У статті розглянуті зовнішні фактори, які впливають на показання постів акустичного контролю і розвиток дефектів підшипників буксових вузлів вантажних вагонів. Наведено критерії оцінки та врахування впливу цих факторів на достовірність результатів діагностики акустичними методами.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Ададуров А.С., Романова А.А.


Validation criteria of cargo wagon's axle box diagnostic results by acoustic method

The paper considers external factors affecting readings of acoustic control stations and development of ball bearing defects in cargo wagons 'axle boxes. Criteria for evaluation and registration of the influence of these factors on validity of results of diagnostics by acoustic methods are listed.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Транспорт Російської Федерації. Журнал про науку, практику, економіці

    Наукова стаття на тему 'КРИТЕРІЇ ДОСТОВІРНОСТІ РЕЗУЛЬТАТІВ ДІАГНОСТИКИ буксових вузлів ВАНТАЖНИХ ВАГОНІВ акустичні методи'

    Текст наукової роботи на тему «КРИТЕРІЇ ДОСТОВІРНОСТІ РЕЗУЛЬТАТІВ ДІАГНОСТИКИ буксових вузлів ВАНТАЖНИХ ВАГОНІВ акустичні методи»

    ?Критерії достовірності результатів діагностики буксових вузлів вантажних вагонів акустичними методами

    А. С. Ададуров,

    к. т. н., доцент, заступник генерального директора АТ «ВНИИЖТ»

    А. А. Романова,

    к. т. н., доцент кафедри «Вагони та вагонне господарство» Петербурзького державного університету шляхів сполучення імператора Олександра I

    Розглянуто зовнішні фактори, що впливають на показання постів акустичного контролю і розвиток дефектів підшипників буксових вузлів вантажних вагонів. Наведено критерії оцінки та врахування впливу цих факторів на достовірність результатів діагностики акустичними методами.

    З урахуванням нагальних проблем ВАТ «РЖД» щодо підвищення безпеки руху поїздів і світового досвіду з 2006 р на мережі впроваджується так звана «Система ранньої діагностики підшипників на ходу поїзда», де використано акустичний підхід до виявлення дефектів елементів підшипника буксового вузла [7]. Акустичний підхід, заснований на розгляді коливальних явищ в механічних конструкціях і в окру-

    лишнього просторі як хвильового процесу, універсальний, тому що базується на закономірностях, загальних для пружних хвиль в будь-якому середовищі: твердої, рідкої або газоподібної. В основі методів виявлення дефектів механізмів лежить одна відправна діагностична модель: розвиток дефекту викликає зростання амплітуди і числа короткочасних імпульсів в віброакустичний сигналі, викликаному коливаннями на вимушених і власних частотах механізму. Сьогодні перед підходами до 22-м станцій встановлені пости акустичного контролю (ПАК) [8, 9, 10]. Для виявлення дефектів використовуються дві лінійні мікрофонні решітки, що знаходяться на вимірювальній ділянці з обох сторін залізничної колії. Кожна решітка включає шість мікрофонів, розміщених в захисних боксах. Відстань між сусідніми мікрофонами становить 1,5 м, загальний лінейниій розмір решітки - 7,5 м [1,5, 6].

    Суть технології визначення зовнішніх чинників, що впливають на показання ПАК, в наступному: накопичувалися статистичні дані звукових сигнатур дефектних підшипників буксових вузлів вантажних вагонів при проходженні їх через пости по маршруту Хабаровськ - Сорокино - ська - Оверята -Лоста - Мга - Усть-Луга і доповнювалися даними , отриманими за запитом до автоматизованої системи оперативного управління перевезеннями, для ідентифікації вагонів, визначення маси, пробігу вагона і передачі сукупних даних в Комплексний діагностичний центр (КДЦ).

    Виявлено такі фактори, що впливають на показання ПАК:

    • швидкість вагона;

    • відстань від буксового вузла до мікрофона;

    • завантаження вагона;

    • напрямок руху вагона;

    • стан поверхні кочення колеса;

    • букса з несправним підшипником (впливає на показання букси сусідній осі візка і протилежної букси тієї ж осі візка);

    • шум від спрацьовування гальмівної системи вагона;

    • мережеві завади.

    У публікаціях [2, 3] за акустичними дослідженням підшипників кочення наведені дані про зниження значень амплітуди огинають акустичного сигналу зі збільшенням швидкості обертання. Це твердження ґрунтується на тому, що до приходу наступного імпульсу попередній пульс не згасає і накладається своїм закінченням на фронт наступного імпульсу. Таке накладення викликає зниження коефіцієнта модуляції обвідної і, як наслідок, амплітуди обвідної і її спектра. Однак при розгляді сигналів ВІД необхідно розуміти, що зі збільшенням частоти значення амплітуди огинають зростають.

    Згідно з результатами статистичних досліджень, проведених на маршруті Хабаровськ - Сорокино - ська - овер-та - Лоста - Мга - Усть-Луга за допомогою систем ПАК, спостерігається зворотна залежність, тобто. Е. Зі збільшенням швидкості обертання колісної пари акустичні імпульси несправних підшипників стають вище . Внаслідок малих зазорів в підшипнику коливання зовнішнього кільця загасають швидко, до початку наступного зіткнення, і огинають імпульсів не накладаються один на одного. Поправка на швидкість поїзда розраховується і вноситься програмним забезпеченням (ПЗ) ПАК при отриманні спектра обвідної.

    Формула, по якій виконується поправка, має такий вигляд:

    Йу = (45 - Ш х 3,6) х 0,33,

    У у ТРЗ '' ''

    де Уе1тр1 - швидкість руху складу, м / с; йу - поправка.

    Далі виконується переклад тимчасової реалізації - «зшивання» - в огибающую, лінійна інтерполяція отриманих відліків, обчислення п'яти спектрів по

    Таблиця 1

    Порожній вагон Навантажений вагон

    Швидкість, Амплітуда швидкість, км / год Амплітуда

    км / год 1-й гармоніки, Дб 1-й гармоніки, Дб

    65,1 68,5 65,6 73,5

    60,9 68 62,5 77

    56,7 67,2 53 81,5

    49,2 69,3 51,3 78,5

    вибірках з розміром, рівним обороту колеса, усереднення спектрів, розрахунок поправки, корекція спектра з урахуванням поправки. При виконанні лінійної інтерполяції крок дискретизації обчислюється таким чином, щоб число точок, кратне ступеня 2, відповідало вибірці дорівнює 1,06 обороту колеса [8].

    На ділянках, де встановлювався ПАК, конструктивне розташування сусідніх колій відрізнявся, тому для кожного ПАК відстань від мікрофона до буксового вузла було індивідуальне [9]. Відстань від букс до мікрофонів 1,5 м вважалося стандартним, а відхилення від цього розміру враховувалося за допомогою масштабного коефіцієнта. Поправка на відстань від буксового вузла до мікрофонів вноситься ПО ПАК при масштабуванні вимірювальної інформації, отриманої від мікрофонів, одночасно з урахуванням чутливості вимірювального тракту (множиться на значення поправки). Відхилення від цієї відстані визначається наступним чином:

    dR = L2 / 2,25,

    де L- фактичне відстань від буксового вузла до мікрофона; dR - поправка.

    У таблиці наведено результати, отримані при польових випробуваннях порожнього і навантаженого вагона з дефектним підшипником при різних значеннях швидкості. Поправка на швидкість введена. У порожнього вагону амплітуда, що відповідає 1-й гармоніці в спектрі дефектного підшипника, зі зміною величини швидкості залишається постійною, у навантаженого вагона зі збільшенням швидкості зменшується. Поправка вноситься при відображенні в базу даних (БД) методом лінійної апроксимації [4]. Алгоритм закладений в процедурі Correction.

    В процесі моніторингових спостережень за несправним підшипником може відбутися зміна його адреси в вагоні (номера осі і сторони вагона). найчастіше все-

    го це пов'язано зі зміною напрямку руху вагона, а іноді з перестановками осей в процесі ремонту вагона. З аналізу даних випливає, що не всі несправні підшипники зберігають тенденцію зміни показань ПАК при зміні напрямку обертання осі. Тому в БД необхідно зберігати і аналізувати діагностичні дані окремо для кожного напрямку руху вагона.

    На рис. 1 показаний графік розвитку дефектів в одному вагоні з однієї осі для різних напрямків руху вагона (червоним кольором виділено графік розвитку для 3-й осі праворуч, синім - для 2-й осі зліва).

    При проходженні поста контролю колеса, що має на поверхні кочення лиски, відколи, раковини і інші дефекти, виникають ударні акустичні шуми, реєстровані системою вимірювань ПАК. Амплітуда імпульсів може досягати 90 дБА і більше, залежно від розмірів пошкодження колеса. Такі поодинокі удари істотно впливають на діагностику підшипників, якщо не вжито заходів щодо усунення зазначеного фактора.

    На рис. 2 приведена вихідна тимчасова реалізація, «зшита» по шести мікрофонів. Зеленими овалами виділені сигнали від удару дефектного колеса про рейок. Амплітуда сигналу від дефекту колеса перевищує амплітуду імпульсів від дефекту підшипника (виділеного жовтим овалом) в два-три рази.

    Також програмне забезпечення ПАК аналізує спектр вихідного сигналу на предмет наявності гармонік, відповідних періоду обертання і гармонік, відповідних дефектів елементів підшипника.

    У зону вимірювання кожного мікрофона одночасно потрапляють сигнали від двох сусідніх букс одного візка, і при розпакуванні інформації незрозуміло, яка саме букса має дефект.

    100 95 90

    Розвиток ЗвфектоВ Вагона №51553105, рід: 70 59 118 177 236 295 354 ІЗ

    75 70 65 60 55 50

    0609.2017 03.11.2017 00.112017 01.012018 0003201В 02.0i.201B 2503.2018 0307201В 08.10.2018 2211201В

    Мал. 1. Розвиток дефектів в одному вагоні з однієї осі для різних напрямків руху вагона

    472 531

    добу

    2-пр

    3-леЬ

    1

    Нк I / Нк ~ Нк V ^ нк / Нк

    ; / / 2 \ я у К / Нк та Нк /!

    / 2 ч ч "/ РНК / 3 у- / [Г 3

    до МНК 3 ^ * Нк

    3

    а 1 а 3 1 ?

    Ц \? ! і

    Про 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 ОА 0А5 Рис. 2. Вихідний сигнал від шести мікрофонів поста акустичного контролю

    Мал. 3. Сигнали, зафіксовані постом акустичного контролю від дефектної і недефектного осей вагона

    На рис. 3 представлені початкові тимчасові реалізації по дефектної осі і сусідній з нею недефектного, розташованої в тій же візку (червоним коль-

    тому показані сигнали від осі з дефектом; синім - сигнали від осі без дефекту). Як видно на малюнку, недефектного вісь можна сприйняти як вісь з дефектом.

    Зіставлення амплітуд гармонік, відповідних дефекту з усіх сусідніх осей, дозволяє вибрати вісь з дефектним підшипником. У процесі обробки інформації на ПАК програма вибирає все осі складу, спектри яких підтверджують наявність дефекту, і зберігає їх у файлі. Після обробки даних вибирається вісь з максимальними значеннями амплітуд.

    При шумі несправної букси близько 90 дБА протилежна букса випромінює шум приблизно на 8-10 дБА нижче. Після додаткової обробки вимірювальної інформації виявлено взаємозв'язок акустичних процесів тієї та іншої букси.

    Цей зв'язок обумовлена ​​передачею акустичного шуму з загасанням в 2,5-3 рази, що з'являється при несправності підшипника, з одного букси на іншу по осі колісної пари. На рис. 4 представлені вихідні тимчасові реалізації для буксових вузлів однієї осі (червоним кольором показані сигнали дефектної букси, синім - сигнали букси без дефекту на протилежному боці осі).

    У разі раптового гальмування поїзда при проходженні ПАК (трапляється при розташуванні поста поблизу станції) притиснуті до колеса гальмівні колодки створюють характерний високочастотний шум (свист). На рис. 5 наведені спектри сигналів зі «свистом» гальмівних колодок і без такого (червоним кольором показаний спектр сигналу при гальмуванні вагона, синім - спектр сигналу без гальмування). Пік сигнатур на частоті 15 кГц складає 135 дБ і перевищує рівень аналізованого сигналу на 60 дБ, т. Е. В 1000 разів.

    Процедура усунення впливу шуму від спрацьовування гальмівної системи виконується програмою перед отриманням «зшивання» сигналів по мікрофонах. На рис. 6, а) приведена тимчасова реалізація сигналу при заваді 50 Гц. Три імпульсу, що йдуть з частотою проходження 20 мс (зелений овал) при певній швидкості поїзда сприймаються як дефект внутрішнього кільця або ролика касетного підшипника.

    Інформація перевіряється на наявність великого пікфактора за значеннями, отриманими від одного або декількох мікрофонів. При визначенні великого пікфактора і непотрапляння сигналу в діапазон (рис. 6, б) - вхідний сигнал перевищує діапазон 100 Па; Мал. 6, в) - вихідний сигнал на ділянці в жовтому овалі менше діапазону 0,1 Па) в протокол оператору ПТО видається повідомлення «Стан устаткування ПАК: чи не-

    справно ». Така вихідна інформація запам'ятовується і передається в КДЦ для аналізу в ручному режимі з метою виявлення несправностей обладнання ПАК.

    В період експлуатації систем ПАК стали накопичуватися дані по викочування колісних пар з актами розслідувань причин викаток і фотографіями несправностей підшипників. Прийнята схема викочування і видалення несправних підшипників зажадала внесення деяких коригувань у модель, описану в статті [3]. Суть їх полягає в новій виставі моделі акустичних сигналів розвитку контактно-втомного пошкодження і роботи системи ПАК.

    Якщо по осі абсцис привести ступінь зростання несправності підшипника (умовно), а по осі ординат - амплітудні свідчення системи ПАК, то отримаємо емпіричну функціональну залежність (рис. 7). З початком експлуатації підшипника в навантаженої точці на біговій доріжці кільця при контакті з тілами кочення підшипника відбуваються пружні деформації, які з плином часу переходять в пружно-пластичну фазу, а потім в виражену пластичну стадію розвитку.

    На рис. 7 позначимо точку А початком пластичних деформацій, при яких порушуються геометричні розміри зони контакту, утворюється ямка, навколо неї формується область пластичних зрушень, які сприяють початку викришування металу. З'являються акустичні сигнали, але вони не виділяються системою ПАК внаслідок високих зовнішніх шумів. В результаті викришування металу утворюється вузька раковина, збільшується в довжину і в глибину. Її зростання супроводжується пропорційним зростанням амплітуди акустичних сигналів. При перевищенні амплітуди цих сигналів рівня зовнішнього шуму спрацьовує програма діагностики і ПАК видає інформацію про пошкодження підшипника. На рис. 7 показано, що це відбувається при амплітуді близько 70 дБА. Цей рівень, як було сказано раніше, прийнятий як рівень тривоги Т0 (точка В). Далі триває формування втомної раковини, до 80 дБА її довжина стає рівною третини ширини бігової доріжки. Рівень 80 дБА прийнятий за рівень тривоги Т1, який сигналізує про впевнене виявлення пошкодження підшипника (точка С).

    Зростання раковини викришування триває в довжину і в глибину, показання

    Мал. 4. Сигнали, зафіксовані постом акустичного контролю від осі з дефектом в буксе справа і недефектного букси зліва

    Мал. 5. Сигнал, зафіксований постом акустичного контролю при гальмуванні вагона і без гальмування

    ПАК також пропорційно зростають, і при амплітуді приблизно 90 дБА раковина повністю перетинає доріжку кочення. Показання ПАК можуть продовжувати зростати, досягаючи максимальних значень 95 дБА і більш. Пошкодження набуває форму неглибокої вузької борозни з рівними гострими крайками, що перетинає доріжку кочення по всій ширині (точка D).

    Подальше поглиблення раковини призупиняється, так як пластична зона з полями ковзання переноситься на сусідні з раковиною ділянки зліва. Пошкодження розвивається внаслідок сколювання і викришування на бічних поверхнях раковини. Збільшується ширина раковини, і внаслідок цього зменшуються значення амплітуди акустичних сигналів. Якщо не будуть утворюватися нові раковини, то при амплітудах акустичного сигналу, поблизу-

    ких до початкового рівня спрацьовування ПАК, контроль несправного підшипника припиниться (точка F). Це може привести до серйозних наслідків, так як на доріжці кочення скупчуються уламки металу, посилюється тертя, підшипник переходить в стан деградації і відмови.

    Слід звернути увагу, що частина несправних підшипників, якщо показання ПАК що не досягли рівня 90 дБА, не видаляється, хоча їх стан в перспективі може серйозно погіршуватися, як і у тих підшипників, які вийшли із зони контролю (ділянка F-G). Слід зазначити, що несправні підшипники, об'єднані в групу середнього ступеня несправності, повинні бути розділені за ступенем небезпеки на дві частини. Одна, менш небезпечна, повинна знаходитися в лівій частині графіка до перетину функцією рівня Т2 в зоні С-Б, а інша,

    Мал. 6. Сигнали, зафіксовані постом акустичного контролю (а-в) при несправному обладнанні

    більш небезпечна - в правій частині графіка праворуч від перетину кордону Т2 в області Б-Е, що примикає до зони найнебезпечніших підшипників Е ^.

    На закінчення відзначимо, що отримані результати дозволяють перейти до етапу розробки алгоритмів з виявлення тенденцій, архітектури програмних засобів і ПО для вбудовування в прогностичні системи Дирекції інфраструктури в рамках проекту «Цифрова залізниця».

    література

    1. Ададуров А. С., Тюпін С. В., Лапін А. М. Технічна діагностика колісних пар: виявлення дефектів поверхні кочення за допомогою аналізу акустичних сигналів // Техн. жел. доріг. 2014. № 1 (25). С. 52-61.

    2. Papaelias M., Amini A., Huang Z. et al. Online condition monitoring of rolling stock wheels and axle bearings // Proceed. Inst. Mech. Engin. P. F: J. Rail Rapid Transit. p. 0954409714559758/2014.

    Мал. 7. Функціональна взаємозв'язок показань системи поста акустичного контролю з розвитком контактно-втомного пошкодження підшипника

    3. Amini A. Won 3rd award poster Presentation «Online condition monitoring of railway wheelsets» at BLUEBEAR 2014 conference. December 2014. Birmingham, UK.

    4. Ададуров А. С. Алгоритми ідентифікації сигналів дефектного буксового вузла постової системи ранньої діагностики // Транспорт РФ. 2018. № 5 (78). С. 58-62.

    5. А. Ф. Комісарів, К. В. Григор'єв, Автоматизований діагностичний комплекс для вимірювання геометричних параметрів колісних пар. Вагони та вагонне господарство, 2011, № 3 (27). З 14-15.

    6. Л. Н. Степанова, С. А. Бехер, А. С. Кочетков. Особливості використання швидкодіючої тензометрії для контролю коліс вантажних вагонів в русі. Вісник РГУПС, 2010, № 2. С. 53-57.

    7. Е. А. Орлик. Акустичний метод контролю стану буксових вузлів залізничного рухомого складу. Проблеми механіки сучасних машин, 2012. С. 1-3.

    8. А. С. Ададуров. Алгоритми ідентифікації сигналів дефектного буксового вузла постової системи ранньої діагностики. Транспортне машинобудування. 2018. № 5. С. 58-62.

    9. А. Л. Куценко, Ю. В. Савич, Д. С. Слуцький. Акустичний тракт постової системи ранньої діагностики буксових підшипників для забезпечення екологічної безпеки рухомих поїздів. Известия ПФУ. 2009. № 7. С. 41-49.

    10. В. І. Поддубняк, І. Д. Борзилов, В. М. Пєтухов. Технологія діагностики букс на ходу поїзда з використанням радіодатчиків. Збірник наукових праць Донецького інституту залізничного транспорту, 2006. № 7. С. 58-61.


    Ключові слова: ПОСТ акустичного контролю / ДЕФЕКТИ буксових вузлів / СИСТЕМА РАННЬОЇ ДІАГНОСТИКИ / ACOUSTIC CONTROL STATION / AXLE BOX DEFECTS / EARLY DETECTION SYSTEM

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити