CC BY
59
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
E-mail: Ryzhkov55@inbox.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Стороженко, Д. Ю. Совершенствование методики применения устройств встроенной диагностики контактной сети [Текст] / Д. Ю. Стороженко, А. В. Рыжков // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. -№ 4 (28). - С. - 37 - 46.
Post-graduate student of the department «Power supply of railway transport», OSTU. E-mail: Ryzhkov55@inbox.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Storozhenko D. Y., Ryzhkov A. V. Improvement built-in diagnostics devices of contact network / Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 28 no. 4, pp. -37 - 46. (In Russian).
УДК 625.1: 656.2
В. Ю. Тэттэр, А. Ю. Тэттэр
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ СИГНАЛОВ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Аннотация. Обоснована актуальность задачи по созданию тестовых сигналов вибрации. Описаны возможные способы реализации тестовых сигналов вибрации. Предложена методика реализации тестовых сигналов путем корректировки амплитуд отдельных гармонических составляющих вибросигнала. Приведены результаты моделирования. Показан возможный эффект от использования предложенного способа реализации тестовых сигналов вибрации.
Ключевые слова: вибрация, тестовый сигнал, моделирование, временной сигнал, спектр, диагностика, дефект.
V. Yu. Tetter, A. Yu. Tetter
Omsk State Transport University ^SIU), Omsk, the Russian Federation
METHOD OF IMPLEMENTATION SIGNALS FOR TESTING VIBRO-DIAGNOSTIC
EQUIPMENT OF ROLLING STOCK
Abstract. The urgency of the task of creating test signals of vibration. Described possible ways of implementation of the test vibration signals. A method of forming a test signal by adjusting amplitudes of the individual harmonic components of the vibration signal. Showing the results of modeling. Shows the possible effect of using the proposed method.
Keywords: vibration, test signal, simulation, time signal, spectrum, diagnostics, defect.
В соответствии с отраслевыми нормативными документами вибродиагностическое оборудование (ВДО) является обязательным элементом технологии ремонта подвижного состава железных дорог. Таким оборудованием должно быть оснащено каждое депо по ремонту локомотивов и вагонов. От эффективности работы уазанного оборудования зависят показатели безопасности движения и величина коэффициента технической готовности.
Тестовые сигналы играют важную роль при проверке работоспособности, определении функциональных возможностей диагностического оборудования (ДО) и при проведении метрологической аттестации (поверке, калибровке) средств измерений (СИ). Наибольшее распространение получили электрические тестовые сигналы, в частности, сигналы напряжения. Такие сигналы используются для проверки и аттестации электроизмерительной части средств измерения параметров вибрации.
46 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016
—— faV 1 V
В ряде случаев, например, при выборе и сравнении средств для их поставки на ремонтные предприятия, возникает необходимость произвести объективную оценку функциональных возможностей и заявляемых свойств ВДО. ВДО в настоящее время представляет собой достаточно сложные программно-аппаратные комплексы. Стоимость таких комплексов достигает 10 - 20 тыс. долларов, причем стоимость программного обеспечения (ПО), в частности диагностических программ, составляет около половины общей стоимости ВДО.
Метрологическая аттестация характеристик аппаратной части оборудования не позволяет производить в достаточном объеме проверку функциональных возможностей ВДО, которые во многом определяются методами обработки сигналов и диагностическим ПО. В связи с этим становится актуальной задача по созданию тестовых сигналов вибрации, которые соответствовали бы определенному техническому состоянию диагностируемого оборудования (исправному или неисправному, работоспособному или неработоспособному, предельному) таких, например, механических узлов, как подшипники качения и скольжения, редукторные узлы с зубчатым зацеплением.
Сформировать и воспроизвести тестовые сигналы вибрации можно несколькими способами. Первый способ предполагает проведение большого количества активных экспериментов и заключается в следующем. С помощью образцовых СИ производится запись сигналов вибрации с диагностируемых узлов, имеющих разное техническое состояние. Виды технического состояния определяются нормативной документацией [1]. Естественно, что техническое состояние оборудования, с которого были сняты сигналы, должно быть оценено по результатам его разборки и осмотра на основании критериев нормативно-технической документации на это оборудование. Количество экспериментов должно быть достаточно велико -по предварительным оценкам, от 10 до 30 экспериментов для каждого вида неисправности (дефекта). Современное ВДО способно идентифицировать до 15 видов дефектов подшипников качения. При наиболее распространенной классификации степени развития «слабый» -«средний» - «сильный» (недопустимый) только для одного типа подшипника минимальное количество экспериментов составит 45, а с учетом того, что информационная выборка должна быть репрезентативной, количество экспериментов возрастет до 450 - 500. Проведение такого количества активных экспериментов с разборкой и ревизией диагностируемых узлов связано со значительными временными и материальными затратами и вследствие этого крайне затруднительно в практической реализации. Еще одним препятствием в реализации этого способа является то обстоятельство, что ВДО, как правило, фиксирует и сохраняет в памяти не выборки временного сигнала, а только результаты его обработки в виде спектров.
Исходя из изложенного был предложен второй (альтернативный) способ формирования тестовых (эталонных) сигналов [2].
Этот способ заключается в восстановлении временного сигнала из трех различных видов спектров (прямой спектр, широкополосный, спектр огибающей сигнала). Авторами, в частности, была доказана правомерность использования восстановленного временного сигнала в качестве тестового (эталонного) [2].
Дальнейшее изучение вопроса и выполненные экспериментальные работы по моделированию тестовых сигналов показали, что можно обоснованно сократить процедуру их формирования. Суть заключается в моделировании тестовых сигналов с дефектных узлов, имеющих разную степень развития одного и того же дефекта. Так, например, при наличии записанного сигнала с узла, имеющего определенный дефект сильной степени развития, по определенному алгоритму можно получить сигнал, соответствующий средней и слабой степени развития дефекта. Или, наоборот, имея сигнал, соответствующий слабой степени развития, можно сформировать (трансформировать) его в сигналы, соответствующие средней и сильной степени развития дефекта.
Реализация указанного способа формирования тестовых сигналов возможна с помощью ВДО, которое осуществляет идентификацию дефектов оборудования по результатам спектрального анализа вибросигналов.
Вид дефектов идентифицируется по пяти основным и нескольким дополнительным группам гармоник [3] в спектре огибающей вибросигнала. К основным группам в порядке снижения вероятности их появления в спектре огибающей относятся следующие гармоники: с частотами, кратными частоте вращения кольца подшипника к/вр, где /вр - частота вращения кольца (ротора), к - кратность гармоники;
с частотами, кратными частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу к/п, где
/н = 1 /2• Лр • *, (1)
ас • cosa
где d™ - диаметр тела качения; d - диаметр сепаратора; a - угол контакта тел и дорожек качения; z - число тел качения в одном ряду подшипника;
с частотами, кратными частоте перекатывания тел качения по внутреннему кольцу к/в,
где
/ = 1 /2• /Вр • -; (2) d • cosa
с частотами, кратными частоте вращения сепаратора к/с, где
/с = 1 / 2 • /вр • dL-C0sa; (3)
de • cosa
с частотами, кратными частоте вращения тел качения к/тк, где
/т.к =1 / 2 • /вр • d- • dr^O-a- (4)
dc dc • cos a
Число дополнительных групп гармоник достаточно велико (более 10).
Российские специалисты [4] установили, что существует пропорциональная связь между степенью развития дефекта и величиной глубины модуляции случайной составляющей сигнала вибрации. Формулы (в различных видах) для расчета глубины модуляции приводятся в источниках [3, 5 - 7]. Наиболее удачной авторы считают формулу, представленную в следующем виде:
m =
V
f sS£L _ Л AL
So(/)2 J /
V^ 0
•100 %; (5)
filtr
где £(/) - амплитуда спектральной (гармонической) составляющей в спектре огибающей; £0(/) - уровень огибающей (уровень случайной составляющей) сигнала; А/ - разрешение (шаг) по частоте в спектре огибающей; /ацг - ширина полосового фильтра при выделении огибающей.
При представлении вибрации в относительных единицах - децибелах - формула (5) принимает вид [5]:
m =
V
(10Ai/10 _400 %, (6)
//ltr
где АЬ - разница уровней между гармонической составляющей спектра огибающей и средним уровнем случайной составляющей этого же спектра.
Таким образом, задача формирования тестового сигнала вибрации дефектных узлов заключается в изменении глубины модуляции случайной составляющей сигнала огибающей до заранее определенных уровней, т. е. в изменении амплитуд отдельных гармонических составляющих в спектре огибающей.
48 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016
—— faV 1 V
В настоящее время не существует единой классификации степени развития дефектов, обнаруживаемых по сигналам вибрации. Большинство разработчиков вибродиагностического оборудования выделяют три степени развития дефектов: «слабый» (незначительный, допустимый), «средний» (обратить внимание, следить за развитием), «сильный» (недопустимый, запретить эксплуатацию, заменить узел). Находит применение и бинарная классификация: «в допуске» (норма, допустить в эксплуатацию), «не в допуске» (брак, запретить эксплуатацию). Различие в классификациях можно объяснить как спецификой и технологией использования диагностируемого оборудования, так и возможностями вибродиагностического оборудования. Попытки привязать степень развития дефекта к виду технического состояния [1] диагностируемого узла не находят практического применения и вряд ли будут использованы в будущем.
По мнению авторов, вопрос классификации степени развития идентифицируемых дефектов в настоящее время остается открытым, требует изучения, после которого должны появиться соответствующие нормативные документы (возможно ведомственной принадлежности).
Для формирования тестовых сигналов вибрации предлагается использовать трех-пороговую классификацию - «слабый», «средний», «сильный».
На рисунке 1 показан спектр огибающей, полученный после обработки вибросигнала с подшипника (при его прокрутке), имеющего сильно развитый дефект «Раковины наружного кольца». На спектре отчетливо видны первые пять гармоник характерной частоты для указанного дефекта. Из имеющегося спектра в совокупности с соответствующим прямым и широкополосным спектром (предполагается отсутствие исходного временного сигнала) по определенному алгоритму был сформирован временной сигнал, при спектральном анализе которого степень развития того же дефекта стала определяться как «слабая». Процедура восстановления временного сигнала из трех видов спектров подробно описана в статье [8]. Если имеются не только спектры сигнала, а и исходный временной сигнал, то процедура восстановления временного сигнала не требуется, но, как показывает практика, в большинстве случаев вибродиагностическое оборудование формирует базы данных именно спектров, а не временных сигналов, которые занимают значительный объем памяти устройства. В связи с этим разработка способа корректного восстановления временного сигнала из спектральной области является актуальной задачей.
На рисунке 2 показан спектр огибающей сформированного (скорректированного) сигнала вибрации. В этом спектре видна только первая гармоническая составляющая характерной частоты. Для первого спектра («сильный дефект») расчетный показатель глубины модуляции составил 15 %, а для второго («слабый») - 4 %.
Рисунок 1 - Спектр огибающей с подшипника с сильно развитым дефектом «Раковины наружного кольца»
Для получения спектра, представленного на рисунке 2, были произведены следующие действия:
1) восстановление временного сигнала из трех видов спектров;
2) корректировка временного сигнала по амплитуде отдельных гармонических составляющих с целью приведения диагностических признаков (показателя глубины модуляции) до пороговых уровней, соответствующих величине развития дефекта «слабый»;
3) спектральный анализ сформированного временного сигнала с помощью ВДО, на основе которого было получено заключение о наличии в подшипнике дефекта «Раковины наружного кольца» со степенью развития «слабый».
Рисунок 2 - Спектр огибающей, сформированный из предыдущего спектра (соответствует «слабому» дефекту
«Раковины наружного кольца» подшипника)
Такая же процедура была использована для получения вибросигнала, соответствующего степени развития дефекта «средний» (иллюстрация спектра не приводится).
Следует отметить, что градация степени развития дефектов на «слабый», «средний», «сильный» является условной классификацией для ВДО, использующегося в локомотивном хозяйстве при определении остаточного ресурса узла или рекомендуемой даты проведения следующего диагностирования. В вагонном хозяйстве результаты диагностирования представляются в виде «да» - «нет» (допустить в эксплуатацию или не допустить). Классификация дефектов в ВДО никак не связана с классификацией, приводимой в нормативной документации по ремонту подшипников, например, в документе 3-ЦВРК (Инструктивные указания по эксплуатации и ремонту вагонных букс с роликовыми подшипниками), где приводятся геометрические размеры дефектов. Проблема гармонизации классификаторов дефектов (степень развития - геометрия дефекта) еще не решена и требует большого объема исследовательских работ.
В данном материале отсутствует описание процедуры корректировки временного сигнала, которая была разработана коллегой авторов Е. А. Сидоровым. Предполагается, что этот вопрос более подробно будет раскрыт в отдельной совместной статье.
Приведенная методика реализации тестовых сигналов вибрации позволяет формировать их по ограниченному количеству информации (при отсутствии исходного временного сигнала используются имеющиеся спектры). Диагностирование смоделированных временных сигналов на ВДО и получение соответствующих диагнозов показали корректность использованных процедур. Формирование с помощью предлагаемой процедуры тестовых сигналов позволяет отказаться от трудоемкого проведения активных экспериментов, которые требуют значительных материальных затрат и существенно сократить время формирования базы таких сигналов для каждого типа диагностируемого оборудования. Наборы тестовых сигналов вибрации могут быть использованы для объективной оценки функциональных возможностей вибродиагностического оборудования (что в настоящее время затруднительно) и для проверки его работоспособности и метрологической аттестации.
50 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016
—— 1 V
Список литературы
1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения [Текст]. М.: Стан-дартинформ, 2009. - 10 с.
2. Тэттэр, В. Ю. Оценка возможности реализации вибрационных эталонов дефектов роторных механических узлов [Текст] / В. Ю. Тэттэр // Измерительная техника. - 2013. -№ 5. - С. 20 - 23.
3. Барков, А. В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации [Текст] / А. В. Барков, Н. А. Баркова, А. Ю. Азовцев / СПбГМТУ. - СПб., 2000. - 159 с.
4. Барков, А. В. Диагностика и прогнозирование технического состояния подшипников качения по сигналу вибрации [Текст] / А. В. Барков // Судостроение. - 1985. - № 3. - С. 21 - 23.
5. Зусман, Г. В. Вибродиагностика [Текст] / Г. В. Зусман, А. В. Барков. - М.: Спектр, 2011. - С. 148 - 149.
6. Костюков, В. Н. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин [Текст] / В. Н. Костюков, А. П. Науменко / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2011. - С. 173.
7. Barkov, A. V. Condition Assessment and Life Prediction of Rolling Element Bearings. Part 1 [Text] / A. V. Barkov, N. A. Barkova, J. S. Mitchel // Sound and Vibration. - 1955. - № 6. -P. 10 - 17.
8. Tetter V. Modeling of virtual standards of vibration of defective bearing units/ V. Tetter, E. N. Sidorov, E. A. Sidorova // Measurement Techniques. - 2013. - Vol. 56. - Issue 3. - P. 278 - 282.
References
1. Tekhnicheskaia diagnostika. Terminy i opredeleniia, GOST 20911-89 (Technical diagnostics. Terms and definitions. State Standart 20911-89). Moscow, Standartinform, 2009, 10 p.
2. Tetter V. Y. Assessment of the feasibility of the vibration standards of the defects in the rotary mechanical units [Otsenka vozmozhnosti realizatsii vibratsionnykh etalonov defektov rotornykh mekhanicheskikh uzlov]. Izmeritel'naia tekhnika - Measurement techniques, 2013, no. 5, pp. 20 - 23.
3. Barkov A. V., Barkova N. A. Azovtsev A. Yu. Monitoring i diagnostika rotornykh mashin po vibratsii (Monitoring and diagnosis of rotating machines by vibration). St. Petersburg, 2000, 159 p.
4. Barkov A. V. Diagnostics and forecasting technical condition of rolling bearings by vibration signal [Diagnostika i prognozirovanie tekhnicheskogo sostoianiia podshipnikov kacheniia po signalu vibratsii]. Sudostroenie - Shipbuilding, 1985, no. 3, pp. 21 - 23.
5. Zusman G. V., Barkov A. V. Vibrodiagnostika (Vibrodiagnostics). Moscow: Spectrum, 2011, pp. 148 - 149.
6. Kostjukov V. N., Naumenko A. P. Osnovy vibroakusticheskoi diagnostiki i monitoringa mashin (Bases of vibroacoustic diagnostics and monitoring of machines) Omsk: Omsk state technical University, 2011, pp. 173.
7. Barkov, A. V. Condition Assessment and Life Prediction of Rolling Element Bearings. Part 1 [Text] / A. V. Barkov, N. A. Barkova, J. S. Mitchel // Sound and Vibration. - 1955. - № 6. -P. 10 - 17.
8. Tetter V. Modeling of virtual standards of vibration of defective bearing units/ V. Tetter, E. N. Sidorov, E. A. Sidorova // Measurement Techniques. - 2013. - Vol. 56. - Issue 3. - P. 278 - 282.
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.: +7 (3812) 31-06-88.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Tetter Vladimir Yurievich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department «Theoretical electrical engineering», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-06-88. E-mail: te@omgups.ru
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.: +7 (3812) 31-06-88.
E-mail: te@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Тэттэр, В. Ю. Методика реализации сигналов для тестирования вибродиагностического оборудования подвижного состава / В. Ю. Тэттэр, А. Ю. Тэттэр // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 4 (28). - С. 46 - 52.
Tetter Aleksandr Yurievich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department «Theoretical electrical engineering», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-06-88.
E-mail: te@omgups.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Tetter V. Yu., Tetter A. Yu. Method of implementation signals for testing vibro-diagnostic equipment of rolling stock. Journal of Transsib Railway Studies - Omsk -2016, vol. 28, no. 4, pp. 46 - 52. (In Russian).
УДК 629.424.3:621.436
В. А. Четвергов1, А. С. Анисимов1, О. В. Балагин1, А. А. Свечников2
1Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация,
2Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС), г. Самара, Российская Федерация
НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК АВТОНОМНЫХ ЛОКОМОТИВОВ
Аннотация. В статье рассмотрены этапы развития энергосиловых установок автономных локомотивов от паровой машины до газотурбинных двигателей и двигателей на топливных элементах.
Ключевые слова: энергосиловая установка, паровая машина, паровоз, дизель, тепловоз, удельный расход топлива, коэффициент полезного действия, газотурбинный двигатель, атомный локомотив, топливные элементы.
Vitaly A. Chetvergov1, Alexander S. Anisimov1, Oleg V. Balagin1, Alexander A. Svechnikov2
1Omsk State Transport University (ОSTU), Omsk, the Russian Federation, 1 Samara State Transport University (SamSTU), Samara, the Russian Federation
PRESENT AND FUTURE OF POWER PLANTS AUTONOMOUS LOCOMOTIVES
Abstract. In article stages developments of power plants autonomous locomotives from the steam-engine to gasturbine engines and engines on fuel elements are considered.
Keywords: power plant, steam-engine, engine, diesel, locomotive, specific fuel consumption, efficiency, gasturbine engine, atomic locomotive, fuel elements.
За многовековую историю развития человеческой цивилизации человеком создано множество технических систем и объектов (инструментов, машин, аппаратов, приборов и т. п.), которые в настоящее время составляют техносферу, стоящую между человеком и природой. При этом каждое техническое устройство создавалось в свое время для выполнения определенной функции.
Во все эпохи развития человечества в деятельности человека по удовлетворению своих потребностей существовала транспортная функция, т. е. перемещение тел, предметов, ве-
