Диагностирование подвижного состава и его связь с направлением цифровизации железных дорог Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС

УДК 620.179.621.822.6 ГРНТИ 73.29.81

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ЕГО СВЯЗЬ С НАПРАВЛЕНИЕМ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

В.Ю. Тэттэр1, А.Ю. Тэттэр2

1 Омский государственный университет путей сообщения Россия, 644035, г. Омск, просп. Маркса, 35

2Научно-производственная компания «Энергосервис-Резерв» Россия, 644043, г. Омск, ул. Волочаевская, 11/1

Приведены особенности вибродиагностирования роторных узлов подвижного состава. Рассмотрены особенности аппаратной части и программного обеспечения. Проанализированы проблемы интеграции диагностического оборудования в проект «Цифровая железная дорога». Определены направления совершенствования вибродиагностического оборудования.

Ключевые слова: вибродиагностика, железная дорога, программное обеспечение, аппаратная часть диагностического оборудования.

DIAGNOSIS OF A ROLLING STOCK AND ITS CONNECTION WITH THE DIRECTION OF DIGITALIZATION OF RAILWAYS

V.Yu. Tetter1, A.Yu. Tetter2

1Omsk State Transport University

Russia, 644035, Omsk, prosp. Marksa, 35

2Research and Production Company "Energoservis-Rezerv "

Russia, 644043, Omsk, ul. Volochaevskaya, 11/1

The article provides features of vibration diagnosis of rotor units of a rolling stock. The authors consider characteristics of the hardware and software. They analyze issues of integration of diagnostic equipment in the project "Digital Railway". The article determines directions for improving vibration diagnosis equipment.

Ключевые слова: vibration diagnosis, a railway, software, hardware of diagnostic equipment.

Современные системы для диагностирования и наладки оборудования по вибрации представляют собой совокупность измерительных устройств и специального программного обеспечения. Конкуренция на Российском рынке производителей виброметрической техники

© Тэттэр В.Ю, Тэттэр А.Ю., 2018

достаточно острая (в настоящее время в России функционирует более пятидесяти таких компаний). Естественно, что производители вибродиагностического оборудования (ВДО) стремятся улучшить характеристики и расширить функциональные возможности без значительного

увеличения его стоимости. ВДО, разрешённое к применению в ОАО «РЖД», разрабатывают и выпускают, в основном, восемь российских компаний.

Поиск оптимальных путей совершенствования аппаратной части и программного обеспечения является для данного вида изделий актуальной задачей, которая связана как с теоретическими научными исследованиями (новые методы обработки и анализа вибросигнала, отыскание новых диагностических признаков и т. д.), так и практическими потребностями в реализации новых подходов и алгоритмов в конкретных изделиях.

Общие вопросы анализа методов вибрационной диагностики и реализации технических средств систем диагностирования рассматриваются, например, в публикациях

A.В. Баркова, А.В. Руссова, Б.Л. Герике, П.Б. Герике, А.А. Санникова, А.Г. Толстова и других авторов. Вопросами вибродиагностирования подвижного состава занимались

B.А. Смирнов, А.В. Барков, Н.А. Баркова, В.В. Федорищев [1], З.Г. Гиоев [2], В.Н. Костюков, А.В. Костюков [3] и другие специалисты. В известных публикациях приводятся классификация и история развития, примеры сравнения характеристик, особенности конкретного исполнения ВДО, но слабо отражены особенности диагностирования роторных узлов подвижного состава, не рассматриваются тенденции развития и пути совершенствования.

Следует отметить, что разработчики и производители ВДО неохотно делятся информацией о структуре аппаратной части, алгоритмах работы и стоимости своих изделий. В связи с этим полезным будет обсуждение особенностей применения вибродиагностирования на железнодорожном транспорте, тенденций развития ВДО, разбор примера конкретной реализации современных походов для создания его аппаратной части и программного обеспечения.

Особенности ВДО

Вибродиагностирование подшипниковых и редукторных узлов локомотивов, вагонов и путевых машин уже давно стало нормой на железнодорожном транспорте. Использование диагностического оборудования в технологическом процессе ремонта регламентировано рядом нормативных документов, например [4, 5].

Диагностирование роторных механических узлов подвижного состава имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при создании аппаратной части диагностического оборудования и соответствующего программного обеспечения. К этим особенностям можно отнести:

1) ограниченное время диагностирования;

2) необходимость определения технического состояния объекта по однократному измерению;

3) неприспособленность объектов к ди-агностиров анию;

4) неблагоприятные условия работы (электромагнитные помехи, загрязнённость объекта и окружающего пространства, нередко отрицательные значения температуры).

Перечисленные особенности имеют место и в других отраслях, но не так ярко выражены.

В зависимости от условий и объектов диагностирования используются стационарные или переносные системы. На сети Российских железных дорог эксплуатируется в основном следующее диагностическое оборудование: комплексы типа «Прогноз»; сборщики информации (в сочетании с ПЭВМ) «Век-тор-2000», СД-11, СД-12; системы типа ОМСД, УДП, СКБУ, МПП. Они в различной степени учитывают вышеперечисленные особенности. Например, сборщики информации удобны в работе, имеют широкий диапазон рабочих температур, но, как правило, работают с одним датчиком вибрации, что предопределяет последовательный съём информации с контрольных точек и неизбежную перестановку датчика. В результате увеличивается общее время диагностирования. Использование сборщиков обусловливает разрывную технологию диагностирования, которая не позволяет получать диагноз сразу после окончания съёма информации с контрольной точки. Повторный съём информации в этом случае приводит к необходимости повторного выполнения подготовительных операций, которые занимают более половины общего времени диагностирования.

Используемая некоторыми разработчиками идеология «централизованного» удалённого диагностирования имеет существенные недостатки, например, «оторванность» от объекта диагностирования, длинные линии связи.

Анализ российского и зарубежного опыта позволяет сделать заключение, что совершенствование вибродиагностического оборудования идёт в следующих направлениях:

1) повышение надёжности работы;

2) повышение достоверности диагностирования;

3) увеличение глубины диагностирования;

4) сокращение времени диагностирования;

5) оптимизация пользовательского интерфейса;

6) создание сопутствующего программного обеспечения с функциями обработки результатов баз данных, передачи информации в сеть и т.д.;

7) улучшение метрологических характеристик.

йГ?»КП н/д й подшипники е буксе: Н/Д 0J Тип контроля: Н/Д Щ Направление установки КМ: Н/Д 14.11.2011 Щ 11:13:37 Н

V„ / КП не диагностирована :-=1 Л ДЖОЙСТИКАЩ

• 1 L ] i

lTtI Прослушивание у а

К ■ 1 . 1"

Ожидание кем 1дНДЫ ..

11:13:25: Установка стенда а начальное состояние 8У|

Рис. 1. Пользовательский интерфейс комплекса «Эксперт Д» - занесение данных

Сопутствующее программное обеспечение способно в значительной мере повысить эффективность использования вибродиагностического оборудования, в том числе и с помощью принятия обоснованных организационных и технических решений по результатам диагностирования.

Более чем двадцатилетний опыт создания и внедрения вибродиагностического оборудования позволил разработчикам учесть и железнодорожные особенности, и замечания пользователей в новых изделиях «Эксперт-Д» и «Эксперт М» (рис. 3, 4, 5).

Одна из основных особенностей, значительно повышающая надёжность изделия,

Надёжность работы зависит от многочисленных факторов: элементной базы, схемотехники, технологической культуры производства, материалов, конструкторских решений.

Повышение достоверности и глубины диагностирования достигается комплексными мерами: улучшением метрологических характеристик аппаратной части, использованием нескольких методов диагностирования, нахождением и введением в алгоритмы новых диагностических признаков, самотестированием.

Сокращение времени диагностирования достигается введением параллельного съёма и обработки сигналов, оптимизацией алгоритмов работы.

Пользовательский интерфейс должен быть удобным, интуитивно понятным, содержать как можно меньше действий для получения конечного результата (рис. 1, 2).

№ КП: 024 02588 89 подшипники в бук«: 41116 / 232/26 Гил контроля: Входной Направление установки КП: ЛЕВАЯ / ПРАВАЯ [ииа 14.11.2011 11:15:50

й) nL 353 У^ диагностика 1-----------—1

съем спектров Прослушивание gj kj

S0- 1—

25 50 75 J00 0 25 50 75 Ю0

]— _16% Статистике СХО: 0.27 пик-фактор: 5.08 ФК: 3.30 II 14% Статистика СКО: 0.35 пик-фактор: 3.40 ФК: 2.03 Ы

Измере 11:14: 11:14: 11:13: им спектров 0% 7: Измерение спектров 8: Раскрутить КП 6: Установить КП 5: Установка стенда в начальное состояние zJ

Рис. 2. Пользовательский интерфейс комплекса «Эксперт Д» - диагностирование

заключается в том, что в нём отсутствует такое «слабое» звено, как серийная ПЭВМ. Практика эксплуатации ВДО в деповских условиях показала, что наиболее частые причины отказов - это выход из строя жёстких дисков и соединение экрана с материнской платой компьютера.

Взамен серийной ПЭВМ появился субблок промышленного компьютера собственной разработки, который выполнен в виде отдельной платы. Повышенная надёжность в «Эксперт М» обеспечивается прочным корпусом и возможностью использования автономного питания, а также достаточно глубоким самотестированием.

Рис. 3. Измерительно-диагностический блок «Эксперт Д»

Рис. 4. Комплекс диагностирования буксовых узлов колёсных пар «Эксперт Д»

Рис. 5. Комплекс диагностирования колёсно-моторных блоков локомотивов «Эксперт М»

Достоверность и глубина диагностирования повышена за счёт включения в алгоритм дополнительных диагностических признаков. Теперь осуществляется спектральный анализ трёх видов спектров (широкополосный, прямой, спектр огибающей) и нескольких параметров временного сигнала, в том числе определяются СКЗ, пик-фактор, величина фактора Куртозиса [6].

Сокращение времени диагностирования происходит за счёт параллельного съёма сиг-

налов вибрации по четырём каналам. Время, затрачиваемое на диагностирование четырёх точек (характерная конфигурация для диагностирования колёсно-моторного блока локомотива), сократилось с 15 до 4 минут. Экономия времени происходит и за счёт нового алгоритма записи временного сигнала с последующим вычислением и усреднением спектров (около 20 усреднений на каждую контрольную точку).

Значительно удобнее по сравнению с предыдущими версиями стал пользовательский интерфейс, который позволяет осуществлять работу с комплексом пользователей с различным уровнем подготовки. Начинать самостоятельную работу можно будет, изучив руководство по эксплуатации. В этой ситуации очень полезным оказывается нововведение, реализованное на программном уровне и заключающееся в защите от возможных неправильных действий оператора. Например, комплекс имеет возможность выявлять факт неправильной установки (не в ту контрольную точку, которая указана в конфигурации) датчика вибрации. Это происходит путём оценки «похожести» текущего спектра со спектром, «характерным» для такого типа контрольных точек. Естественно, что максимально использовать возможности диагностического комплекса смогут только специалисты, прошедшие специальную подготовку. Для таких пользователей даётся возможность производить спектральный анализ «вручную», возможность с помощью «тонких настроек» осуществлять ряд действий, направленных на уточнение диагноза.

ВДО типа «Эксперт» нашло широкое применение при входном и выходном контроле буксовых узлов колёсных пар вагонов.

Краткие характеристики комплексов типа «Эксперт»

Назначение:

- диагностирование роторных механических узлов (подшипников качения, зубчатых передач) по вибрации, частоте вращения и другим параметрам;

- прогнозирование срока безаварийной работы диагностируемых узлов;

- выдача рекомендаций по дальнейшей эксплуатации;

- оперативное отображение состояния

парка;

- контроль за работой средств диагностики.

Функциональные возможности:

- оценка технического состояния подшипников качения и зубчатых передач;

- определение двенадцати видов дефектов и степени их развития;

- определение недостатка и посторонних включений в смазке;

- оперативная настройка на разные типы объектов;

- анализ накопленных баз данных;

- формирование рекомендаций и отчётов, в т. ч. и о состоянии парка.

Технические характеристики:

- подтверждаемость диагноза - 90 % и

выше;

- время диагностирования четырёх точек - не более 2 мин;

- до 32 каналов измерения вибрации, до 8 каналов измерения частоты вращения, регистрация давления;

- автономная работа от встроенного аккумулятора;

- рабочий диапазон температур - от -20 до +50 °С;

- вес - 1,6 кг.

Особенности диагностических комплексов типа «Эксперт»:

- одновременный съём информации по четырём каналам;

- самотестирование устройства и подключённых сигнальных линий;

- получение результатов сразу после диагностирования, непосредственно у объекта;

- прослушивание вибросигналов с контролируемых узлов;

- отсутствие необходимости в заземлении;

- снижение последствий ошибочных действий оператора (за счёт комплекса программных и аппаратных решений);

- использование операционной системы иСНпих (свободная лицензия);

- применение при всех видах ремонта и профилактики в депо и на заводах;

- возможность замены модуля комплекса (одноплатный компьютер) персональным компьютером в составе различных АРМов.

Интеграция в проект «Цифровая железная дорога»

Достаточно длительный опыт внедрения ВДО на сети железных дорог показал, что для повышения эффективности его использования необходимо предпринять ряд дополнительных мер. Речь идёт не об обязательных мероприятиях по поддержанию работоспособности диагностического оборудования (например, периодическая калибровка и техническое обслуживание). Массовое внедрение изначально предполагает создание системы проверки метрологических характеристик, системы обучения, системы технического обслуживания и ремонта. Речь идёт о создании автоматического контроля за использованием диагностического оборудования, а также создании систем «второго уровня» использования диагностической информации, т. е. утилизации (статистической обработке) накопленной диагностической информации, подготовки и передаче сведений на различные управленческие уровни. Результатом решения поставленных вопросов стала разработка серверного программного обеспечения под названием «ЦУД» (центр управления диагностикой).

С помощью ЦУДа, например, можно определить, какие узлы колёсно-моторных блоков локомотивов наиболее часто выходят из строя, какие неисправности и в каких элементах подшипника преобладают и т. д. ЦУД даёт возможность получить интегральную оценку технического состояния парка локомотивов в депо, оценить качество работы бригад диагностики (ведётся автоматический учёт времени работы диагностического оборудования, количества продиагностированных узлов, обнаруженных дефектов и т. д.). Полученная информация подготавливается к передаче по железнодорожной сети Intranet, или Internet на различные управленческие уровни. Анализ такой информации даёт основания к принятию взвешенных, обоснованных организационных и технических решений.

Идеи и программные решения, заложенные в Центр управления диагностикой, по сути являются элементами новой информационной идеологии (проекта), принятой к реализации в ОАО «РЖД» - «Цифровая железная дорога». Блок цифрового сервиса «Управление инфраструктурой» этого проекта предполагает сбор и обработку информации, относящейся к

планированию технического обслуживания, текущего состояния, эксплуатации и ремонтов, диагностике, учёту.

Одной из целей проекта является «предсказательная диагностика технического состояния» подвижного состава. Она должна основываться на единой технологической базе и единой технологии обработки данных, использовании математического моделирования и элементов искусственного интеллекта.

Диагностическое оборудование является первичным звеном в этой цепочке. Для полноценной интеграции в проект «Цифровая железная дорога» оно должно удовлетворять нескольким обязательным требованиям, которые руководителями проекта ещё не сформулированы. Вряд ли будет принято решение о разработке новых средств диагностирования, обладающих необходимыми свойствами и возможностями (экономически нецелесообразно). В связи с этим потребуется доработка как минимум программного обеспечения существующего оборудования. Одним из необходимых условий функционирования в проекте является гармонизация, выходной информации - протоколов обмена, форматов передачи данных и т. д.

В настоящий момент сетью железных дорог используются в основном восемь типов ВДО. Все они имеют различный интерфейс, часть оборудования не имеет возможности передачи информации в сетевую структуру. Базы данных этих средств имеют различную структуру и не стыкуются друг с другом. Приведение указанных параметров к «общему знаменателю» требует внешней координации действий со стороны ОАО «РЖД» на первом этапе - путём проведения совещаний, по результатам которых будут выработаны консолидированные пути решения задач, на втором - разработки и принятия нормативных документов с требованиями к диагностическому оборудованию и указанием источников финансирования для реализации этих требований. По мнению авторов, даже при наличии требований и финансирования, процесс доработки ВДО может растянуться на 1,5-2 года.

Перспективы развития ВДО

Перспективным направлением в вибродиагностике является использование нетрадиционных методов цифровой обработки сигна-

лов. В последние годы появляются публикации по использованию в вибродиагностике кепстров (спектр спектра), вейвлет-преобра-зований. Просматривается и использование теории нечётких множеств и теории распознавания образов.

Одной из важных задач диагностирования является прогнозирование технического состояния. Вопрос очень сложен, включает множество неопределённостей [7]. Для правильного прогнозирования необходимы как минимум две базовые вещи: возможность определения (идентификации) максимально большего количества дефектов и степени развития каждого дефекта, наличие моделей развития каждого из видов дефектов.

Вибродиагностическое оборудование ведущих производителей способно различать до 12 видов дефектов и оценивать степень их развития. Что касается моделей развития дефектов, то до настоящего времени публикации по данной теме отсутствуют. Такие модели могут быть получены с помощью теоретических исследований, в результате специальных стендовых испытаний и наблюдений за техническим состоянием в процессе эксплуатации. Эти способы являются достаточно затратными.

Дальнейший прогресс в области диагностирования подвижного состава железных дорог, вероятно, будет связан с введением в диагностические системы алгоритмов самообучения. Элементы самообучения уже сейчас присутствуют в некоторых диагностических системах.

Следует сказать и о таком перспективном направлении в вибродиагностике, как введение виртуальных (электронных) эталонов дефектов [8, 9], которые позволят производить объективную оценку функциональных возможностей (наиболее важных для пользователей) вибродиагностического оборудования.

Выводы

Условия диагностирования подвижного состава железных дорог предъявляют особые требования к вибродиагностическому оборудованию. Для подвижного состава железных дорог предпочтительнее «неразрывная» технология диагностирования (получение диагноза сразу после съёма информации).

Ноутбуки и серийные ПЭВМ использовать в системах диагностирования, которые

эксплуатируются в цеховых условиях, нецелесообразно.

Для повышения достоверности и глубины диагностирования следует использовать сочетание различных методов, вводить в алгоритмы новые диагностические признаки дефектов.

Перспективными методами обработки вибросигналов могут стать: вейвлет-преобра-зование, математический аппарат нечётких множеств, нейронные сети и теория распознавания образов.

Для повышения эффективности диагностических средств необходимо использовать результаты статистической обработки диагностических баз данных.

Объективную оценку функциональных возможностей вибродиагностического оборудования можно будет осуществлять путём применения виртуальных эталонов дефектов.

Необходимы организационные мероприятия по интеграции диагностического оборудования в проект «Цифровая железная дорога».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

REFERENCES

1.Барков А.В., Баркова Н.А., Федорищев В.В. Вибрационная диагностика колёсно-редукторных блоков на железнодорожном транспорте. СПб. : ИЦ СПбГМТУ, 2002. 103 с.

2.Гиоев З.Г. Основы виброакустической диагностики электромеханических систем локомотивов : монография. М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2008. 307 с.

3. Костюков А.В. Формирование вектора независимых диагностических признаков технического состояния роторных агрегатов // Сборник науч. тр. МГТУ им. Н.Э. Баумана. М., 2010. С. 26-30.

4. Вибрационное диагностирование узлов локомотивов ПКБ ЦТ.06.0050 / ОАО «РЖД». М., 2012. 76 с.

5. Руководство по вибродиагностике подшипников буксовых узлов вагонных колесных пар РД 32 ЦВ 109-2011 / ОАО «РЖД», М., 2011. 14 с.

6. Тэттэр В.Ю. Фактор Куртозиса как диагностический признак неисправности подшипника /

B.Ю. Тэттэр, В.И. Щедрин, Е.Н. Сидоров, К.Л. Бу-яльский // Контроль. Диагностика. 2010. № 3 (141).

C. 28-34.

7. Русов В.А. Спектральная вибродиагностика. Пермь, 1996.

8. Тэттэр В.Ю. «Эталоны» неисправностей для диагностики роторных механических узлов // Мир измерений. 2007. № 10. С. 7-10.

9. Tetter V. Virtual standards of vibration-based defects diagnostics in railway industry // Transport Problems : International Scientific Journal. 2009. Vol. 4. Issue 2. P. 67-72.

1. Barkov À. V, Barkova N.A., Fedorishhev V.V. Vibratsionnaya diagnostika kolyosno-reduktornykh blokov na zheleznodorozhnom transporte. SPb. : ITS SPbGMTU, 2002. 103 s.

2. Gioev Z.G. Osnovy vibroakusticheskoj diagnostiki ehlektromekhanicheskikh sistem lokomotivov : monografiya. M. : GOU «Uchebno-metodicheskij tsentr po obrazovaniyu na zh.-d. transporte», 2008. 307 s.

3. Kostyukov À.V.Formirovanie vektora nezavisimykh diagnosticheskikh priznakov tekhnich-eskogo sostoyaniya rotornykh agregatov // Sbornik nauch. tr. MGTU im. N.Eh. Baumana. M., 2010. S. 26-30.

4. Vibratsionnoe diagnostirovanie uzlov lokomotivov PKB TST.06.0050 / OAO «RZHD». M., 2012. 76 s.

5. Rukovodstvo po vibrodiagnostike podshipni-kov buksovykh uzlov vagonnykh kolesnykh par RD 32 TSV 109-2011 / OAO «RZHD», M., 2011. 14 s.

6. Tetter V.Yu. Faktor Kurtozisa kak diag-nosticheskij priznak neispravnosti podshipnika / V.Yu. Tehttehr, V.I. Shhedrin, E.N. Sidorov, K.L. Buyal'skij // Kontrol'. Diagnostika. 2010. № 3 (141). S. 28-34.

7. Rusov V.À. Spektral'naya vibrodiagnostika. Perm', 1996.

8. Tehttehr V.Yu. «Etalony» neispravnostej dlya diagnostiki rotornykh mekhanicheskikh uzlov // Mir izmerenij. 2007. № 10. S. 7-10.

9. Tetter V. Virtual standards of vibration-based defects diagnostics in railway industry // Transport Problems : International Scientific Journal. 2009. Vol. 4. Issue 2. P. 67-72.

Тэттэр Владимир Юрьевич - кандидат технических наук, доцент; научно-производственная компания «Энергосервис-Резерв», Омск; [email protected].

Тэттэр Александр Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, ОмГУПС; [email protected].

Tetter Vladimir Yurievich - Cand. Sc. {Engineering}, Ass. Prof., Research and Production Company "Energoservis-Rezerv", Omsk; [email protected].

Tetter Aleksandr Yurievich - Cand. Sc. {Engineering}, Ass. Prof., Omsk State Transport University; [email protected].

Статья поступила в редакцию 13.07.2018 г.