автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Разработка метода повышения эксплуатационной надежности буксовых узлов вагонного парка

Международный межакадемический союз На правах рукописи

Трантина Снежана Владимировна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ БУКСОВЫХ УЗЛОВ ВАГОННОГО ПАРКА

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Москва 2011 г.

Работа выполнена в ЗАО «Комплексные системы контроля»

Научный руководитель: доктор технических наук,

Загородский Василий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович

доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович

Защита состоится «20» декабря 2011 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_15 ноября_2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Г.Е. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Несмотря на значительный комплекс проведенных работ, направленных на снижение брака по буксовым узлам пассажирских и грузовых вагонов, количество задержек поездов по этому виду брака и в настоящее время остается весьма высоким. Так в 2009 году количество задержек поездов составило 77000 единиц, а в 2010 году - 61000 единиц.

Несомненно налицо имеется тенденция к снижению брака по буксовому узлу. И тем не менее количество потерянных вагоночасов является критическим, резко снижает провозные способности компании и снижает реальную эффективность функционирования железных дорог.

Поэтому проведение исследований, поиск путей к дальнейшему снижению брака при ремонте подшипников и возможность повышения их эксплуатационной надежности является несомненно актуальной задачей.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы являются исследования, направленные для повышения эксплуатационной надежности буксовых узлов вагонного парка.

В связи с этим:

1. Проведен анализ современных диагностических технологий.

2. Показана целесообразность модернизировать вибродиагностические комплексы для повышения эксплуатационной надежности буксовых узлов.

3. Приведена статистика отказов элементов подшипников буксовых

узлов.

4. Предложена схема раздельного секторного нагружения, совмещенного с диагностическим контролем подшипника.

5. Разработан алгоритм посекторного сравнения результатов диагностики.

6. Предложен принцип выделения потенциально ненадежных подшипников.

7. Разработан математический аппарат для интегральной оценки по совокупности секторных показателей качества диагностируемого подшипника.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

- статистика отказов элементов подшипников буксовых узлов.

схема раздельного секторного нагружения, совмещенного с диагностическим контролем, наружного неподвижного кольца подшипника.

- алгоритм посекторного сравнения результатов диагностики.

- принцип выделения потенциально ненадежных подшипников.

- математический аппарат для интегральной оценки по совокупности секторных показателей качества диагностируемого подшипника.

Практическая значимость работы.

В процессе выполнения диссертационного исследования определены реальные технические и научные направления для повышения эксплуатационной надежности буксовых узлов вагонного парка.

По результатам исследования создан новый тип диагностического комплекса, который в настоящее время выпускается в условиях серийного производства.

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 1. Анализ современных диагностических технологий.

Ы.Состояние вопроса

Колесная пара - одна из самых ответственных деталей вагона, от

исправной работы которой зависит безопасность движения поездов. При этом замена колесной пары, или одного из его элементов - буксы с роликовыми подшипниками, цельнокатаного колеса или оси - приводит к внеплановым ремонтам и, как следствие, к большим экономическим затратам. Наиболее опасны в эксплуатации изломы и разрушения элементов колесных пар: осей и колес, которые могут привести к сходу вагона.

В 30-60 годы к основным причинам изломов относили трещины обода, ступицы и диска в зоне отверстия под ось из-за нарушения технологии производства. Начиная с 60-х. годов, в эксплуатации стали выявляться трещины в цельнокатаных колесах в зоне перехода диска к ободу. Можно констатировать тот факт, что дефекты колес и осей, наблюдавшиеся в период с 30-х по 70-е годы, встречаются и по сегодняшний день. И эти немногочисленные дефектные колеса и оси могут привести к катастрофическим последствиям. Основным видом технического обслуживания подвижного железнодорожного состава в настоящее время является планово предупредительное обслуживание по назначенному ресурсу, а не по результатам диагностирования. Система планово-предупредительного ремонта (ППР) и техническое обслуживание (ТО) оборудования заключается в том, что полная или частичная разборка оборудования с целью профилактического осмотра, технического обслуживания, планово-предупредительного или капитального ремонтов производится независимо от его фактического состояния, через заранее определенные интервалы времени Тр. Процедура ППР существенно уменьшает вероятность аварии, но не предохраняет объект от

неожиданных повреждений в межремонтный период, а переборки только ухудшают износ узлов.

Экономически выгодна стратегия проведения планово-предупредительных ремонтных работ не через заранее запланированные интервалы, а по мере необходимости, в соответствии с фактическим техническим состоянием. Для реализации возможности эксплуатации колесных пар и ее элементов по техническому состоянию необходимо иметь оперативную информацию об изменении по времени наработки. Один из путей получения этой информации —■ организация мониторинга за техническим состоянием элементов колесных пар в движении. В случае, если параметры технического состояния одного из элементов колесной пары будут близки к критическому состоянию - необходимо производить ремонт, в данном случае это и будет ремонт по фактическому состоянию.

Организация работ по непрерывному мониторингу за техническим состоянием элементов колесных пар подвижного состава необходима, так как подвижной состав является уникальным или «критическим» оборудованием, нарушение работы которого может привести к катастрофическим последствиям, экологическим проблемам и экономическим потерям. В связи с вышесказанным предлагается разработка системы мониторинга элементов колесных пар в движении на основе АЭ метода неразрушающего контроля.

1.2. Методы неразрушающего контроля, применяемые в деповских условиях, для диагностики элементов колесных пар

В железнодорожных депо сети ОАО «РЖД» в настоящее время применяются следующие методы неразрушающего контроля: визуально-измерительный; ультразвуковой, магнитопорошковый, вихретоковый; вибрационный [1,2,3,4], причем преобладающий объем работ по неразрушающему контролю проводится вручную, без ведения электронных баз данных — все результаты, как правило, записываются оператором в журналы и не систематизируются. При этом трудоемкость контроля остается весьма

различных методов неразрушающего контроля пропуски опасных дефектов элементов колесных пар (трещины, раковины в элементах буксового подшипника качения) при проведении дефектоскопии имеют место быть. Но даже если колесная пара в условиях депо признана годной в ней (как и в любом изделии) всегда присутствуют микродефекты, которые в движении могут себя повести как угодно, например, микротрещина может за короткий период времени вырасти в макротрещину и произойдет разрушение. Ультразвуковой контроль (УЗК) [6].

Ультразвуковой метод контроля получил широкое применение в железнодорожном хозяйстве. Ультразвуковые колебания широко применяются для контроля качества (наличия/отсутствия дефектов) материала, сварных соединений и др. для этих целей пьезоэлектрическим преобразователем возбуждаются ультразвуковые колебания. Возбуждение их происходит в результате так называемого пьезоэффекта - электрические колебания, поданные на пластину пьезопреобразователя, преобразуются в механические. Частота колебаний, возбуждаемая ультразвуком, может варьироваться в широких пределах - от 0,5 - 1,0 Гц до 20 МГц. Между изделием и ультразвуковым преобразователем создается акустический контакт путем введения слоя консистентной специальной жидкости. По числовым значениям скорости и времени прохождения ультразвука определяются координаты дефекта. Амплитуда на приборе характеризует размеры дефекта.

Данный метод наиболее распространен (после визуального) в железнодорожных депо для диагностики осей и колес железнодорожных вагонов. Но у него имеются ряд недостатков:

° отсутствие в достаточном количестве высококвалифицированных специалистов, а также все возрастающие объемы контроля неизбежно ведут к отрицательному влиянию человеческого фактора на качество контроля;

° другой проблемой является большая продолжительность контроля колесной пары. Согласно типовым нормам времени, которые разработаны для

опытного внедрения, время контроля одной колесной пары составляет 60-70 минут;

» УЗК метод требует подготовки поверхности объекта контроля. Все это, так или иначе, приводит к необходимости работы в направлении автоматизации процесса, создания новых систем на основе других методов контроля.

Магнитные методы контроля [7].

Магнитные методы контроля основаны на обнаружении магнитного потока рассеяния, создаваемого различными дефектами в намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов. Магнитный поток, распространяясь по изделию и встречая на" своем пути дефект, огибает его вследствие того, что магнитная проницаемость дефекта значительно (в 1000 раз) больше магнитной проницаемости основного материала. В результате этого часть магнитно-силовых линий вытесняется дефектом на поверхность, образуя местный магнитный поток рассеяния. Возмущение потока происходит тем сильнее, чем большее препятствие представляет собой дефект. Но если дефект расположен вдоль направления магнитных силовых линий, то возмущение магнитного потока невелико, в то время как тот же дефект, расположенный перпендикулярно или наклонно направлению магнитного потока, создает значительный поток рассеяния.

В зависимости от способа регистрации магнитного потока рассеяния магнитные методы контроля подразделяют на магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый.

Сущность магнитопорошкового метода заключается в том, что на поверхность намагниченной детали наносят ферромагнитный порошок в виде суспензии с керосином, маслом или мыльным раствором (мокрый метод). Под действием втягивающей силы магнитных полей рассеяния частицы порошка перемещаются на поверхности деталей и скапливаются в виде валиков над дефектами. Форма этих скоплений соответствует очертаниям выявляемых дефектов.

После контроля изделие необходимо размагнитить.

Чувствительность контроля магнитопорошкового метода зависит от ряда факторов: размера частиц порошка и способа его нанесения, напряженности приложенного намагничивающего поля, формы, размера и глубины залегания дефектов, а также от их ориентации относительно поверхности изделия и направления намагничивания, состояния и формы поверхности, способа намагничивания.

При контроле магнитными методами наиболее хорошо выявляются плоскостные дефекты деталей: трещины, непровары и несплавление, наибольший размер которых ориентирован под прямым или близким к нему углом относительно направления магнитного потока. Дефекты округлой формы (поры, шлаковые включения, раковины) не могут создавать достаточного потока рассеяния и, как правило, при контроле обнаруживаются плохо. Практикой установлено, что магнитопорошковым методом выявляются поверхностные и подповерхностные (на глубине не более 2 мм) трещины с раскрытием от 0,01 мм, глубиной (высотой дефекта) от О - 0,5 мм и длиной 0,5 мм и более. Наибольшая чувствительность магнитопорошкового метода достигается при контроле гладко обработанных поверхностей.

Вибрационный метод неразрушающего контроля [8].

В настоящий момент применяются следующие методы оценки технического состояния объекта контроля по вибрации в железнодорожных депо сети ОАО «РЖД»: среднеквадратичное значение вибрации (СКЗ), Пик/СКЗ, параметр эксцесса, спектр вибрации (автоспектр), спектр огибающей вибрации.

Методы диагностирования основаны на анализе вибрации, создаваемых в подшипниках качения и зубчатых передачах силами трения. Одним из методов поиска дефектов, нашедших широкое применение, является частотный (спектральный) анализ вибрации, позволяющий разделить её на компоненты разной частоты, возбуждаемые разными источниками колебательных сил и имеющие разную природу и разные свойства.

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

В дополнение к частотному методу поиска дефектов используется метод статистической оценки временного сигнала вибрации анализируемого узла. Среднеквадратическое значение амплитуды сигнала вибрации (СКЗ) используется для выявления дефектов, распределенных по поверхности элементов качения подшипника, таких как, дефекты смазки, коррозия, шелушение наружных колец, внутренних колец и тел качения. Коэффициент эксцесс устанавливает факт наличия в вибросигнале ударных составляющих. Для поиска зарождающихся дефектов используется метод огибающей высокочастотной части вибросигнала.

Системы вибродиагностики в вагонных депо за последние десять лет получили большое развитие. Они существенно подняли на новый уровень качество ремонта буксовых подшипников качения, идущих в эксплуатацию, но в силу своей физической природы данный метод ограничен следующими факторами:

° вибрационньий метод выявляет только дефекты, которые оказывают влияние на жесткость объекта как целиковой конструкции. То есть это уже существенные дефекты [9];

° выявление только поверхностных дефектов;

° применение на настоящий момент ограничено, либо подшипниками качения, либо зубчатыми передачами;

• методами вибродиагностики можно установить факт наличия в том или ином элементе подшипника дефекта, но никак нельзя оценить его геометрические размеры и пространственную ориентацию в объекте.

Количество систем вибродиагностики в последнее время существенно увеличилось, но как показывает практика их эксплуатации в железнодорожных депо, количество отцепов по грению буксового узла не сокращается, а на некоторых дорогах даже увеличивается. Это вызвано тем, что технологический процесс проведения диагностики и принятие решения по объекту контроля «годен/брак» в данных системах вибрационного контроля во многом зависят от человеческого фактора: квалификации, наличия возможности оператора -дефектоскописта вмешиваться в процесс вибродиагностики и т.д.

Вихретоковый метод неразрушающего контроля.

Метод основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.

Данный метод применяют для контроля деталей, изготовленных из электропроводящих материалов (ролики, кольца подшипников качения).

Особенности, присущие вихретоковым методам: многопараметровость, бесконтактный контроль, нечувствительность к изменению влажности давления и загрязненности газовой среды и поверхности объектов контроля непроводящими веществами.

Вихретоковые методы имеют два основных и существенных ограничений:

® во-первых, их применяют только для контроля электропроводящих изделий;

• во-вторых, они имеют малую глубину контроля, связанную с особенностями проникновения электромагнитных волн в объект контроля.

Контрольно измерительные задачи, решаемые с помощью вихретоковых методов контроля подшипников качения в роликовых отделениях:

- обнаружение трещин, раковин, неметаллических включений и других видов нарушений сплошности;

Неразрушающий контроль осуществляют с помощью СНК (средств неразрушающего контроля): приборов-дефектоскопов и стандартных образцов.

Дефектоскопы представляют собой приборы и установки, предназначенные для обнаружения дефектов типа сплошности.

Дефектоскопы выявляют дефекты в изделии, с установленной погрешностью его размеры и местонахождение. Некоторые дефектоскопы способны обнаруживать дефекты, определять глубину их и координаты относительно плоскостей изделия. Но все они в силу особенностей вихретокового метода неразрушающего контроля требуют:

° стандартного образца, с заранее подготовленным искусственным дефектом, что влечет за собой ограничения на размер выявляемого фактического дефекта;

° высокой квалификации человека, производящего контроль. 1.3. Выводы.

В отличие от существующих систем и комплексов, основанных на методах неразрушающего контроля, применяемых для диагностики колесных пар, система на основе метода АЭ позволяет выявлять развивающиеся под нагрузкой дефекты. Высокая достоверность контроля и переход от плановой организации ремонта к ремонту по фактическому состоянию позволяют сократить количество отцепов и крушений поездов.

И тем не менее, несмотря на всю привлекательность акустикоэмиссионных технологий, ее явных преимуществ по сравнению с другими технологиями, в том числе и с вибродиагностической, в данном исследовании выбрана последняя, так как требуемые усилия нагружения, необходимые для идентификации зарождающихся акустоэмиссионных сигналов, невозможно конструктивно реализовать.

Глава 2. Программно-аппаратные особенности вибродиагностического комплекса нового поколения (ОМСД-ОЗ).

Многолетний опыт эксплуатации в ремонтных предприятиях ОАО «РЖД» диагностических систем на основе вибродиагностических методов (около 400 единиц) показал, что до настоящего времени основной процент внеплановых ремонтов приходится на буксовый узел, в первую очередь в грузовом парке.

Анализируя результаты эксплуатации с широким использованием статистических методов обработки, было установлено несколько основных причин брака.

1. Наличие усилителя заряда (рис. 1, 2) в измерительном тракте вызывает снижение достоверности результатов диагностики:

- влияние электромагнитных полей;

- возможность несанкционированного изменения коэффициента усиления, что позволяет переводить забракованный подшипник в разряд

Рис.2

2. Возможность фальсификации результатов диагностики:

- за счет диагностики одного и того же объекта под разными номерами;

- за счёт изменения в отчёте результатов диагностики оператором.

3. Отсутствие возможности диагностировать кассетные подшипники. Учитывая отраслевую необходимость повышения результатов

диагностических технологий, в 2009 году был создан вибродиагностический комплекс нового поколения - ОМСД-ОЗ в составе системы диагностики подшипников и системы диагностики буксовых узлов колесных пар грузовых и пассажирских вагонов.

В системе диагностики подшипников решены следующие вопросы:

- исключен усилитель заряда, что не дает возможность фальсифицировать результаты диагностики посредством убавления коэффициента усиления простейшим поворотом тумблера на его панель (рис.3);

Рис.4

- исключена возможность диагностики одного и того же подшипника под разными номерами (рис 5, 6);

I

Рис.5. Спектры одного подшипника, записанного под разными номерами.

- осуществлена защита от несанкционированного изменения браковочных порогов;

- обеспечено лучшее соотношение сигнал/шум измерительных каналов и помехозащищенность с применением датчиков со встроенными предусилителями;

- обеспечена возможность формирования нередактируемых протоколов по результатам диагностики;

- применение датчиков оборотов шпинделя позволяет производить перерасчет частот элементов подшипников (ролики, кольца, сепараторы), что позволяет успешно применить для диагностики метод огибающей, дающий высокие достоверные результаты о состоянии всех элементов подшипников;

В системе диагностики буксовых узлов колесных пар решены следующие вопросы:

- исключены два усилителя заряда, что не дает возможность фальсифицировать результаты диагностики посредством убавления коэффициента усиления простейшим поворотом тумблера на его панель (рис.7);

Рис.7

- исключена возможность диагностики одной и той же колесной пары под разными номерами (рис. 8, 9);

Рис. 8. Спектры одной колесной пары, записанной под разными номерами.

Чмюп. Щ

Рис.9. Спектры двух разных колесных пар.

- введена защита от несанкционированного изменения браковочных порогов;

- обеспечено лучшее соотношение сигнал/ шум измерительных каналов и помехозащищенность, за счет применения датчиков со встроенными усилителями;

- обеспечено формирование нередактируемых протоколов по результатам диагностики;

- реализован режим автоизмерения, что позволяет в автоматическом цикле проводить обкатку, а также весь комплекс работ от постановки колесной пары на установку до ее подъема после проведения процесса вибродиагностики;

- введен режим программного торможения, что исключает нарушение поверхности катания колеса (Рис.10);

Рис.10.

- реализован в системе режим осевого нагружения, что позволяет контролировать колесную пару, как с роликовыми, так и с кассетными подшипниками (Рис.11).

-1

в» к!

<3=

Рис.11

В процессе диагностирования в комплексе ОМСД-ОЗ применяются следующие методы оценки технического состояния объекта контроля по вибрации:

Среднеквадратичное значение вибрации (СКЗ) в трех полосах частот. Данный метод контроля применяется для выявления дефектов, распределенных по поверхности элементов качения подшипника, таких как, дефекты смазки, коррозия, шелушение наружных колец, внутренних колец и тел качения.

Пик-фактор, коэффициент эксцесса для амплитудно-временного сигнала. Оба значения устанавливают факт наличия в вибросигнале ударных составляющих, эти методы выявляют локально расположенные дефекты типа трещин, раковин, вмятин и сколов на поверхностях качения подшипников.

Спектр вибрации (автоспектр). Данный метод позволяет выявлять наличие как сосредоточенных, так и распределенных по поверхностям качения дефектов согласно инструктивных указаний по эксплуатации и ремонту вагонных букс с роликовыми подшипниками 3-ЦВРК.

Спектр огибающей вибрации, с гармоническим анализом в рабочих полосах частот. Данный метод позволяет определять локально сосредоточенные дефекты на начальной стадии их развития, метод является весьма чувствительным к незначительным, но не менее опасным в дальнейшей эксплуатации дефектам.

Комплекс ОМСД-ОЗ выявляет следующие дефекты согласно

Инструктивных указаний 3-ЦВРК и классификатора подшипников ЦВТ-22:

о повреждения сепаратора; ° сколы на наружном кольце;

о трещины на роликах; в задиры на наружном кольце;

о раковины на роликах; ° коррозию, шелушение на

о сколы на роликах; наружном кольце;

о задиры на роликах; ° трещины на внутреннем кольце;

о коррозию, шелушение на ° раковины на внутреннем кольце;

роликах; 0 сколы на внутреннем кольце;

о трещины на наружном кольце; о задиры на внутреннем кольце;

о раковины на наружном кольце; о коррозию, шелушение на

внутреннем кольце.

На рисунке 12 показан вибродиагностический комплекс нового поколения ОМСД-ОЗ

СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ КОЛЕСНЫХ ПАР

(при диагностике исключен человеческий фактор) (при диагностике исключен человеческий фактор)

Рис.12

Данный комплекс защищен патентами №91430, №98069, №99613.

Глава 3. Результаты производственной эксплуатации комплекса ОМСД-ОЗ и выбор технических направлений для дальнейшего его совершенствования.

Комплекс ОМСД-ОЗ находится в эксплуатации в вагонном депо Коноша Северной железной дороги - филиала ОАО «РЖД».

За период полугодовой эксплуатации было продиагностировано более 150000 колесных пар. При этом были получены следующие результаты.

Количество отцепок грузовых вагонов по неисправности буксового узла, приведенных к 100000 условных грузовых вагонов составили:

- общее количество отцепленных вагонов -165;

- по дефектам ремонта - 33;

- по эксплуатационным дефектам - 132.

По отрасли за аналогичный период количество отцепок грузовых вагонов по неисправности буксового узла, приведенных к 100000 условных грузовых вагонов составили:

- общее количество отцепленных вагонов -266;

- по дефектам ремонта - 134;

- по эксплуатационным дефектам - 132.

Данный результат показывает, что комплекс ОМСД-ОЗ позволяет в четыре раза сократить брак по буксовому узлу из-за дефекта ремонта, но не дает эффекта для снижения общеотраслевых показателей по отцепке вагонов по эксплуатационным дефектам.

Исследовав динамический режим диагностики подшипников и буксовых узлов колесных пар грузовых вагонов, было установлено, что при этом присутствуют «мертвые» зоны, так как точечное нагружение наружного кольца подшипника контролирует его только в зоне приложения нагрузки (рис.13)

Давление

Мертвая зона

Мертвая ^^ зона

Датчик

Рис.13

Проведенные эксцерименты на макетном стенде позволили путем совмещения нагрузки с диагностическим процессом получить данные о необходимости введения в комплекс ОМСД-ОЗ системы нагружения, интегрированной в диагностический цикл (рис.14)

секторного нагружения и диагностики

Рис.14

Проведенные исследования позволили установить еще одну закономерность.

Система

я

Подшипник, разбитый на четыре сектора диагностики, порой имеет весьма значительное расхождение по результатам контроля в разных секторах.

Испытания подтвердили, что в случае, когда один из секторов значительно отличается по диагностическим показателям от остальных трех, то такой подшипник формально считается годным, но его ресурс близок к критическому.

Так из 25 таких подшипников 22 были забракованы на силовом стенде акустикоэмиссионного контроля (рис.15)

Рис.15

Между тем как в контрольной партии из 25 подшипников все успешно прошли ресурсный контроль на этом же стенде.

Данные исследования были положены в основу доработки комплекса ОМСД-ОЗ (рис.16)

Рис.16.

Глава 4. Интегральный метод определения зарождающихся дефектов.

В настоящее время во всех ремонтных предприятиях сети железных дорог России применяются различные системы контроля качества ремонта и сборки составных частей подвижного состава ОАО «РЖД». Контроль в таких системах ведется по различным техническим параметрам. Одной из лучших систем в области вибродиагностического контроля железнодорожного оборудования является Универсальный диагностический комплекс механизмов (УДКМ), разработанный ЗАО «Спектр КСК». В данном комплексе производится поиск и анализ практически всех возможных дефектов составных частей подвижного состава ОАО «РЖД» с помощью пяти различных дополняющих друг друга методов, таких как анализ спектров вибрации и огибающей вибросигнала, СКЗ, эксцесса и пик-фактора. В каждом из этих методов производится сравнение измеренного значения с установленным пороговым значением и в случае превышения последнего выносится решение о браковке данного диагностируемого узла с подробной расшифровкой обнаруженного дефекта. Кроме того, любой стенд диагностики комплекса УДКМ производит контроль каждого узла в нескольких точках измерения. Так, например, стенд диагностики подшипников качения позволяет продиагностировать каждый подшипник в 4 точках, стенд диагностики колесных пар контролирует каждую из двух букс и т.д.

Известно, что даже сильный дефект в слабонагруженной зоне подшипника качения может практически не проявляться в акустическом сигнале. Поэтому контроль каждого узла в нескольких точках измерения дает неоценимый вклад в достоверность и позволяет более качественно определять всевозможные дефекты.

Однако следует учитывать, что износ элементов подвижного состава происходит неравномерно. Под действием перепадов температур, изменения динамики движения и прочих параметров одни элементы выходят из строя быстрее других аналогичных в связи с тем, что они имели либо больший износ, либо скрытые дефекты, т.е. присутствовал некий тренд развития дефекта,

который, хоть и был еще слаб и недостаточен для отбраковывания с помощью методов вибродиагностики, но, тем не менее, был заметен. Предложенный ниже метод диагностики как раз и позволяет выявлять подобные «зарождающиеся» дефекты, которые еще не проявились в приведенных выше методах, с использованием результатов диагностики по этим самым методам.

Для примера рассмотрим стенд диагностики подшипников качения комплекса УДКМ, разработанный ЗАО «Спектр КСК». На данном стенде производится диагностика подшипников качения с использованием четырех точек нагружения, через 90 градусов каждая. При нагружении каждой точки измерения (через 0, 90, 180 и 270 градусов соответственно) производится цикл диагностики и выдается заключение о состоянии соответствующего сектора подшипника. После полного цикла измерений выдается диагноз о состоянии всего подшипника в целом. В случае если хотя бы одна из четырех точек была забракована, выдается заключение о браке всего подшипника с подробным описанием обнаруженных дефектов.

Цикл диагностики в каждой точке нагружения подшипника состоит в вычислении коэффициентов СКЗ, пик-фактора и эксцесса, гармонических рядов частот в спектрах вибрации и огибающей сигнала, а также в их сравнении с ранее установленными пороговыми значениями.

Введем понятие Универсального диагностического коэффициента УДК как отношение измеренного значения какого-либо контролируемого параметра диагностики к его пороговому значению и обозначим К:

V

где V - измеренное значение, Р - пороговое значение.

Заметим, что в случае, когда измеренное значение превышает пороговое значение, УДК становится больше единицы, что соответствует 100%-ому браку. Поэтому, без ограничения общности, положим в данном случае К равным 1, то есть

к =

-, когда У<Р

1, когда V > Р

где по-прежнему V - измеренное значение, Р - пороговое значение.

Таким образом введенный коэффициент УДК изменяется в пределах от О до 1, что соответствует 100%-ой годности диагностируемого объекта в случае когда К= 0 (т.е. измеренное значение контролируемого параметра равно нулю) и 100%-ому браку, когда К = 1 (т.е. измеренное значение превышает пороговое значение).

Введем указанным выше образом диагностические коэффициенты для вибродиагностических методов СКЗ, эксцесс и пик-фактор. Обозначим их Кс, Кэ и Кп соответственно. Для методов анализа по спектру вибрации и огибающей сигнала определим соответствующие коэффициенты и К0 следующим образом.

Пусть для каждого метода определено пит дефектов соответственно. Каждый дефект состоит из гармонического ряда частот, наличие которых в соответствующем спектре вибросигнала с амплитудой выше установленного диапазона говорит о наличии у диагностируемого объекта серьезного дефекта. Допустим, что для каждого ¿-ого дефекта в спектре вибрации, где I изменяется от 1 до ?г, и для каждого у-ого дефекта в спектре огибающей вибросигнала, где / изменяется от 1 до те, в гармоническом ряду частот ведется поиск р' и qj частот соответственно.

По аналогии с предложенным выше определением введем диагностические коэффициенты АГ®, 51 = 1 ,...,р\ ¿ = 1,...,п и V = 1, .„, д-^, ) = 1, для каждой гармоники каждого частотного ряда

в спектрах вибрации и огибающей.

Тогда в качестве диагностического коэффициента К(в гармонического ряда частот ¡-ого дефекта в спектре вибрации возьмем математическое ожидание всех коэффициентов этого ряда. Следовательно

р

к? = - У кЧ , ' р' 1

V

5< = 1

где I изменяется от 1 до п.

Аналогичным образом определим диагностический коэффициент гармонического ряда частот /-ого дефекта в спектре огибающей

вибросигнала:

1 V

; а!

-

где / изменяется от 1 до т.

Теперь в качестве диагностического коэффициента спектра вибрации возьмем математическое ожидание диагностических коэффициентов всех гармонических рядов дефектов К^, 1 = 1,..., п, то есть

те

кв=-Ук».

1=1

Аналогичным образом получим диагностический коэффициент для спектра огибающей вибросигнала

т

1

т£-1 1

/=1

Заметим, что в силу определения коэффициентов К^ и К®, а также в силу

свойств математического ожидания коэффициенты Кв и К0 также изменяются в пределах от 0 до 1, что соответствует 100%-ой годности в случае равенства коэффициента нулю и 100%-ого дефекта в случае равенства коэффициента единице.

Теперь введем понятие Универсального многопараметрического интегрального коэффициента УМнИК как математическое ожидание всех полученных диагностических коэффициентов и обозначим и. Таким образом

и = - (Кс + Кэ + Кп+ Кв+ К0) =

/ р'' т <;> \

\ 1=1 ;=1 ы=1 }

Заметим, что в силу определения УМнИК также изменяется в пределах от О до 1.

Таким образом введен интегральный показатель состояния измеряемой секции диагностируемого подшипника качения. После проведения полного цикла диагностики подшипника мы получим четыре коэффициента УМнИК 1]1,1]2,иг, £/+, соответствующие каждому сектору подшипника в 90 градусов. Каждый из полученных коэффициентов характеризует техническое состояние соответствующего сектора подшипника, причем, чем ближе данный показатель к 1, тем хуже качество подшипника в данной области.

Суть предлагаемого метода по выявлению и предупреждению развития дефектов в годных продиагностированных узлах заключается в определении объектов, у которых один из вычисленных показателей УМнИК кардинально отличается в бблыиую сторону от остальных аналогичных показателей, полученных в результате одного цикла вибродиагностики объекта ремонта.

Таким образом, возвращаясь к описанному выше примеру, годный по всем диагностическим методам в отдельности подшипник качения, тем не менее будет признан бракованным, если при измерении одной из секций данного подшипника будет получен универсальный многопараметрический интегральный коэффициент, значительно превышающий остальные три аналогичных коэффициента.

В силу кардинальных различий в методах и технических средствах ремонта в каждом конкретном депо сети железных дорог ОАО «РЖД» максимальную допустимую величину отклонения одного УМнИК от остальных целесообразно устанавливать на месте исходя из статистических данных о разбросе указанных диагностических коэффициентов.

Следует отметить, что описанный выше интегральный метод обнаружения зарождающихся дефектов универсален и может применяться на любых стендах, где в течение одного полного цикла вибродиагностики производится несколько однотипных диагностических измерений.

Таким образом, целенаправленно делая более большой процент подлежащих ремонту подшипников, мы обеспечиваем более высокую надежность и безаварийность в эксплуатации. Данная операция благодаря предупреждению развития дефектов приносит существенную экономическую выгоду, обеспечивает высокую безопасность движения, увеличивает пробег поездов и их отказоустойчивость.

Заключение по результатам выполненной работы.

- проведен анализ современных диагностических технологий.

- показана целесообразность модернизировать вибродиагностические комплексы для повышения эксплуатационной надежности буксовых узлов.

- приведена статистика отказов элементов подшипников буксовых узлов.

- предложена схема раздельного секторного нагружения, совмещенного с диагностическим контролем подшипника.

- разработан алгоритм посекторного сравнения результатов диагностики.

предложен принцип выделения потенциально ненадежных подшипников.

- разработан математический аппарат для интегральной оценки по совокупности секторных показателей качества диагностируемого подшипника.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Комплекс вибродиагностики буксовых узлов колесных пар подвижного состава. Патент №91430 от 3.12.2009 г. в соавторстве.

2. Устройство для динамического мониторинга состояния ответственных узлов ходовой части железнодорожного транспортного средства. Патент №98069 от 24.02.2010 г. в соавторстве.

3. Система вибродиагностики ответственных узлов ходовой части железнодорожного транспортного средства. Патент №99613 от 19.05.2006 г. в соавторстве.

4. Анализ современных диагностических технологий. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

5. Программно-аппаратные особенности вибродиагностического комплекса нового поколения (ОМСД-ОЗ). ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

6. Результаты производственной эксплуатации комплекса ОМСД-ОЗ и выбор технических направлений для дальнейшего его совершенствования. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

7. Интнгральный метод определения зараждающихся дефектов. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2011 г.

Список использованной литературы

1. Акустические методы и средства контроля./ В кн.: Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий./ Справочник. Т2. — М.: Машиностроение, 1986. С. 189.

2. ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.

3. ГОСТ 20415-82 Контроль неразрушающий. Методы акустические. Общие положения.

4. Рд 32 ЦВ 078-2003 Руководство по визуальному контролю колесных пар грузовых вагонов при эксплуатации и ремонте.

5. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 1: В 2 кн. Кн. 1: Ф.Р. Соснин. Визуальный и измерительный контроль. Кн. 2: Ф.Р. Соснин. Радиационный контроль. — 2-е изд., испр. — М.: Машиностроение, 2006. — 560 е.: ил.

6. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. — 2-е изд., испр. — М.: Машиностроение, 2006. — 864 е.: ил.

7. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 4: В 3 кн. Кн. 1: В.А. Анисимов, Б.И. Каторгин, А.Н. Куценко и др. Акустическая тензометрия. Кн. 2: Г.С. Шелихов. Магнитопорошковый метод контроля. М.: Машиностроение, 2006. 736 е.: ил.

8. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 2: Ф.Я. Балицкий, A.B. Барков, H.A. Баркова и др. Вибродиагностика. — 2-е изд., испр. — М.: Машиностроение, 2006,—829с.: ил.

9. Классификатор дефектов и повреждений подшипников качения ЦВТ— 22., Москва 2007г.

Ю.Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 5: В 2 кн. Кн. 1: В.П. Вавилов. Тепловой контроль. М.: Машиностроение, 2006. — 679 е.: ил. 11.Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т./Под общ. Ред. В.В. Клюева — 2-е изд., испр. Кн. 1: Иванов В.И., Власов Н.Э. Метод акустической эмиссии. —М.: Машиностроение, 2006.-829 е.: ил.

2010294331

2010294331