автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Виброакустическая диагностика подшипниковых узлов тягового привода вагонов метрополитена серии 81-717, 81-714

МПС РФ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

МИКИТА ГУРИЙ ИШТВАНОВИЧ

УДК 629.423.001.24:621.3.024:519.2

ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ

ТЯГОВОГО ПРИВОДА ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА СЕРИИ 81-717, 81-714

05.22.07 Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, к.т.н. В.А.Рамлов

МОСКВА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 5

Глава 1. Актуальность вопроса и задачи исследования. 9

1.1. Система обслуживания и ремонта подвижного состава метрополитена.

Выбор цели исследования. 10

1.2. Виброакустические методы диагностирования. 16

1.3. Требования, предъявляемые к системе диагностирования подшипниковых узлов тягового привода.

Задачи диагностирования. 22

Выводы. 24

Глава 2. Исследование механической и виброакустической систем тягового привода вагонов метрополитена серии 81-717, 81-714. 25

2.1. Подшипники тягового привода как объект диагностирования. 26

2.1.1. Кинематика подшипников качения. 28

2.1.2. Конструктивные особенности узлов тягового привода. 33

2.1.3. Колебания подшипниковых узлов тягового

привода в режиме диагностирования. 39

2.2. Виды дефектов деталей подшипниковых

узлов тягового привода. 45

2.2.1. Причины образования дефектов. 47

2.2.2. Модель дефектов подшипников. 54

2.3. Исследование виброакустической системы тягового привода. 58

2.4. Разработка математической модели диагностирования объекта исследования. 65

2.5. Виброакустическая цифровая программная система. 74 Выводы. 78

Глава 3. Экспериментальные исследования подшипниковых узлов тягового привода. 79

3.1. Экспериментальное определение соответствия виброинформации узлов тягового привода по условиям Дирихле. 80

3.2. Спектральное исследование виброакустической системы тягового привода. 82

3.3. Экспериментальное определение взаимосвязи амплитудного значения составляющих вибраций и ударных импульсов. 88

3.4. Натурное моделирование дефектов. 92

3.4.1. Определение места и способа установки датчика. Оопределение режима диагностирования. Определение способа обработки виброинформации. 92

3.4.2. Дефекты внутреннего кольца подшипника. 96

3.4.3. Дефекты наружного кольца подшипника. 101

3.4.4. Дефекты сепаратора, тел качения и смазки подшипника. 103

Выводы. 110

Глава 4. Система технической диагностики подшипни-

ковых узлов тягового привода. 112

4.1. Диагностические признаки технического состояния подшипников. 113

4.2. Методика постановки диагноза.

Определение степени износа. 117

4.3. Критерии для оценки качества виброакустической диагностики. 120

4.4. Структура системы контроля подшипниковых узлов тягового привода вагонов метрополитена серии 81-717, 81-714 применительно к деповскому ремонту. 128

4.5. Диагностирование подшипниковых узлов других типов железнодорожного подвижного состава. Экономическая эффективность внедрения вибродиагностики подшипниковых узлов тягового привода 131

Выводы. 136

Заключение. 137

Приложения. 141

Список использованной литературы. 155

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей отраслью народного хозяйства России является железнодорожный транспорт. Его значение в осуществлении грузовых и пассажирских перевозок огромно. Метрополитен является городской электрической железной дорогой. Он значительно разгружает городские наземные магистрали, способствует снижению шума на улицах и уменьшению загрязненности воздуха.

Московский метрополитен был построен после открытия метрополитенов в Лондоне (1863), Париже, Нью-Йорке и Токио. Его открытие состоялось 15 мая 1935 года. Сейчас протяженность линий Московского метрополитена составляет 243,6 км (1995 г.). Он имеет 150 станций. Среднесуточная перевозка пассажиров составляет 8720 тысяч человек.

Повреждения тягового привода вагонов метрополитена и его подшипниковых узлов приводят к тяжелым последствиям на линии, которые зависят от многих случайных факторов и скорости движения в момент отказа. По международной классификации повреждения подшипников тягового привода относятся к первой и второй группам критичности. Наличие даже очень малой вероят-

ности повреждений этих узлов требует особого внимания к ним и принятия мер, уменьшающих повреждения.

В настоящее время техническая диагностика подшипниковых узлов тягового привода при ремонте в деповских условиях основана на органолептических принципах.

Для проверки состояния подшипников тягового привода в эксплуатации без увеличения простоя вагона в ремонте необходим безразборный виброакустический метод.

Определенные сложности вызывают неразработанность аналогичных методов в условиях деповского ремонта метрополитена, сжатые нормы технологического времени, отведенного на ремонт подвижного состава, отсутствие программных продуктов, позволяющих осуществлять такую диагностику, отсутствие диагностической аппаратуры в депо. Условия цеха требуют переносного комфортабельного оборудования, легкого и удобного в обращении.

В диссертации рассмотрены: система ремонта подвижного состава; методы диагностирования; требования, предъявляемые к системе диагностирования подшипниковых узлов, в связи с ними задачи диагностирования; исследование объекта диагностирования, математическая модель виброакустического диагностирования объекта исследования; натурные исследования подшипниковых узлов при различных дефектах; диагностические параметры и признаки, определение степени износа подшипников; структура системы контроля подшипниковых узлов тягового привода вагонов метрополитена серии 81-717, 81-714 применительно к деповскому ремонту; деповское вибродиагностирование подшипников в цехе ремонта; диагностирование подшипниковых узлов других типов подвижного состава; экономическая эффективность от внедрения вибродиагностики.

Деповское диагностирование дало практическую возможность технологически отработать структуру системы контроля подшипниковых узлов в цехе ремонта депо. Таким образом, была достигнута цель исследования - разработан рабочий метод виброакустической диагностики и структура системы контроля подшипниковых узлов тягового привода вагонов метрополитена 81717, 81-714 применительно к деповскому ремонту.

В работе используются теоретические, лабораторные, экспериментальные и деповские методы исследований. Применены методы математической статистики, экспертных оценок, В качестве экспериментальной базы использовался ВЦ РГОТУПС, лабораторный стенд тележки вагона метрополитена лаборатории кафедры "Электрическая тяга" РГОТУПС, электродепо "Сокол" Московского метрополитена, вагонное депо "Исакогорка" Северной железной дороги, локомотивное депо "Брянск-2", локомотивное депо "Ховрино" Октябрьской железной дороги, электродепо "Новогиреево", "Выхино", "Измайлово", "Красная Пресня", "Варшавское", "Замоскворецкое" Московского метрополитена, Государственное предприятие по ремонту подвижного состава метрополитена ЗРЭПС.

Необходимо отметить особую роль, которую играет в разработках вопросов диагностики подвижного состава Российский Государственный Открытый Технический Университет Путей Сообщения (РГОТУПС). Диагностирование подвижного состава является для кафедры "Электрическая тяга" РГОТУПС-а приоритетной тематикой научно-исследовательских работ и трудов. Первая в мире диагностическая установка для комплексной проверки технического состояния электровозов была смонтирована в локомотивном депо Москва-пассажирская-Курская в ноябре 1967 года благодаря научной работе кафедры. /120/. Научный коллектив кафедры во главе с профессором, д.т.н. Н.А.Ротановым внес зна-

чимый вклад в вопросы разработки и внедрения предложений по созданию пункта диагностики электровозов в локомотивном депо и диагностики электрооборудования вагонов метрополитена.

Необходимо отметить большой вклад в область виброакустической диагностики профессора В.А.Рамлова, посвятившего этой проблематике десятки научных работ.

Активно работает по диагностике подшипниковых узлов тепловозов доцент, к.т.н. В.Д.Шаров, под руководством которого разработана и внедрена виброакустическая диагностика подшипниковых узлов в депо "Исакогорка".

Особая актуальность и фундаментальность вопросов, связанных с механической частью электропривода, прослеживается в работах профессора, д.т.н. А.Н.Савоськина.

Автор выражает признательность профессору, д.т.н. А.А.Шестакову, доценту, к.т.н. Л.А.Осипову и ст.преподавателю РГОТУПС'а В.М.Голубцову за консультативную помощь во время работы над диссертацией, а также за конструктивную направленность советов доцентов, к.т.н. А.А.Аваткова и А.П.Куна.

Необходимо отметить помощь при проведении натурных и деповских испытаний, оказанную автору начальником электродепо "Сокол" Московского метрополитена В.Н.Гараниным и коллективом вагонного депо "Исакогорка" Северной железной дороги.

АКТУАЛЬНОСТЬ ВОПРОСА

И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В первой главе определяется актуальность вибродиагностики подшипниковых узлов тягового привода вагонов метрополитена. Рассматривается система обслуживания и ремонта подвижного состава. Определяется цель исследования. Рассматриваются виброакустические методы диагностирования. Определяются наиболее распространенные методы диагностирования. Рассматриваются требования к системе диагностирования подшипниковых узлов. Определяются задачи диагностирования.

1.1. Система обслуживания и ремонта подвижного состава метрополитена. Выбор цели исследования.

На метрополитене применяется планово - предупредительная система обслуживания и ремонта подвижного состава. Она предусматривает проведение технического обслуживания (ТО) и технических ремонтов (ТР). ТО-1 проводится через 20 часов, ТО-2 - через 3,75+-1,0 тыс.км, ТО-3 - через 7,5+-2,0 тыс.км, ТО-4 - при необходимости обточки колесных пар. ТР-1 проводится через 60,0+-10,0 тыс.км, ТР-2 - через 240,0+-10,0 тыс.км, ТР-3 - через 480,0+-20,0 тыс.км. Средний ремонт (СР) проводится через 960,0+-40,0 тыс.км, капитальный ремонт (КР) - через 2880 тыс.км. При ТО-1,2,3 определяют на ощупь степень нагрева подшипников колесных пар и тяговых двигателей. При ТО-4 выполняют обточку бандажей колесных пар без выкатки их из под вагона. При ТР-1 вагоны прокатывают.

При ТР-2 производят частичную замену колесных пар, тяговых двигателей, если их износ выше нормы. При ТР-3 производят выкатку, полную разборку и ремонт тележек. Отдельные детали проверяют на магнитном и ультразвуковом дефектоскопах. Все колесные пары и тяговые двигатели отправляют на полное освидетельствование и в заводской ремонт. КР-1 и КР-2 выполняют на заводах или в специализированных депо. При этих ремонтах производят разборку и освидетельствование всех частей оборудования.

Из рассмотренной системы обслуживания и ремонта следует, что подшипниковые узлы тягового привода подвергаются полной ревизии при капитальном ремонте./1:263/.

Подшипники узлов тягового привода вагонов метрополитена серии 81-717 и 81-714 эксплуатируются в условиях стационарных температурных режимов. Статистический анализ базируется на данных за пять лет.

В статистических отчетах о повреждениях не выявлялась отдельно группа подшипников тягового двигателя. В связи с этим было проведено исследование повреждений этих подшипников методом экспертных оценок. Данные приведены в таблице 1.1-1.

О - означает, что с этим повреждением данный специалист не встречался в своей работе. Количество повреждений отражено специалистами по пяти - ранговой системе.

Ранг 1 присваивается для причины с min по мнению специалиста количеством повреждений относительно других причин. Ранг 5 - тах.

Сумма квадратов разностей между членами суммарной ранжировки и членами ряда, составленного из средних значений определится как:

n m

S = I(IXji - m(n+1)/2)2 (1.1-1)

¡=1 j=i

и составит; S = 48.5

Коэффициент согласия

W = S/Smax = 12S/(m2*(n3-n)) (1.1-2)

W = 0.1

При наличии согласия между специалистами по данному вопросу:

0<W< 1

(1.1-3)

Таблица 1.1-1.

Экспертная оценка повреждений диагностируемых узлов тягового привода

вагонов метрополитена на линии.

эксперты i объекты i

тяговый двигатель букса редуктор

неисправный подшипник перекос; подшипника излом зуба шестерни иные причины дефекты смазки подшипника

1 5 0 'Z 0 3

2 0 2 А 4 5 3

3 0 2 d 5 3

4 1 3 0 0 3

5 0 1 0 0 1

6 0 1 0 0 1

•т / 0 1 0 С) 2

Следовательно связь между ранжировками имеется. Существует и согласие между специалистами о том, что имеют место случаи повреждений на линии подшипников тягового привода.

В таблице 1.1.-2 приведены статистические данные о повреждениях подшипников тягового привода на линии.

Вероятность повреждений метровагона из-за подшипников определится из следующего выражения:

Рп = Хп/Х0 (1.1-4),

где Хп - количество повреждений;

Х0 =3985 - общее количество вагонов на метрополитене.

Годовые вероятности составили:

Р1 = 5.019е-4 Р2 = 7.528е-4 Р3= 10.04е-4 Р4 = 5.019е-4 Р5 = 2.509е-4

Среднегодовая вероятность составит соответственно: Ргг = 6.023е-4

Средняя величина повреждения подшипников в год определится как:

Хгс = (Х1+Х2+Х3+Х4+Х5) / N (1.1-5)

и составит

Таблица 1.1-2. Количество повреждений подшипников тягового привода вагонов метрополитена на линии

I од 1992 —.................-—-............-—..... | 1993 1994 ( 1995 | 1996 _ ..... _ _ . _ 1 _ . _____________________

количество _ __ . J I ^ ] о I I 4 1

I 4

Хгс = 2.4 * 2 Дисперсия выразится как

п=5

= I (ХГХГС)2 /Ы (1.1-6)

1=1

и составит: Эг= 1.04

Среднеквадратическое отклонение определится как 4Ъг и составит 1.02.И. /1,2-8,11-13,54,56,58-63,68,69,71-76,78,8486,88,89,95,98-101,103-107,113/

Из чего можно заключить, что в межремонтный период имеют место повреждения подшипников тяговых приводов, в среднем в год происходят два повреждения подшипников тягового привода на линии, среднее квадратическое отклонение равно 1, среднегодовая вероятность отказа метровагона из-за повреждения подшипника тягового привода составляет 6.023е-4. Имеются повреждения подшипников тягового привода на линии. Следовательно имеются первая и вторая группы критичности, принятые по международной классификации. Необходимо разработать меры, уменьшающие эти показатели критичности.

Целью данного исследования выбрана разработка рабочего метода диагностирования подшипниковых узлов тягового привода вагонов метрополитена. Сам процесс проведения диагностирования не должен вести к значимому увеличению технологического времени ремонта. Необходимо разработать структуру диагностирования и реально внести ее в существующие условия ремонта в депо. Окончательно цель ис-

следования можно сформулировать в следующем виде: разработка метода вибродиагностики и структуры . системы контроля подшипниковых узлов тягового привода вагонов метрополитена серии 81-717, 81-714 применительно к деповскому ремонту.

1.2. Виброакустические методы диагностирования.

К виброакустическим методам относятся методы, основанные на использовании упругих колебаний и волн любых частот. Виброакустический сигнал характеризуется большой емкостью и скоростью передачи информации (порядка нескольких КЬ в секунду), создает возможность бездемонтажной и бесконтактной диагностики машин, находящихся в движении.

По цели применения виброакустические методы делятся на 4 вида:

1 - эмиссионный (локализация источников колебаний и шума);

2 - контрольный (оценка качества новых изделий);

3 - эксплуатационный (оценка технического состояния машин в эксплуатации);

4 -технологический (оценка качества и фазы технологического процесса).

Существует несколько методов виброакустической диагностики:

- простукивания (за диагностический параметр принимается изменение собственных частот, добротности, декре-

мента затухания; объектами контроля могут служить элементы конструкций: стержни, балки, диски);

- возбуждения нелинейных колебаний (диагностическими параметрами служат изменение жесткости, декремент затухания, интенсивность силы сухого трения; объектами контроля служат демфирующие элементы, пружины);

- локальных свободных колебаний (за диагностические параметры взяты изменение свободных частот; объектами контроля служат многослойные конструкции, обшивка);

- анализа сигнатуры колебаний (диагностические параметры - превышение шума над пороговым уровнем; объектами диагностирования могут быть корпус работающего механизма, трубопроводы, двигатели внутреннего сгорания);

- спектрального анализа (диагностические параметры - изменение спектральных составляющих сигнала; объектами диагностирования служат механизмы роторного действия, зубчатые передачи);

Отметим следующие типы обработок сигналов:

- фильтрационный (полученный сигнал фильтруется и подвергается временной селекции; диагностическими параметрами являются: средний уровень амплитуд, отношения амплитуд в импульсе, положение импульсов относительно опорных точек времени);

- с использованием измерительных приборов ( предварительно сигнал обрабатывается , проводится фильтрация; за основной диагност�