автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Разработка принципов построения динамического мониторинга ходовой части локомотивов на основе метода акустической эмиссии

Международный межакадемический союз

На правах рукописи

Машталер Юрий Александрович

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ХОДОВОЙ ЧАСТИ ЛОКОМОТИВОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

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

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЬИЫШСЯЕКА

__>012_I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Целью функциональной стратегии обеспечения гарантированной безопасности и надежности перевозочного процесса является снижение отказов технических средств на 5% ежегодно, приняв за отсчетный показатель 2010 год.

Статистика отказов ходовой части локомотивов.

В 2008 году количество отказов технических средств составило 24 337 случаев по сети железных дорог. В 2009 и 2010 годах эти цифры соответственно составили21 161 и21 601 случаев.

Прослеживается определенное снижение отказов технических средств локомотивов - так в 2011 году количество отказов составило 17 401 случай.

Не менее показательна статистика характеризующая долю отказов по вине локомотивного комплекса от общего количества отказов по сети:

2008 г. 36,0%

2009 г. 35,8%

2010 г. 35,6%

2011г. 34,9%

Отказы технических средств локомотивов не только снижает провозную способность отрасли, ее экономическую эффективность, но и приводит к крушениям и авариям грузовых и пассажирских составов.

Казалось бы, выверенная до мелочей современная стратегия безопасности перевозок не исключает крушений, которые приносят не только громадные экономические потери, но и, что самое страшное и непозволительное, приводит к человеческим жертвам. Мировая и отечественная статистика, к сожалению, подтверждает вышесказанное.

Следует заметить, что вынужденная остановка локомотива по технической неисправности ведет к простою 75 грузовых вагонов.

Вышесказанное показывают, что проблема снижения отказов в работе локомотивов является, несомненно, актуальной.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы являются исследование, направленные на разработку принципов построения динамической системы мониторинга ходовой части локомотивов.

В связи с этим:

1. Проведен анализ диагностических технологий в ремонтных депо локомотивного комплекса.

2. Изучены системы постового класса мониторинга подвижного состава.

3. Доказана целесообразность использования за основу мониторинга метода акустической эмиссии.

4. Разработаны основные требования к системе динамического мониторинга колесо-моторных блоков (КМБ).

5.Выбран частотный диапазон акусто-эмиссионных датчиков.

6.Оптимизированы посадочные места датчиков на колесо-моторном блоке.

7. Разработана структурное построение программно-аппаратного комплекса, включая плату сбора данных модуля реального времени и плату взаимодействия электронных компонентов с ПО.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1.Выбор за источник, инициирующий в объекте контроля напряженное состояние, сам объект (масса локомотива).

2.Замена резонансного (ЮОкГц) широкополосным сканирования (1,52,5 МГц).

3.Локализация шумов при диагностике путем наложения на исходный спектр корректирующей информации, взятой из базы данных портретов бракованных подшипников.

4.Алгоритм диагностики КМБ с применением навигационных технологий, банка данных рельсового пути и результатов

вибродиагностического мониторинга буксовых узлов предоставляет выход на прогнозные результаты с установлением его остаточного ресурса.

5.Разработка основных требований к созданию акустоэмиссионной системы мониторинга КМБ нового поколения.

6.Использование опережающего эффекта акустоэмиссионной диагностики по сравнению с вибрационными методами контроля.

7.Применение электромагнитной индукции для снятия диагностической информации с вращающихся объектов.

Практическая значимость работы.

В процессе выполнения диссертационного исследования определены реальные технические и научные направления, позволившие уже на стадии выполнения данной работы получить первые практические результаты -заключается договор на создание системы динамического мониторинга КМБ нового поколения.

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. Постановка задачи

Динамика локомотивов взятая под активный контроль, в первую очередь, его ходовая часть, является ключевой задачей тягового состава.

Разрушение любого элемента ходовой части локомотива - не мгновенный процесс. Оно последовательно развивается от микропластики к формированию микроскопических зародышей и до развития трещин магистральных.

Простейшим критерием работоспособности объекта является стационарность шумового потока. Стационарность шума показывает, что с объектом мониторинга не происходит никаких изменений. Появление же трендов параметров шума свидетельствует о появлении каких-то разрушений.

Набор статистики по появлению признаков разрушения позволяет перейти к диагностическому мониторингу, когда система будет не только оповещать о начале необратимых процессов, но и указывать наиболее верояиный характер разрушений.

Такая задача до последнего времени была мало осуществимой. Но теперь, когда доступны вычислительные мощности в десятки терафлопс, открылась реальная возможность глубокой интеллектуализации железнодорожного транспорта, технологических процессов ремонта и эксплуатации, интегрированных в пооперационную и выходную диагностику.

Эта столбовая дорога к созданию диагностических комплексов нового поколения, которые позволят во взаимодействии с другими отраслевыми интеллектуальными системами решить уникальную по сложности проблему-построить прямое управление безопасностью движения.

Научной основой разработки будут алгоритмы и процедуры формирования образцовых диагностических сигналов, оптимизации распознавания слабых сигналов на фоне сильных помех, построения прогнозирующих трендов, методы оптимальной передачи диагностических и аварийных сигналов в бортовую систему локомотива при жестких эксплуатационных ограничениях.

Инструментальной основой повышения уровня безопасности в грузовом и пассажирском движении является динамический мониторинг технического состояния ходовых частей подвижного состава, позволяющий в реальном масштабе времени сравнивать статически задаваемые нормы, устанавливаемые при ремонте, и реально получаемые в эксплуатации.

Ключевой особенностью предлагаемой системы, отличающей ее от существующих аналогов предыдущего поколения, является наличие искусственного интеллекта в виде оригинально-развитых математических алгоритмов распознавания образов и принятия решений. Алгоритмы распознавания строятся не из возможностей электроники, что было характерно для акустоэмиссионных систем предыдущего поколения, а из матераловедения, т.е. на основе свойств материалов диагностируемых объектов. Опасность трещин и мощность акустоэмиссионных сигналов от них, зависит от двух переменных - размера и формы. Вторая, при известной первой, и действующих напряжениях определяет Коэффициент интенсивности напряжений К в вершине трещины - основной критериальный параметр механики разрушения. Очевидно, что большая, но круглая трещина в разы менее опасна, чем маленькая, но острая.

На рис.1 представлены некоторые физические эффекты в сталях приводящие к появлению акустической эмиссии.

Рис.1

Глава 2. Анализ уровня диагностических технологий в ремонтных депо локомотивного комплекса.

В настоящее время в ремонтных депо локомотивного комплекса используются современные методы неразрушающего контроля:

ультразвуковой [1], магнитно-порошковый [2], вихретоковый [3].

Но наиболее широко в ремонтных депо локомотивного хозяйства представлен вибрационный метод диагностики. И это вполне закономерно. Вибрационный метод диагностирует самую сложную и наиболее склонную к отказам систему колесно-моторных блоков (КМБ).

Вибродиагностическая технология в локомотивном комплексе выстроена по принципу комплексного охвата всех элементов входящих в состав КМБ.

2.1. Система диагностики элементов подшипников качения акустико-эмиссионным методом контроля (рис. 2) выявляет зарождающиеся дефекты металлургического и эксплуатационного происхождения всех элементов подшипника: поперечные, продольные, наклонные трещины любого местоположения.

Рисунок 2

2.2 Система вибродиагностики подшипников (рис.3) качения для ремонтных депо локомотивного хозяйства предназначена для входного и/или выходного контроля подшипников в роликовых отделениях при ремонте подвижного состава.

Система выявляет следующие неисправности: дефекты сборки подшипника; повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания).

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одного подшипника 2 мин.

Система диагностики подшипников в отличие от применяемых сегодня вибродиагностических систем (рис.За) исключает применение усилителей в отдельном исполнении в измерительном тракте за счет совмещения пьезодатчика и усилителя в едином корпусе (рис.36). Данная система в автоматическом цикле контролирует все элементы подшипника, включая и полностью поверхность катания неподвижного наружного кольца (рис.Зв). То есть от оператора, производящего контроль, требуется только установить подшипник на стенд вращения и ввести номер, дальше осуществляется полный автоматический цикл диагностики. Результат диагностики выдается в автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений. Интеллект программного обеспечения системы исключает повторное измерение одного подшипника под разными номерами (рис.Зг).

Рисунок 36

Рисунок Зг

2.3. Система диагностики «холостых» колесных (КП) пар на основе метода акустической эмиссии определяет зарождающиеся дефекты в элементах колесной пары (ось, колесо) локомотива. Процесс диагностики происходит в ремонтных депо при нагружении колесной пары усилиями, соизмеримыми с реальными эксплуатационными нагрузками.

2.4. Система вибродиагностики колесных пар без редуктора (рис.4) на стенде позволяет производить обкатку колесной пары и выявляет дефекты подшипников буксовых узлов: дефекты сборки буксового узла колесной пары; повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс колесной пары; дефекты смазки.

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одной КП на стенде 6-8 мин.

Система диагностики колесных пар в отличие от применяемых сегодня вибродиагностических систем (рис.4а) исключает применение усилителей в отдельном исполнении в измерительном тракте за счет совмещения пьезодатчика и усилителя в едином корпусе (рис.4б). Данная система в автоматическом цикле контролирует все элементы буксового подшипника колесной пары. Результат диагностики выдается в автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений. Интеллект программного обеспечения системы исключает повторное измерение одной колесной пары под разными номерами (рис.4в).

Рисунок 4

Рисунок 4а

Рисунок 46

Рисунок 4в

2.5. Система вибродиагностики КМБ/КРБ (рис.5) на стенде позволяет производить обкатку КМБ/КРБ и выявляет дефекты редуктора, подшипников буксовых узлов, подшипников электродвигателя: дефекты сборки КМБ/КРБ; повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс колесной пары; повреждения редуктора (износ, поломка зубьев колеса или шестерни); дефекты смазки.

Время съема/обработки сигнала (4-8) /2 сек.

Полное время диагностики одного КМБ/КРБ на стенде 6-8 мин.

Результат диагностики выдается в автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений.

Интеллект программного обеспечения системы исключает повторное измерение одного КМБ/КРБ под разными номерами.

Рисунок 5

2.6. Система вибродиагностики тяговых электродвигателей локомотивов (рис. 6) выявляет дефекты и неисправности моторно-якорных подшипников: повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс ротора.

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одного электродвигателя на стенде 4-6 мин.

Возможны варианты состава аппаратной части системы, как в исполнении, приведенном на рис.6а, так и в исполнении рис.66. Результат диагностики выдается 6 автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений.

Интеллект программного обеспечения системы исключает повторное измерение одного электродвигателя под разными номерами.

Рисунок 6

Рисунок 6а

Рисунок 66

2.7. Система вибродиагностики (рис.7) КМБ/КРБ под локомотивом выявляет дефекты редуктора, подшипников буксовых узлов, а так же подшипников электродвигателя при вывешенном локомотиве (рис.8): повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс колесной пары; дисбаланс вала двигателя; повреждения редуктора (износ, поломка зубьев колеса или шестерни); дефекты смазки.

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одного КМБ/КРБ под локомотивом 12-15 мин.

Рисунок 7

2.8. Система управления технологией ремонта (рис.9) строится на пооперационном статистическом анализе результатов диагностирования производственного процесса с выработкой управляющих решений, в случае определения отклонений от контролируемых норм. Система включает в себя локально установленный в депо сервер с возможностью управления технологией ремонта и подключенных к нему диагностических стендов и различных позиций диагностики.

Подшипник АЭ Центр

Подшипнпк ____^^^^^ КМБ под локомотивом

КМБ на стенде

Рисунок 9. Схема управления технологией ремонта в локомотивных депо.

Глава.З. Метод акустической эмиссии - основной инструмент диагностики ходовых частей локомотива в движении.

Несмотря на достаточно высокий уровень вибродиагностики в локомотивном хозяйстве, отказы в процессе движения локомотивов заставляют искать достоверную информацию для выявления зарождающих дефектов, которые не могут идентифицировать диагносьттические технологии в условиях ремонтных предприятий.

Реально эту задачу может решить акустическая диагностика. Метод акустической эмиссии на стационарных стендах применить практически не возможно из-за необходимости создавать оптимальные нагрузки на контролируемых объектах [4]. То есть функционирование системы возможно только при создании или существовании конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу контроля источника акустической эмиссии.

3.1. Методы неразрушающего контроля, применяемые для мониторинга элементов колесных пар в движении.

Помимо систем и приборов неразрушающего контроля, используемых для диагностики колесных пар в деповских условиях, на настоящий момент есть комплексы и системы производящие контроль технического состояния колесных пар и ее элементов в движении.

Тепловой метод [5].

Для мониторинга нагрева буксового узла применяются температурньие датчики, установленные в буксы. Данный метод контроля широко внедрен и применяется в пассажирском хозяйстве. Температурные датчики при возникновении аварийной (по температуре) ситуации передают тревожный сигнал в купе проводников того вагона где произошел нагрев буксового узла, после чего принимаются экстренные меры по остановке поезда и установлению причин нагрева.

Регистрацию температурного фона буксового узла используют системы: ДИСК, ПОНАБ и КТСМ. Работа этих систем основана на преобразовании и

обработке электрических сигналов, вырабатываемых напольным оборудованием. Данные системы предназначены для обнаружения перегретых букс подвижного состава, проходящего через стационарные пункты расположения данных комплексов.

При превышении амплитуды теплового сигнала правой и левой стороны поезда установленного значения порога, вырабатывается сигнал тревоги; по которому включается звуковая и световая сигнализация на пульте оператора. При этом параллельно с выдачей в блок автономной работы запоминается порядковый номер вагона и стороны поезда, в которой расположена перегретая букса. Всего блок автономной работы может запомнить информацию о 16 вагонах.

При нормальных условиях эксплуатации, например, прибор КТСМ обладает следующими основными характеристиками:

® выявление перегретых букс с температурой подшипника выше 70 С, не менее - 85%;

° выявление перегретых букс С Температурой подшипника выше 140 С, не менее - 90%.

К недостаткам данных систем и приборов, основанных на тепловом методе контроля можно отнести:

° обнаружение неисправности/дефекта буксового узла уже при достижении критического значения. Так как если температура начала расти, это говорит о том, что состояние узла критическое и необходима срочная остановка и отцепка данного узла, чтобы не допустить заклинивания и схода подвижного состава;

° низкая достоверность и большое количество ложных срабатываний; о рост критического дефекта не всегда вызывает рост температуры; ° невозможность оценить техническое состояние осей и колес.

Вибрационный метод контроля в движении [6].

В настоящее время проходят опытную эксплуатацию, системы мониторинга узлов подвижного состава в движении, которые основаны на использовании вибрационного метода неразрушающего контроля.

Например, одна из таких систем диагностики КМБ электровоза типа BJÏ80C состоит и работает следующим образом: вибропреобразователи ускорения устанавливаются на специальный болт, который вворачивается в корпус КМБ (буксовые узлы и кожух зубчатой передачи). Сигналы, выдаваемые вибропреобразователями, через кабели подаются на входы многоканального усилителя заряда, где они усиливаются и нормируются в величинах напряжения, пропорциональных амплитуде ускорения вибрационного процесса.

Из усилителя заряда по кабелю сбора информации эти сигналы подаются на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), где они преобразуется в цифровой сигнал, и передаются в компьютер.

После обработки по программе через определенное время на экране монитора высвечивается пиковое значение виброускорения.

Подобным образом функционируют и работают на сегодняшний день опытные системы динамического мониторинга буксовых узлов, основанные на вибрационном методе неразрушающего контроля, в пассажирском хозяйстве.

Но следует констатировать факт, что вибродиагностические системы динамического мониторинга имеют неудовлетворительную достоверность (по сравнению самими с собой, но в условиях депо) и позволяют определять наличие дефектов уже на поздних стадиях их развития. Кроме того в силу особенностей вибрационного метода неразрушающего контроля — он не позволяет выявлять дефекты (например, трещины) в осях и колесах колесных пар подвижного состава, данный факт — обнаружения дефектов на поздних стадиях развития не может удовлетворять тем условиям, которые выдвигаются к вновь разрабатываемым системам контроля в движении.

3.2. Технические требования, предъявляемые к системе динамического мониторинга элементов колесных пар на основе АЭ контроля.[7, 8]

Неразрушающий контроль элементов колесной пары (колеса и оси) в движении производится при их нагружении весом локомотива. То есть работа системы АЭ контроля возможна только при создании или существовании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта контроля работу источников акустической эмиссии.[9, 10]

Система мониторинга в движении элементов колесных пар на основе АЭ метода неразрушающего контроля должна состоять из: ° датчиков акустической эмиссии; 0 датчики угла поворота колесной пары;

0 устройства сбора и первичной обработки данных на базе промышленного компьютера;

о устройства точного позиционирования; ° устройства точного хранения и передачи данных.

0 программного обеспечения с автоматической постановкой диагноза со степенью опасности выявленных дефектов, и отвечать следующим требованиям:

° должна быть решена проблема выделения полезного сигнала из общего шума при движении состава;

° система динамического мониторинга должна иметь динамический диапазон до 110 дБ с временным интервалом в 1 мкс;

° определение времени прихода сигналов и с какой колесной пары, вплоть до точки контроля;

0 перечень дефектов, которые система должна выявлять:

- внутренние, по всему объему металла дефекты колеса;

- внутренние, по всему объему металла дефекты оси;

° выявлять и регистрировать развивающиеся дефекты металлургического и эксплуатационного происхождения по всей поверхности элементов колесных

пар, кроме того уметь классифицировать данные дефекты по степени их опасности для контролируемого объекта;

• система должна обладать высокой чувствительностью к растущим дефектам относительно других методов;

° система должна выявлять дефекты независимо от геометрической формы, положения и ориентации.

3.3. Характерные особенности и достоинства системы диагностики элементов колесных пар качения на основе метода АЭ.

0 Разрешение дефектов по времени в 5-7 раз быстрее, чем при вибродиагностике.(рис.10)

о ио -

ш 0018

| 0010

1-Е 0.014

| 0.012

У 0.0Ю г

6 ооо.

С СО«5

< 0.004

!-' I'! ■ I

2У1 ЛС0 6С0 £00 10» 120С

О )П|1

5x104

ЛОЗ 5С0 6СЭ -ССО '200 14С0 1600

Время, с

Пороговые значения (предельные) дефекта Температурный порог

А^стоомпсснонныП порог

Вибрационный порог

Рис.10

° Интегральность, которая заключается в том, что используется несколько преобразователей АЭ, соответственно диагностируется весь объект.

0 Дистанционность, которая позволяет производить контроль объектов при значительном удалении от объекта.

0 Возможность контроля в реальном масштабе времени (в процессе работы объекта), что позволяет предотвратить катастрофическое разрушение контролируемого объекта и производить прогнозирование технического состояния объекта.

° Меньшее количество ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем для других методов НЕС. Например, неоднородность материала оказывает большое влияние на показания ультразвукового метода, тогда как для АЭ данные свойства материала не имеют существенного значения. Поэтому у систем на основе метода АЭ более широкий диапазон применения (по материалам).

0 Высокое (возможно, максимальное) соотношение эффективность/ стоимость в области систем диагностики основанных на других методах неразрушающего контроля.

3.4. К объему экспериментальных и научно-исследовательских работ, при создании системы мониторинга колесной пары в движении на основе метода АЭ, следует отнести:

° установку мест датчиков акустической эмиссии на колесных парах и их количество;

0 определение оптимальных частотных диапазонов акустоэмиссионных сигналов;

° разработку алгоритмов предварительной обработки акустоэмиссионных сигналов;

° разработку методов пост-обработки диагностической информации с выдачей прогнозных рекомендаций на основе степени опасности выявленных дефектов;

° передача по радиоканалу акустоэмиссионной информации в компьютер, находящийся в кабине машиниста;

° разработка модели функционирования системы;

- достоверность системы должна быть не ниже 99%.

3.5. Экономические показатели.

Экономическую эффективность данного метода неразрушающего контроля состояния можно проиллюстрировать простым примером. Стоимость вывода из эксплуатации резервуара большого объёма и его очистки, с целью инспекции днища, может достигать полумиллиона долларов. Ясно, что если по

графику инспектировался неповреждённый резервуар, то в результате проведенных работ не произойдёт какого либо изменения его состояния. Следовательно, в определённом смысле деньги оказываются потраченными впустую. Однако эти затраты обоснованы - эксплуатация резервуара в аварийном состоянии может явиться причиной существенно больших убытков, что наглядно демонстрирует стоимость информации о состоянии экологически опасных объектов. Между тем при применении акустоэмиссионной диагностики затраты на получение необходимой информации могут составлять всего 0.1 % от расходов по выводу резервуара из эксплуатации.

Глава 4. Принципы построения динамического мониторинга ходовой части локомотивов на основе метода акустической эмиссии.

Акусто-эмиссионный метод и оборудование, основанное на этом методе,

является наиболее полным и чувствительным методом технического диагностирования. Аппаратура АЭ диагностики привлекательна своей надежностью, мобильностью и экономической эффективностью в отношении сравнения затрат на диагностику и на ликвидации последствий возможных катастроф. Главное достоинство метода АЭ состоит в том, что он является единственным методом, предоставляющем информацию об образующихся и развивающихся дефектах в структурах в реальном масштабе времени и, таким образом, позволяет строить эффективные и гибкие объектно-ориентированные системы мониторинга как мобильные бортовые, так и стационарные.

Характерной чертой метода акустической эмиссии является то, что акустические импульсы излучают дефекты, развивающиеся под действием приложенной нагрузки.

4.1. Акустические датчики.

Датчики акустической эмиссии являются ключевыми элементами диагностических и мониторинговых систем, поскольку от их характеристик принципиально зависит чувствительность метода выявления дефектов и эффективность применяемых алгоритмов распознавания дефектов.

Выбор датчика должен основываться исключительно на понимании физики процессов дефектообразования и развития в исследуемом материале. Данные процессы определяются видом материала, точнее его микроструктурой, и способом механического воздействия на него. Боковая рама вагонов, применяемых в железнодорожном транспорте, изготавливается из стали 20ГЛ. Данный вид стали относится к углеродистой феррито-перлитной стали средней прочности с хорошей хладостойкостью и вязкостью разрушения, определяемой особенностями микроструктуры и значительной долей вязкой ферритной и компоненты в ней. Структура данной промышленной стали достаточно сложна и характеризуется большим количеством компонент, отличающихся

характерными размерами и свойствами. Взаимодействие между этими компонентами структуры определяет отклик стали на различные виды воздействия, от статического до ударного, при разных температурах. Основными, но не единственными, элементами микроструктуры являются

1) Развитые ферритная и перлитная фазы

2) Дендриты

3) Поры, образовавшиеся при кристаллизации стали в междендритном пространстве

4) Хрупкие частицы и включения: Сульфиды (марганца), и сложные карбиды и оксиды (алюминия)

5) Значительная неоднородность распределения элементов по объему и соответствующая неоднородность состава и свойств, вызванная промышленной технологией изготовления

При статическом и ударном нагружении при комнатной температуре, как принято в большинстве практических испытаний новых, либо отремонтированных боковин, разрушение происходит по вязко-хрупкому механизму с образованием развитой ячеистой субструктуры и существенной ролью дислокационной активности, благодаря запасу пластичности стали.

В процессе инициации разрушения принципиальную роль играют хрупкие включения, которые либо разрушаются сами либо инициируют трещины расслоения в матрице. В ходе распространения, трещина взаимодействует как с несплошностями, неметаллическими включениями, перлитной фазой и т.д., что приводит к скачкообразному росту с чередой "прыжков и остановок", а так же к ветвлению и блокировке трещин.

Наличие в структуре неизбежных хрупких неметаллических включений, несплошностей, дендритов и цементной фазы со сложной пространственной конфигурацией снижает локальную пластичность стали, а неоднородность распределения структурных компонент ведет к значительной непредсказуемости и неповторяемости локального процесса разрушения даже в одинаковых условиях испытаний. Данное обстоятельство должно в явном виде

учитываться при разработке регистрирующей АЭ аппаратуры, прежде всего, датчиков и диагностирующих алгоритмов.

Боковины, прошедшие период эксплуатации под нагрузкой, кроме всего прочего подвержены старению, потере пластичности, и формированию микроскопических усталостных трещин, для появления которых в структуре есть очень много концентраторов напряжений от включений до дендритов и границ раздела фаз. Усталостные трещины распространяются от поверхности рамы вглубь, как правило по участкам междендритной несплошности и при участии окислов и коррозионных процессов.

Даже данный -очень краткий обзор структуры и процесса разрушения стали говорит о достаточно сложном и многохарактерном процессе разрушения, в котором участвуют много взаимодействующих механизмов, приводящих к сложному широкополосному сигналу АЭ от всего комплекса дефектов. Соответственно, эффективная система диагностики движущихся дефектов типа трещин в процессе механических испытаний должна быть адекватной физике процессов зарождения и распространения трещин в данной стали.

Характеристики применяющегося на сегодняшний день датчика GT200 (функциональный аналог датчика R15 общего применения фирмы Physical Acoustic Corporation, USA) приведены на рисунке. Данный датчик является типичным резонансным, с ярко выраженным пиком чувствительности в районе 100 кГц (производитель говорит от 165 кГц, хотя отклик датчика говорит скорее о 100 кГц)

g ~ » i s

I К / \

г? \ / 'Л "V

(1 \ м /1 Л»

1 \ / \ Л Г rV Л

W 1 1

I

датчик GT200 датчик R15

U< 111 III 111 -до Уй 4(| >Й1 г„

чьетотл.гги

Таким образом, единственной характеристикой сигнала, снимаемого с выхода данного датчика является амплитуда, которая правильно характеризует только дефекты, генерирующие АЭ сигнал в заданной узкой полосе частот, соответствующей резонансу. Таких дефектов в металлах не существует вообще, поскольку все они имеют свойство эволюционировать под нагрузкой, что приводит к изменению их свойств и, соответственно, частотных спектров излучаемых АЭ сигналов. Все дефекты генерируют как правило широкополосные сигналы и принципы распознавания сигналов от различных дефектов строятся исключительно на анализе волновых форм и соответствующих Фурье (или Вейвлет) спектров, что совершенно невозможно при узкополосной регистрации сигналов. Кроме того, при такой записи, даже по амплитуде не возможно определить степень опасности развивающегося дефекта. Например, сильно локализованная, но не очень опасная, пластическая деформация в ферритной фазе будет приводить к сигналам с максимумом в спектре как раз в районе 100 кГц, а быстро растущая трещина по хрупким включениям будет характеризоваться существенно более высокими частотами, в районе 1000 кГц, не говоря уже о разрушении маленьких включений, с которых чаще всего и начинается процесс формирования макротрещины.

Таким образом, опираясь на данные такого датчика разработчик вынужден:

а) говорить с некоторой (неопределенной строго) долей уверенности только о самых крупных трещинах, не говоря ничего об их размерах и степени опасности;

б) использовать только частичную информацию о дефекте, что снижает достоверность принятия решения по сигналу АЭ, сводя метод, по сути к пруф-тесту, что крайне неэффективно с учетом отмеченной выше технологической неоднородности структуры и индивидуальности процесса разрушения; с) устанавливать высокий уровень порога регистрации АЭ, для того , что бы избавиться от технологического шума, снижая тем самым, чувствительность к небольшим трещинам и другим дефектам. Шум при этом не может быть

полностью подавлен и определить признаки механических шумов в сравнении

с АЭ сигналом от дефекта не возможно.

д) не использовать современные методы обработки сигнала.

С учетом развития электронной и вычислительной базы АЭ, современной альтернативой резонансной регистрации становится широкополосная регистрация, ранее применявшаяся преимущественно в исследовательских лабораториях. Типичным широкополосным датчиком АЭ является преобразователь МБАЕ-1300-\^В фирмы МПсгоБешоге АЕ (Россия) с достаточно равномерной АЧХ до 1500 кГц и пиком чувствительности в районе 1300 кГц.

ICO xa ХО <Ш КО КО ICO во коксомооооотиоожо

Frcqucncy (кНг)

Использование подобного преобразователя не только значительно повышает чувствительность метода в интересующем диапазоне частот в районе 1000 кГц для регистрации активных хрупких трещин, но предоставляет разработчику АЭ метода новые широкие возможности использования беспороговых методов регистрации АЭ в широком диапазоне частот и применения современных математических алгоритмов распознавания образов для достоверного выделения АЭ сигналов на фоне шума, дискриминации источников АЭ и принятия автоматических решений в реальном времени без экспертной человеческой оценки.

4.2. Установка датчиков.

Колесные пары локомотивов воспринимают и передают на рельсы массу кузова и тележек со всем оборудованием. При движении локомотива каждая

колесная пара, взаимодействуя с рельсовой колеей, воспринимает удары от неровностей пути и направляющие силы и, в свою очередь, сама жестко воздействует на путь. Кроме того, колесной парой передается вращающий момент тягового электродвигателя, а в месте контакта колес с рельсами реализуется сила тяги и торможения. От состояния колесной пары зависит безопасность движения поездов, поэтому к выбору материала, изготовлению отдельных элементов и формированию колесной пары предъявляются особые требования. Колесные пары имеют довольно сложную конструкцию. Анализ показал, что наиболее удобным местом установки АЭ датчика, являются центровые отверстия. Они выполнены в торцах оси, и позволяют при ремонте производить обточку колес для восстановления профиля бандажей колесных пар. (рис.11).

¿Г ■8 у? У -Р

4- « в - -1

Рис.11. Место установки АЭ датчика Если первая часть датчика должна быть установлена на колесной паре, то вторая часть датчика закрепляется на внутреннем торце крышки буксового узла и при сборке оба датчика центрируются друг относительно друга.

Ещё один торец колеса на каждой тележке локомотива может использоваться для заземления. Колесные пары выполняются унифицированными, для взаимозаменяемости. Соответственно, в принципе, свободные центровые отверстия осей колесных пар могут быть использованы для установки системы диагностики. Ввиду достаточно миниатюрных

габаритов датчика, вероятно, не потребуется изменять даже крышку буксы. Без каких-либо существенных переделок конструкции локомотивов.

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

АЭ система

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

Информационный датчик 1, смонтированный в центровочном отверстии оси 2 колесной пары, получает от приемного датчика 3 электропитание на основе электромагнитной индукции. Приемный датчик, расположенный на внутренней стороне крышки буксового узла 4, в свою очередь, принимает АЭ информацию также на основе электромагнитной индукции. С этого датчика диагностическая информация поступает в компьютер. Компьютер также

принимает информационные потоки, обусловленные механическими шумами электромагнитными помехами и виброакустические сигналы вращающихся подшипников с их многообразием дефектов.

4.3. Проблема шума.

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

Виды шумов

Электрические помехи

Дифференциальные датчики

—Г

Волоконно-оптические датчики

Механические шумы

т

Локация источников в зоне контроля Фильтрация низкочастотных шумов

Рис. 13. Модель локализации помех

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

о Наибольшую сложность в процессе анализа АЭ информации представляют подшипники буксовых узлов, и не столько сами подшипники, как их типовые неисправности.

Для того чтобы учесть влияние дефектов подшипников на результаты диагностического процесса в базу данных системы были введены все акустические образы дефектов, искажающие получаемую АЭ информацию. В компьютер поступает диагностическая информация о техническом состоянии

каждой колесной пары, выделенный сигнал под шумом, фильтрованный сигнал на фоне электромагнитных помех и соответствующий сигнал от бездефектного подшипника или с учетом браковочного признака, взятого из базы данных. (Рис. 14)

ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛА НА ФОНЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ШУМОВ

ШУМОВОЙ СИГНАЛ

АКУСТИЧЕСКИМ СИГНАЛ

ВИБРОДИАГНОСтаЧЕСКИ СИГНАЛ

Выходной стнал стналы

Базы данных дефектов подшпников

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

Выделение полезного сигнала производится наложением на исходный спектр корректирующей информации от механических шумов, электронных помех и подшипниковой составляющей.

4.4. Совмещенные методы диагностики.

Современный локомотив оснащается двумя основными типами датчиков вибрационными и акустоэмиссионными.

Система мониторинга на основе акустоэмиссионного метода в сочетании с мониторингом буксовых узлов с использованием вибродатчиков (рис.15)

позволит полностью замкнуть диагностику ходовых частей локомотивов в процессе их движения.

Рис. 15

Измеряя скорость дрейфа параметров, вибро и акустоэмиссионных систем ходовых частей локомотива, вычисляются остаточные ресурсы за счет полной реализации комплекса прогнозного мониторинга (рис.16)

Рис.16

Алгоритм диагностики КМБ позволяет с использованием навигационных технологий, банка данных рельсового пути и результатов вибродиагностического мониторинга буксовых узлов при его реализации четко фиксировать в реальном режиме времени техническое состояние КМБ в целом

и прогнозировать, с учетом скорости дрейфа дефекта, его остаточный ресурс.(рис. 17)

„I "ггтаг

Ю

N

Hyni.il-V« тг<1 М1Л 100 > 1Гц

> [>■ N Т

Вивро-дпчв|| .. Щ

Г1

И

_1_I_|_

о

Опытный

#

Плата сбора данных

Схема взаимодействия электронных компонентов и программного обеспечения

Ш

Многоядерный ПК

& • 1 г-I

РЯН]

ГЗ

Схема и характер взаимодействия программных модулей

Тревога и комтроль

Сбор данных

ч време»

\1

Редактор сценариев

Модуль реального времени

Специализированный вычислитель

Рис.17

4.5. Расчет длины затухания сигнала.

Выполненная работа позволила составить сопоставительную картину современных АЭ систем с системой, которая будет разрабатываться по результатам проведенных исследований.

Современная АЭ-система Разрабатываемая АЭ-система

Отсутствие искусственного интеллекта (решение принимается человеком) Наличие искусственного интеллекта (решение принимается автоматически)

Низкая помехозащищенность -наличие усилителя и проводной связи Высокая помехозащищенность (усилитель выполнен в твердотельном исполнении и совмещен с АЭ-датчиком

Низкая достоверность выделения в информационном сигнале зарождающихся активных хрупких трещин (резонансная регистрация дефектов) Высокая достоверность выделения в информационном сигнале зарождающихся активных хрупких трещин (широкополосная регистрация дефектов)

Диапазон частот до 150 кГц (реально рабочий - 130 кГц) Диапазон частот до 3 МГц (реально рабочий - 1,5-2 МГц)

Возможность диагностики вращающихся конструкций узлов и агрегатов отсутствует Возможность диагностики вращающихся конструкций узлов и агрегатов реализуется

Стоимость канала системы -150000 руб. Стоимость канала системы -50000 руб.

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

- = (т]2 +<?2)1/4 8Н1

0,5 ^arctg —

ё =й)(ь0с0+к0с0) ; т] = а)2 ь0 с0-д0а0;

дп=3л/*у;

1

з=—

г

\ 1/2

2;г(ту

С0 - 2пко& 1п

[—4

у

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

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

Заключение

1. Проведен анализ диагностических технологий в ремонтных депо локомотивного комплекса.

2. Изучены системы постового класса мониторинга подвижного состава.

3. Доказана целесообразность использования за основу мониторинга метод акустической эмиссии.

4. Разработаны основные требования к системе динамического мониторинга колесо-моторных блоков (КМБ).

5. Выбран частотный диапазон акусто-эмиссионных датчиков.

6. Оптимизированы монтажные места датчиков на колесо-моторном блоке.

7. Разработана структурное построение программно-аппаратного комплекса, включая плату сбора данных модуля реального времени и плату взаимодействия электронных компонентов с ПО.

8. Выбран за источник, инициирующий в объекте контроля напряженное состояние, сам объект (масса локомотива).

9. Локализация шумов при диагностике путем наложения на исходный спектр корректирующей информации, взятой из базы данных портретов бракованных подшипников.

10. Алгоритм диагностики КМБ с применением навигационных технологий, банка данных рельсового пути и результатов вибродиагностического мониторинга буксовых узлов предоставляет выход на прогнозные результаты с установлением его остаточного ресурса.

11. Применение электромагнитной индукции для снятия диагностической информации с вращающихся объектов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Работа в одно лицо - требование времени. Ж. «Локомотив», №1 2009 г.

2. Безопасность движения в локомотивном хозяйстве. Ж. «Железнодорожный транспорт», №4 2009 г.

3. Метод акустической эмиссии - основной инструмент диагностики ходовых частей локомотива в движении. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

4. Современные акустоэмиссионные датчики. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

5. Принципы построения динамического мониторинга ходовой части локомотивов на основе метода акустической эмиссии. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2011 г.

Список использованной литература

1. 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.

2. 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.

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

4. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т./Под общ. Ред. В.В. Клюева — 2-е изд., испр. Кн. 1: Иванов В.И., Власов И.Э. Метод акустической эмиссии. — М.: Машиностроение, 2006.-829 е.: ил.

5. 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.

6. 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.

7. Методы вибродиагностики применительно к задачам вагонного хозяйства. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2007 г.

8. Методология повышения достоверности средств неразрушающего контроля. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

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

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

2010294332

2010294332