CC BY
16
Старший преподаватель кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 37-60-82. E-mail: vitalya_13@mail.ru
Сорокина Марина Александровна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Студентка кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Phone: +7 (3812) 37-60-82. E-mail: vitalya_13@mail.ru
Sorokina Marina Aleksandrovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation.
Student of the department « Locomotivеs», OSTU.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Минаков, В. А. Повышение качества очистки моторного масла дизелей локомотивов [Текст] / В. А. Минаков, М. А. Сорокина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. -№ 1(33). - С 55 - 62.
Minakov V. A., Sorokina M. A. Improving the quality of purification locomotive engine oil. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 33, no 1, pp. 55 - 62 (In Russian).
УДК 625.1:656.2
В. Ю. Тэттэр, А. Ю. Тэттэр
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ ОТВЕТСТВЕННЫХ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Аннотация. В статье рассмотрены особенности и выделены преимущества использования динамических режимов для диагностирования узлов подвижного состава. Приведены конкретные примеры диагностирования отдельных агрегатов локомотива по вибрации, температуре, электрическим параметрам, частоте вращения. Обоснована актуальность задачи по разработке систем диагностирования с использованием эталонных моделей.
Ключевые слова: вибрация, температура, диагностирование, спектральный анализ, локомотив, переходный режим, эталонная модель.
Vladimir Yu. Tetter, Aleksandr Yu. Tetter
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
THE USE OF TRANSIENT REGIMES IN DIAGNOSING
THE CRITICAL PARTS OF THE ROLLING STOCK
Abstract. In the article the peculiarities and the advantages of using dynamic modes for diagnosing units of rolling stock. Specific examples of the diagnostics of separate units of the locomotive vibration, temperature, electrical parameters, frequency of rotation. The urgency of the task of developing diagnostic systems using the reference models.
Keywords: vibration, temperature, diagnostics, spectral analysis, locomotive, transitional mode, the reference model.
Диагностирование является необходимым элементом технологии обслуживания и ремонта подвижного состава железных дорог. В большей мере это относится к тяговому подвижному составу - локомотивам. Диагностирование (в соответствии с ГОСТ 27518-87 [1]) позволяет решать задачи по поддержанию установленного уровня надежности, обеспечению требований безопасности и эффективности эксплуатации локомотивов.
Наиболее эффективным является комплексное сквозное диагностирование ответственных узлов и агрегатов. Сквозное диагностирование подразумевает контроль технического состояния объекта на различных стадиях технического обслуживания и ремонта, например, диагностирование подшипников тягового электродвигателя (ТЭД) на испытательной станции, в составе собранного колесно-моторного блока (КМБ), диагностирование под локомотивом.
К наиболее ответственным (лимитирующим) узлам локомотивов относят роторные механические узлы: буксовые подшипники, моторно-якорные подшипники тяговых электродвигателей, зубчатые зацепления редукторов. Для тепловозов это дизель-генераторная установка (ДГУ). В вагонном хозяйстве диагностируются элементы редукторов от средней части оси и буксовые подшипники колесных пар.
Практически все диагностическое оборудование используется для определения технического состояния объекта в стационарных режимах его работы. Так, при вибродиагностировании колесно-моторных блоков локомотивов и колесных пар вагонов они приводятся во вращение и выводятся на стационарный режим с использованием специальных устройств поддержания стабильной частоты вращения - это является одним из необходимых условий успешного диагностирования.
С точки зрения авторов, в вопросах диагностирования подвижного состава незаслуженно недооцененными оказались динамические (переходные) режимы работы. Из теории автоматического регулирования известно, что наибольшее количество информации (по некоторым оценкам до 90 %) о свойствах объекта можно получить именно при анализе информации, полученной в переходных режимах. Анализ открытых источников по этой тематике показал, что публикаций по этой теме ограниченное количество. Практическое использование динамических режимов для диагностирования подвижного состава носит единичный характер. Эту ситуацию можно объяснить несколькими причинами:
организация динамического режима, как правило, требует дополнительного оборудования (дополнительных усилий) для задания возмущающих воздействий;
обработка и анализ полученной информации требуют разработки более сложных алгоритмов и математического аппарата, а также выработки критериев по отнесению диагностируемых объектов к той или иной градации технического состояния.
Диагностирование по вибрации. Одними из немногих разработчиков вибродиагностического оборудования (ВДО), которые реализовали в своих программно-аппаратных комплексах инструмент для исследования переходных режимов, является фирма «ИНКОТЕС». Но это универсальные инструменты для фиксации различных зависимостей в переходных режимах. Критерии оценки технического состояния объекта, диагностические признаки и тем более пороговые значения анализируемых параметров не приводятся.
К упомянутым инструментам относят следующие [2]:
- диаграмму Боде (рисунок 1), которая представляет собой зависимость уровня вибрации от частоты вращения;
- диаграмму Найквиста (уровень вибрации в зависимости от фазового угла) (рисунок 2);
- график зависимости уровня вибрации от времени;
- график зависимости частоты вращения от времени.
Более широкие возможности исследования переходных процессов вибрации предоставляет ручной программно-аппаратный комплекс СБ1 2140 фирмы СБ1 США (рисунок 3).
Программное обеспечение этого оборудования позволяет не только регистрировать временные характеристики типа «разгон - выбег», но и фиксировать реакцию системы на дельта-импульс.
Интересные решения по использованию динамических режимов для определения технического состояния отдельных подшипников предлагают специалисты Санкт-Петербургской фирмы «ВАСТ» совместно с соавторами из фирмы «НПП Диавэл» (Хабаровск).
Рисунок 1 - Диаграмма Боде
Рисунок 2 - Диаграмма Найквиста
Рисунок 3 - Виброанализатор СБ! 2140
Эти решения предполагают использование натурных эталонных моделей и закреплены патентом России [3]. Авторами предложены оригинальные способы диагностирования роторных механизмов по изменениям вибрации в переходных режимах.
Суть первого способа состоит в том, что в переходных режимах фиксируют и сравнивают с пороговыми значениями амплитудные составляющие на характерных для отдельных дефектов частотах. При раскрутке механизма или его остановке фактически происходит частотное сканирование возмущающим фактором. При этом частотные составляющие текущих спектров, являющиеся диагностическими признаками дефектов, входят в резонанс с текущей частотой вращения или ее гармониками. В момент резонанса происходит резкое увеличение амплитуды характерной частоты, что позволяет выделить ее из шумовых компонентов. После ее обнаружения процесс диагностирования можно прекратить, не дожидаясь диагностирования в установившемся режиме. Такое решение позволит значительно сократить общее время диагностирования, например, локомотива, на две секции которого приходится от 32 контрольных точек и более.
Еще один способ заключается в том, что записанный в переходном режиме массив данных с вибродатчика транспонируют в другой массив, в котором интервал по времени обратно пропорционален текущему значению частоты вращения. В этом случае происходит искусственное приведение частоты вращения к единому значению. Транспонированный массив раскладывают в ряд Фурье, который анализируют на наличие диагностических признаков по известным алгоритмам для установившихся режимов.
Диагностирование по температуре. Диагностической информацией, которая в настоящее время практически не используется для определения технического состояния подвижного состава, является температура. Это обусловлено тем, что данный параметр в большинстве случаев не «вписывается» в технологию ремонта из-за относительно большого времени (десятки минут), которое требуется для постановки диагноза. При диагностировании колесно-моторных блоков локомотивов оперативность получения диагноза является одним из определяющих факторов. Анализ изменения температуры может быть использован, например, при испытаниях и обкатке локомотивных редукторов после их ремонта или при испытаниях вагонных редукторов от средней части оси. Так, например, в ряде пассажирских вагонных депо для определения технического состояния редукторов типа ВБА и ЕЮК (при участии первого автора) была внедрена оригинальная система прогнозирования установившегося значения температуры при постоянном возмущающем воздействии, например, при вращении механизма с постоянной частотой вращения на холостом ходу или с постоянной нагрузкой. Система основана на наблюдении за изменением производной температуры, при этом использовались эталонные динамические температурные модели редукторов. Эталонные модели были сформированы путем обработки экспериментальных данных, полученных при стендовых испытаниях. Такая система позволяет в четыре - пять раз сократить время испытания в случае неработоспособного редуктора и не только уменьшить трудоемкость процесса, но и сэкономить электроэнергию. Инициативные работы по использованию тепловизоров для отслеживания динамики температурных полей буксовых узлов колесных пар уже несколько лет ведутся в ООО «ВКМ» (Старый Оскол).
Диагностирование электрических машин. В настоящее время для определения состояния подсистемы электрической части локомотива используются комплексы, например, типа «Доктор», измеряющие статические параметры: переходные и пусковые сопротивления, сопротивления изоляции, индуктивность, емкость.
Для электрических двигателей функциональное диагностирование, как правило, основано на спектральном анализе вибраций, фазных токов и напряжений, измеряемых в стационарных режимах работы двигателя [4]. Электродвигатели локомотивов значительное время эксплуатируются в переходных режимах. Для таких режимов характерны токи, которые мо-
гут в несколько раз превышать значения токов в стационарных режимах. Вследствие этого неисправности, которые возникают в «динамике», не могут быть обнаружены при испытаниях в «статике» [4]. Работы, посвященные исследованию динамических режимов электрических машин подвижного состава с целью их диагностирования, авторам не известны.
Таким образом, можно предположить, что развитие направления диагностирования электрических машин в «динамике» позволит выявлять ранее не обнаруживаемые неисправности или определять неисправности в стадии их зарождения.
Диагностирование дизеля в переходных режимах. Так же, как и электродвигатели электровозов, дизель-генераторная установка значительную часть времени работает в переходных режимах. Для маневровых тепловозов это время составляет 50 % [5]. Диагностирование и настройка тепловозных дизелей регламентированы и осуществляются на станциях реостатных испытаний путем определения значений отдельных параметров ДГУ в статических режимах.
В условиях эксплуатации при переключении контроллера длительность переходных процессов в ДГУ варьируется в пределах от 15 - 25 с до 6 - 8 мин [5]. В этой же работе отмечается целесообразность диагностирования ДГУ в переходных режимах, но констатируется также, что «диагностика дизеля в неустановившемся режиме при текущей эксплуатации представляется достаточно сложной».
Анализ доступных источников информации показал, что работы по исследованию динамических режимов ДГУ с целью ее диагностирования не нашли широкого применения на сети железных дорог. Изучение работ по данному направлению в других отраслях, например, в сельском хозяйстве, также показывает, что исследования заканчиваются на уровне экспериментальных моделей.
Авторы исследовательских работ в этом направлении считают, что с помощью анализа динамических режимов работы можно как производить интегральную оценку работы и настройки ДГУ, так и идентифицировать неисправности в отдельных узлах и агрегатах.
Экспериментальные работы, проведенные авторами на ДГУ тепловозов 2ТЭ10, ТЭМ2, ТГМ4 при реостатных испытаниях, показали принципиальную возможность реализации систем диагностирования на основе анализа различных динамических процессов. Так, например, с помощью определения мгновенных составляющих углового ускорения коленчатого вала (при переходе с позиции на позицию) оценивался вклад каждого цилиндра в общую развиваемую мощность. Получаемая таким образом информация в совокупности с анализом вибросигналов с топливных трубок высокого давления и форсунок позволяет локализовать местонахождение неисправности (либо это цилиндропоршневая группа, либо топливная система) и идентифицировать ее.
Эксперименты по исследованию переходных процессов в газовоздушном тракте (ГВТ) тепловоза 2ТЭ10 позволили создать его математическую модель по параметру расхода воздуха в виде динамического звена второго порядка с передаточной функцией:
Ж (р) =
к
Т2 р2
где
+ 2 X Тр + 1'
р - оператор Лапласа;
Т - постоянная времени;
к - передаточный коэффициент;
X - коэффициент затухания.
Переходные процессы были получены путем организации ступенчатого воздействия по расходу воздуха в газовоздушном тракте. Производилось мгновенное перекрытие доступа воздуха в систему и отслеживалось изменение параметра давления в различных сечениях ГВТ. Затем полученные кривые переходных процессов обрабатывались с помощью программной среды «СИМТЕХ». В результате обработки производилась идентификация коэф-
фициентов передаточной функции колебательного звена второго порядка по временным характеристикам.
Использование модели, полученной на основе эмпирических данных, позволяет уточнять или корректировать математические модели, создаваемые с целью оценки технического состояния газовоздушного тракта тепловозных дизелей [6].
Авторы считают целесообразным использование систем диагностирования в переходных режимах, которые основаны на эталонных моделях. Такой подход не только позволит обнаруживать недопустимые режимы работы и идентифицировать неисправности, но и поможет в реализации систем автоматической настройки. Подобный подход был отработан в модельных экспериментах по настройке топливных регуляторов авиационных двигателей [7, 8] и получил дальнейшее развитие [9].
Таким образом, использование динамических режимов при диагностировании узлов подвижного состава позволит снизить затраты на его техническое обслуживание и ремонт, повысить уровень работоспособности отдельных агрегатов, а для локомотивов повысить коэффициент их готовности.
Рассмотренное направление следует считать перспективным, особенно с учетом уровня развития цифровой техники и современных математических методов обработки информации.
Список литературы
1. ГОСТ 27518-87. Диагностирование изделий. Общие требования [Текст]. - М.: Стан-дартинформ, 2009. - 10 с.
2. Программа измерения и анализа вибрации на переходных режимах (анализ характеристик «Старт/Стоп») фирмы «ИНКОТЕС», 18.09.2017. Режим доступа: кйрУ/-^^^ У1Ь га ti-on.ru/start-stop/start-stop.shtml
3. Пат. № 2336512 Российская Федерация, МПК 001М13/04. Способ комплексной вибродиагностики подшипников качения и устройство для его осуществления [Текст] / Ряб-цун А. А., Барков А. В., Рябцун С. А.; заявители и правообладатели Рябцун А. А., Барков А. В. - 2006143733/28; заявл. 08.12.2006; опубл. 20.10.2008. Бюл. № 29.
4. Чернов, Д. В. Функциональная диагностика асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 05.11.01 / Чернов Дмитрий Владимирович. - Ульяновск, 2005. - 129 с.
5. Наговицын, В. С. Системы диагностики железнодорожного подвижного состава на основе информационных технологий [Текст] / В. С. Наговицын / ВИНИТИ РАН. - М., 2004. -246 с.
6. Титанаков, Д. А. Оценка технического состояния газовоздушного тракта тепловозных дизелей [Текст]: Дис. канд. техн. наук: 05.22.07 / Титанаков Денис Александрович. - Омск, 2005. - 173 с.
7. А. с. 1515889 СССР, МГЖ О 01М 15/00. Способ испытания топливного регулятора газотурбинного двигателя и устройство для его осуществления [Текст] / Тэттэр В. Ю., Шенда-лева Е. В. (СССР). 4264555/25-06; Заявл. 16.06.87; Опубл.15.06.89.
8. А. с. 1605749 СССР, МПК О 01М 15/00. Стенд для испытания топливного регулятора системы автоматического управления газотурбинного двигателя [Текст] / Тэттэр В. Ю., Шендалева Е. В. (СССР). 4687781/25-06; Заявл. 05.05.89; Опубл.05.06.90.
9. Шендалева, Е. В. Разработка и исследование многоцелевого моделирующего стенда для систем автоматического управления малоразмерных газотурбинных двигателей [Текст]: Дис. канд. техн. наук: 05.07.07 / Шендалева Елена Владимировна. - Омск, 2002. - 249 с.
№ 1(33) 2018 —— ИЗВЕСТИЯ Транссиба 67
References
1. Diagnostirovanie izdelyi. Obshie trebovaniya, GOST 25518-87 (Diagnostics of products. General standards State Standard 25518-87). Moscow, Standartinform, 2009, 10 p.
2. Programma izmerenia i analiza vibratsii na perehodnih rejimah (analiz haracteristic «START/STOP») fizmi «INKOTES», (Program for measuring and analyzing vibration in transient modes), 18.09.2017 http://www.vibration.ru/start-stop/start-stop.shtml zayavleno 08.12.2006, opub-likovano 20.10.2008.
3. Rabtsun A. A., Barkov A. V., Rabtsun S. A. PatentRU2336512 C2, 20.10.2008.
4. Chernov D.V. Funktsionalnaya diagnostika asinhronnyh elektrodvigateley v perekhodnyh rejimah raboti (Functional diagnostics of asynchronous electric motors in transient modes of operation). Ph. D. thesis, Ulyanovsk, 2005. 129 p.
5. Nagovitsin V.S. Sistemy diagnostiki zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava na osnove in-formatsionnikh tehnologiy (Diagnostics systems for railway rolling stock based on information technology), Moskow: VINITI RAN, 2004, 246 p.
6. Titanacov D. A. Otcenka sostoyaniya gazovozdushnogo trakta diziley (Estimation of the state of the gas-air tract of diesel engines). Ph. D. thesis, Omsk, 2005. 173 p.
7. Tetter V. Y., Shendaleva E. V., A.S. 1515889 SSSRMrM G01M15/00. 15.06.89.
8. Tetter V.Y., Shendaleva. E.V., A.S. 1605749 SSSR,, MnK G01M15/00. 05.06.90.
9. Shendaleva E.V. Razrabotka i issledovaniye mnogotselevogo modeliruyuschego stenda dlya sistem avtomaticheskogo upravleniya malorazmernyh gazoturbinnyh dvigateley (Research and development of a multi-purpose modulating stand for automatic control systems for small-sized gas turbine engines). Ph. D. thesis, Omsk, 2002. 249 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Тэттэр Владимир Юрьевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: 8(3812)31-06-88.
E-mail: te@omgups.ru
Тэттэр Александр Юрьевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: 8(3812)31-06-88.
E-mail: te@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Tetter Vladimir Yurievich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, Russian Federation.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department «Theoretical electrical engineering», OSTU.
Phone: 8(3812)31-06-88.
E-mail: te@omgups.ru
Tetter Aleksandr Yurievich
Omsk State Transport University (OSTU)
35, Marx st., Omsk, 644046, Russian Federation.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department «Theoretical electrical engineering», OSTU.
Phone: 8(3812)31-06-88.
E-mail: te@omgups.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Тэттэр, В. Ю. Использование переходных режимов Tetter V. Yu., Tetter A. Yu. The use of transient
при диагностировании ответственных узлов подвижного regimes in diagnosing the critical parts of the rolling
состава / В. Ю. Тэттэр, А. Ю. Тэттэр // Известия Трансси- stock. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol.
ба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. - 33, no 1, pp. 62 - 68 (In Russian). №1 (33). - С. 62 - 68.
