчиками и требует постоянного контроля технического состояния ходовых частей. Поэтому прогнозный мониторинг в его классической форме в настоящих условиях не может быть реализован для вагонов грузового парка.

В основу алгоритма динамического мониторинга была положена трехкаскадная процедура поиска дефектов, позволяющая реализовать минимизацию передаваемой информации при максимальной скорости ее обработки и принятия управляющих решений (рис. 9).

Л/ - приработка:

Л'.. - нормальное состояние;

Л'..- - развитие дефект а;

Л, ■ деградация

Зона принятия решения

1

1-16 - порядковые номера подшипников одного пассажирского вагона

■■ - область сравнительного анализа внбропараметров всех подшипников одного вагона:

_: - область адресной диагностики подшипника с вибропараметрами, отличными от параметров

остальных подшипников исследуемой группы;

там - область глубокой диагностики выделенного подшипника с установлением вида дефекта и выработки управляющего решения.

Рис. 9

На начальном этапе контролируется величина виброускорений всех подшипников исследуемого вагона. Этот каскад по характеру измерений является простейшим и характеризуется низким уровнем по объему информационного потока и малым энергопотреблением. В том случае, когда показания одного или нескольких подшипников отличаются от показаний всего контролируемого одновагонного «семейства» включается система адресного динамического мониторинга. С этого момента начинается непрерывный контроль параметров подшипника.

В случае, когда величина виброускорения продолжает расти и достигает порогового значения, начинает функционировать третий уровень углубленного анализа с определением типа дефекта и передачей информации для выработки управляющего решения.

Выявление дефектов осуществляется путём сопоставления типовых портретов бездефектных и дефектных (с дефектами каждого вида и сочетаниями дефектов различного вида) узлов. Портрет является образом дефектов во множестве названных выше диагностических параметров, полученных в результате измерений виброускорений. Определение наиболее информативных диагностических параметров, выявление закономерностей их изменения по мере развития и накопления повреждений с целью установления предельных значений, соответствующих предаварийному состоянию,

выполняется на основе накопления, анализа и обобщения статистических данных, полученных при эксплуатации подвижного состава.

По результатам многочисленных исследований были разработаны алгоритмы управления сбором информации и диагностирования ходовых частей грузовых вагонов в движении (рис. 10, 11). Измерительная информация после аналого-цифрового преобразования подвергается полосовой фильтрации цифровым фильтром в диапазоне 2-8 кГц и одновременно поступает на две подсистемы диагностирования: подсистему 1-го уровня (контроль по СКО виброускорений) и подсистему П-го уровня (контроль по спектру огибающей виброускорений).

Для повышения надёжности контроля на 1-м уровне вводится дополнительные параметры: амплитуда сепараторной частоты и коэффициент эксцесса распределения мгновенных значений ускорений. А также из результатов проведённых путевых испытаний следует, что сепараторная частота является важным диагностическим признаком состояния подшипника: повышение СКО широкополосной составляющей ускорений и амплитуды сепараторной частоты свидетельствует о деградации подшипника. Контроль эксцесса при больших СКО может давать не только дополнительное подтверждение наличия дефектов подшипников, но и способствовать их различению от дефектов колёс.

Диагностирование на П-м уровне заключается в определении амплитуд огибающей вибрации на частотах первых трёх гармоник, характерных для дефектов каждого из элементов подшипника (сепаратора, наружного кольца, внутреннего кольца и роликов). Контроль осуществляется путём сравнения амплитуд этих гармоник с заданными допустимыми значениями. Предполагается, что при каждом сеансе контроля 1-го уровня будет также выдаваться информация о результатах контроля П-го уровня, носящая вспомогательный характер.

Контроль будет производиться циклами, следующими с определённым интервалом, один за другим. Для каждого диагностического параметра предлагается установить три контрольных значения с целью выявления устойчивой тенденции изменения этих параметров и, следовательно, приближения объекта диагностирования к отказу.

Рисунок 10

Рисунок 1 1

Превышение третьего (наибольшего) контрольного уровня при устойчивой тенденции роста диагностических параметров будет приводить к выдаче сигнала предупреждения каждой из подсистем контроля. Срабатывание подсистемы 1-го уровня следует рассматривать как достижение предаварийного состояния, а если оно сопровождается срабатыванием подсистемы 11-го уровня - как достижение опасного состояния, а если срабатыванием подсистемы 111-го уровня - как достижение критического состояния при условии превышения допустимых значений по первому и второму уровню диагностирования, требующего принятия экстренных мер.

Глава 4. Идентификация схода вагона в грузовых поездах на основе бортовых диагностических комплексов.

Для обеспечения безопасности грузового движения разработан совмещенный алгоритм, реализующий индикацию схода вагона с экстренным автоматическим торможением подвижного состава.

Алгоритм регистрации схода вагона с рельса заключается в измерениях

ускорения необрессоренных частей подвижного состава. При этом проводится регистрация сигналов поперечных (координата У) и вертикальных (координата Ъ) ускорений необрессоренной части подвижного состава в заданной полосе частот (^-5; 1^+5), где ^ - частота ударов, сошедшей колесной пары с рельсов о шпалы («шпальная частота»); 6 - параметр задающий «околошпальную» полосу частот, которая устанавливается экспериментально. «Околошпальная» полоса частот (1о-5; ^+5) изменяется пропорционально скорости движения состава. Момент схода определяется сравнением энергий сигналов ускорений в «околошпальной» полосе частот по координатам \ и 2 при сходе вагона с рельсов с опорными уровнями - энергиями сигналов ускорений, возникающих при штатном движении поездов в указанной полосе частот.

Идентификация схода реализуется в нижеприведенной последовательности.

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

2. Сигналы фильтруют, выделяя их низкочастотные составляющие, и затем преобразуют в дискретную последовательность сигналов 7(1) и У(1) с заданным шагом квантования Д1.

3. Для полученных дискретных последовательностей рассчитывают

(ю) ( "ш )

оценки энергетических спектров и Бу процессов Z(k) и У(к)

конечной длительности по формуле:

_1_

я х N

где, N - число отсчетов; гк - значение ускорения в к-й момент времени; т2 - среднее значение ускорений; Д1 - шаг квантования; (со ) = круговая частота; Г- частота.

4. Замеряют скорость подвижного состава, соответственно которой вырабатывают аналоговый непрерывный сигнал. Последний преобразуют в дискретную последовательность сигналов с тем же шагом квантования Д1. Рассчитывают "шпальную" частоту по формуле:

1Ъ = У/1, (16)

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

Для регистрации схода вагона с рельсов устанавливают "околошпальную" полосу частот

№-6^0+5) = №^2) (17)

("ГО )

5. По полученному энергетическому спектру Бг и значениям граничных частот^,; вычисляют значения энергии сигналов ускорении по Ъ и У-коордпнатам в заданной полосе частот по формуле:

Р = 1А (18)

/=1

где -значения отсчетов спектральной плотности в диапазоне частот

Г = (19)

6. При сходе колесной пары вагона с рельсов в результате периодических ударов колесной пары по шпалам с частотой ^ генерируются колебания в рельсах, регистрируемые датчиками ускорений. Это приводит к росту значений энергии сигналов ускорений, определяемых соотношением (18).

7. При движении подвижного состава происходит непрерывная оценка энергий спектров сигналов ускорений по Ъ и У-координатам

в заданной полосе частот Д1 и сравнение их с экспериментально установленными опорными уровнями - энергиями ускорений при штатном движении поезда и той же полосе частот. При одновременном превышении энергий сигналов ускорений по 2 и У-координатам в т раз опорных уровней формируется сигнал схода вагона с рельсов, в соответствии с которым вырабатывается управляющий сигнал для включения тормоза.

Реализация приведенного алгоритма представлена на блок-схеме (рис.12)

Рисунок 12

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

который через формирователь 17 импульсов подключен к блоку 18 включения тормоза.

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

Р = У/Ь

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

При прохождении блока 6 формирования «околошпальной» полосы частот, устанавливается диапазон информативных частот для регистрации схода вагона (^-5; ^+5), где 5 определяется экспериментально. В блоках 7, 8 расчета энергии сигналов ускорений по полученным энергетическим спектрам, поступившим с блоков 11 оценки энергетических спектров, и значениям информативных частот, поступившим с блока 6 формирования «околошпальной» полосы частот, вычисляются значения энергий сигналов вертикальных и поперечных ускорений в заданной «околошпальной» полосе частот. При движении подвижного состава происходят непрерывная

оценка энергии спектра сигналов вертикальных и поперечных ускорений в указанной полосе частот и сравнение их с экспериментально установленными опорными уровнями в виде «фоновых значений» энергий спектра сигналов в компараторах 12, 13, сигналы с которых поступают на логический элемент 16. При одновременном превышении энергий сигналов вертикальных и горизонтальных ускорений в формирователе 17 импульсов вырабатывается управляющий сигнал для включения тормоза, который подается в блок 18 включения тормоза.

Данная система, устанавливаемая на электровозе, автоматически

производит остановку подвижного состава и тем самым предотвращает крушение состава, т.е. повышает безопасность движения на железных дорогах.

Испытания этой системы показали отсутствие стабильности результатов, так как многозвеньевая цепочка передачи первичного сигнала сильно зашумлена, в первую очередь, ходовой частью локомотива. Эта нестабильность в пассажирском составе дублируется путем установки на каждый буксовый узел пьезоакселерометра, который непосредственно реагирует на потерю контакта колеса с рельсом и выдает соответствующую команду. Такая возможность дублирования в грузовом вагоне полностью исключена.

В процессе исследования было высказано предположение, что акустическая волна, спровоцированная ударом колесной пары по рельсу, шпале и земляному полотну, распространяется по законам, близким закону распространения электромагнитных волн. В данном случае электромагнитная волна распространяется по верхней поверхности рельса, а акустоэмисионная волна идет по нижней поверхности рельса, включая энергетические узлы (земля, шпала, рельс).

Длина затухания сигнала считается также как и для электромагнитной волны -1 и определяется по формуле:

1 / т ,\1/4

Г = (т72 4-£2)

0,5 ■

Г-Т

Кг/)

5 =<у(/,0С0+Д0С0) ;

т] = й)2 ь0 с0

Яп=ъ4а>\

2 я а)

\ 1/2

Сл = 2 ж к <Т 1п

1

2ттг)

Ь0,Со,КоА - удельная индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость изоляции рельса относительно грунта на единицу длины бездефектного пути; СО - частота сигнала.

При практической проверке I была близка к принятому расстоянию между действующими постовыми диагностическими комплексами. Эти испытания выполнялись на полигоне, где на рельсовый путь устанавливался акустоэмисионный датчик. При 6 датчиках, установленных в единой гирлянде, сигнал принимался стабильно и передавался в вычислительный комплекс диагностического поста (рис.13)

Рис.13

В данном разделе работы, как и в двух предыдущих установлено, что съем информации при прямом контакте датчиков с диагностируемыми объектами обеспечивается гораздо стабильнее и устойчивее, чем косвенные приемы снятия информации, проводимые как в стационарных так и динамических режимах.

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Проведен анализ диагностических технологий, применяемых при ремонте и эксплуатации грузовых вагонов.

2. Выбран основной принцип построения диагностических технологий.

3. Предложена и реализована система комплектования ходовых частей грузовых вагонов на основе интегральной оценки качества ремонта, путем введения единого коэффициента надежности.

4. Взяты за основу показателей надежности измерения, учитывающие оптимальные их значения в интервале допускового поля.

5. Разработан постовой мониторинг грузового состава путем замены дистанционных акустических измерений замерами по контактному принципу.

6. Предложена и апробирована система идентификации схода вагона в грузовом движении.

7. Разработана система взаимосвязи и взаимокоррекции между статическим и динамическим мониторингами грузовых вагонов.

8. Разработаны методы интеллектуализации грузового подвижного состава.

9. Разработан и введен в практику комплектования ходовых частей грузовых вагонов на основе интегрального показателя уровня ремонтных технологий - коэффициента надежности.

10. Предложена система взаимосвязи статических и динамических показателей эксплуатационной надежности грузовых составов.

11. Создана трехуровневая система сопровождения дрейфа зарождающихся неисправностей и ее финишная идентификация.

12. Предложен методологический подход в выборе параметра, характеризующего потерю контакта колеса с рельсом.

13. Структурирована система мониторирования для вхождения в них диагностических принципов применительно к грузовым вагонам.

14. Предложено эволюционное развитие диагностических постовых

систем от бесконтактных измерений параметров движущихся грузовых составов к системам контактного измерения.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Виброанализ в ремонтных технологиях грузового хозяйства. ДЦНТИ. 2010 год. Н.Новгород.

2. Коэффициент надежности - основа комплектования грузовых вагонов повышенной эксплуатационной надежности. ДЦНТИ.

2011 год. Н.Новгород.

3. Постовой динамический мониторинг грузовых вагонов. ДЦНТИБ.

2012 год. Н.Новгород.

4. Последовательность идентификации потери контакта колеса грузового вагона с рельсом. ДЦНТИБ. 2012 год. Н.Новгород.

5. Методы интеллектуализации грузового подвижного состава. ДЦНТИБ. 2012 год. Н.Новгород.

Список использованной литературы

1. Трантина С.В. и др. Комплекс вибродиагностики буксовых узлов колесных пар подвижного состава. Патент №91430, 2009 г.

2. Десятников B.C. и др. Способ вибродиагностики ответственных механических узлов и оборудование железнодорожного подвижного состава. Решение о выдаче патента 2011 г.

3. Э.С. Горкунов, С.Ю. Митропольская, А.Л. Осинцева, Д.И. Вичужанин. «Исследование деформации и оценка напряжений в материалах с упрочнённым поверхностным слоем магнитными методами» Физическая мезомеханика. 12 2 (2009) 95 - 104.

4. Ломакин И.С. Динамический мониторинг функционирования тормозной системы. ДЦНТИ, Нижний Новгород, 2010 г.

5. Иванов А.О. Постовые диагностические комплексы - основы перехода от реактивного к проактивному характеру управления перевозок. ДЦНТИ, Нижний Новгород, 2010 г.

6. Виноградов А.Ю. Проблемы разрушения и анализ механизмов акустической эмиссии в сталях, применяемых в железнодорожной отрасли. Отчет ОАО «Центра программных разработок» г. Саров, 2011 г.

7. И.И. Елисеева, М.М. Любашев. Общая теория статистики. Ж. «Финансы и статистика». М. 2002 г.

8. В.М. Гусаров. Теория статистики. Ж. «ЮНИТИ». М. 2001 г.

9. V.V. Murav'ev, M.V. Murav'ev, and T.V. Murav'ev. The Possibilities jf Acoustic Emission Testing of Rails during Exploitation. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2008, Vol. 44, No 1, pp. 35 - 40.

10. V. Muraviev, T. Muraviev. Diagnostics of Railway Objects using Acoustic Emission Technique. NDT for Safety. Nov. 07 - 09, 2007, Prague, Czech. Rep.

11. D.V. Fedorov. Determination of the Effectiveness of Lubricants for Locomotive Bearing Units by Means of the Acoustic - Emission Method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2003, Vol. 39, No 3, pp. 198 - 200.

38

2012248984

2012248984