CC BY
109
Статья поступила в редакцию 25.05.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.
УДК 004.91
Я. С. Ватулин, М. С. Коровина
МОНИТОРИНГ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПУТЕВЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ PLM (PRODUCT LIFECYCLE MANAGEMENT - УПРАВЛЕНИЕ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ ПРОДУКЦИИ)
В статье рассматриваются особенности интегрирования мониторинга текущего состояния элементов путевых машин в систему управления жизненным циклом оборудования.
PLM-технологии, путевые машины, диагностический мониторинг.
Введение
Большинство предприятий по ремонту и обслуживанию путевых машин применяют устаревшие методы технического диагностирования, в связи с чем не представляется возможным автоматизировать процесс своевременного сбора и анализа информации о состоянии ответственных элементов машин, что, в свою очередь, понижает уровень безопасности эксплуатации оборудования. Надёжность и безопасность работы путевых машин могут быть обеспечены только при достоверном прогнозировании ресурса на основе правильного и своевременного проведения технического диагностирования с использованием современных методов и средств неразрушающего контроля как на стадиях изготовления, так и при эксплуатации.
Обеспечить адекватное предоставление информации о техническом состоянии путевых машин позволяет технология PLM (Product Lifecycle Management - Управление жизненным циклом продукции). Это комплексная система, включающая модель бизнес- и производственных процессов предприятия; программные и аппаратные средства; подготовленный персонал; нормативно-справочную документацию. Успешная работа такой системы возможна только в том случае, если информация о состоянии объекта вводится в систему своевременно. В настоящее время ввод данных осуществляется оператором, а значит, вероятность появления неточностей и ошибок, влекущих за собой неадекватность работы системы в целом, высока.
1 Диагностический мониторинг как метод непрерывного контроля технического состояния путевых машин
Возможность применения того или иного вида мониторинга в значительной степени зависит от требуемого уровня надежности, что во многом определяется видом эксплуатации объекта: до отказа, по
назначенному ресурсу, по техническому состоянию. Наиболее
прогрессивным видом ремонтов путевых машин являются ремонты по состоянию. Ремонты этого вида производятся только в случае необходимости, когда путевая машина начинает работать в режиме аварийной эксплуатации. Такой режим работы можно определить при помощи датчиков контроля, которые установлены на путевой машине и соединены с системой управления ресурсами предприятия. По заранее определенным параметрам система определяет изменение режима работы. Таким образом, проведение ремонтов по состоянию позволяет значительно сократить затраты.
Однако для реализации концепции диагностического мониторинга путевые машины должны быть оснащены соответствующими
диагностическими датчиками. Поскольку оснащение каждой путевой машины подобной системой весьма затратное мероприятие, имеет смысл применение комбинированного вида ремонта. По соответствующему плану выполняется техническое обслуживание с одновременным сбором информации; результаты заносятся в систему. Такой подход позволяет
снизить затраты на ремонт путевых машин, не оснащать их стационарно установленными датчиками контроля [1].
За последнее время широкое распространение получил непрерывный вид диагностического контроля - мониторинг, т. е. система наблюдений за состоянием объекта, используемая для своевременного выявления изменений параметров, оценки и прогноза надежности его элементов.
2 Система многоуровневого диагностического мониторинга путевых машин
Одним из важнейших способов обеспечения надежности машин является многоуровневый мониторинг на всех стадиях их жизненного цикла (проектирование, изготовление, эксплуатация, реконструкция) [2].
Система многоуровневого диагностического мониторинга на стадии эксплуатации включает в себя: оценку видов нагрузок и факторов, служащих причинами возникновения и развития дефектов в конструкциях в процессе эксплуатации; оценку видов дефектов, их расположение, характер развития; методы неразрушающего контроля, их возможные сочетания с целью получения более надежной и достоверной информации об объекте; решение задач по обнаружению дефектов и слежению за их ростом, а также их регистрации; критерии оценки опасности обнаруженных дефектов и рекомендации по дальнейшей безопасной эксплуатации конструкции.
Основное влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции оказывают динамические нагрузки, которые в ряде случаев могут привести к ее разрушению, например, при наличии в конструкции значительных производственных дефектов или при воздействии определённых сочетаний эксплуатационных нагрузок. Кроме того, при периодическом изменении динамических нагрузок могут образоваться локальные участки с повышенным уровнем напряжений, обычно группирующиеся в зоне геометрических концентраторов. Возникновению и развитию дефектов могут также способствовать внешние случайные нагрузки, а также физико-хими-ческие свойства среды, способствующие коррозии.
При диагностическом мониторинге контролируются основные виды повреждений: изменение пространственного положения конструкции в процессе эксплуатации, трещины в сварных швах и в основном металле, коррозия металлов, износ деталей машины. При изменении проектного положения металлических конструкций подлежат контролю: прогибы; смещение осей элементов несущих конструкций; перпендикулярность углов; эксцентриситеты, вызванные монтажными и эксплуатационными смещениями и т. д.
Важным вопросом является определение мест установки датчиков. Следует отметить, что места образования трещин в зоне сосредоточения нагрузок и геометрических концентраторов напряжений зачастую известны, их можно также установить из опыта эксплуатации объекта. В таких местах и устанавливаются датчики. Для конструкций, работающих в
условиях агрессивных сред, особое значение имеет развитие коррозии металла. Параметры очага коррозии: длина, ширина, глубина, расстояние от сварных швов, площадь и расстояние между соседними очагами.
3 Методы неразрушающего контроля в диагностическом мониторинге путевых машин
Выбор конкретных методов неразрушающего контроля, обеспечивающих своевременное обнаружение дефектов при диагностическом мониторинге, зависит от типа объекта, вида эксплуатационных дефектов, свойственных данному объекту, и от особенностей мест их возникновения в исследуемой конструкции [3].
В зависимости от типа объекта, при контроле технического состояния могут применяться: для сложных металлических конструкций - акустикоэмиссионный, ультразвуковой, тензометрический методы, твердометрия, метод магнитной памяти металла; для электрооборудования путевых машин - тепловизионные методы; для объектов, испытывающих вибрационные нагрузки, роторных машин - методы виброметриии и тепловизионные. Целесообразно автоматизировать мониторинг рассматриваемых объектов техники магнитными и акустическими методами, поскольку именно эти методы обеспечивают долговременный удалённый контроль напряженно-деформированного состояния конструкций путевых машин при минимальных затратах, удобстве эксплуатации и надёжности предлагаемых систем в экстремальных условиях работы.
Одним из направлений определения внутренних напряжений в элементах металлических конструкций являются магнитные методы, основанные на зависимости магнитных свойств сталей от величины действующих напряжений (магнитоупругий эффект) [4].
В основе этих методов лежит зависимость свободной энергии магнитной анизотропии от уровня действующих внутренних напряжений. В каждом конкретном случае ориентацию вектора спонтанной намагниченности можно определить из условия минимума свободной энергии магнитной анизотропии. Этот вектор может быть ориентирован в направлении одной из трех осей намагничивания. Для железа более выгодным с точки зрения минимума свободной энергии магнитной анизотропии становится ориентация вектора спонтанной намагниченности вдоль оси намагничивания, которая ориентирована под минимальным углом к линии действия напряжений растяжения; при сжатии - вдоль той оси намагничивания, которая ориентирована под минимальным углом к плоскости, перпендикулярной линии действия напряжений сжатия. Таким образом, в ферромагнетике ориентация вектора спонтанной намагниченности будет зависеть от знака и уровня действующих внутренних напряжений.
Прикладывая внешнюю нагрузку к ферромагнетику, мы изменяем баланс напряжений, что вызывает переориентацию вектора спонтанной намагниченности, возникает магнитная текстура и, как следствие,
изменение магнитных свойств вектора. Так, растяжение малоуглеродистых сталей приводит к преимущественной ориентации спонтанной намагниченности вдоль осей намагничивания, близких к направлению растяжения, что вызывает рост начальной магнитной проницаемости в этом направлении и уменьшение ее в перпендикулярном направлении. Под воздействием напряжений изменяется не только начальная магнитная проницаемость, но и дифференциальная магнитная проницаемость, когда процессы смещения границ доменов в основном закончились и идут процессы вращения вектора спонтанной намагниченности. Возникновение «текстуры вращения» и является причиной изменения дифференциальной магнитной проницаемости кривой намагничивания в области процессов вращения смещающихся доменных стенок. Подвижность доменных стенок определяет параметры магнитных структурно-чувствительных характеристик и дислокаций, способность к скольжению которых, в свою очередь, определяет прочностные и пластические свойства металлов.
Среди магнитных методов определения внутренних напряжений, использующих эффект магнитоупругости, достаточно часто применяются следующие: магнитострикционный, эффект Баркгаузена, коэрцитимет-рический. Реже применяется феррозондовый метод контроля в пассивном варианте (в условиях естественного намагничивания ферромагнитных материалов в слабом магнитном поле Земли) [4].
Магнитострикционный метод основан на использовании зависимости магнитострикции от величины приложенных напряжений. Его сущность заключается в следующем: на поверхность элемента конструкции
наклеивается тензодатчик, продольная ось которого располагается параллельно действующим усилиям; производятся намагничивание вдоль или поперек оси датчика переменным магнитным полем и дальнейшее измерение продольной или поперечной магнитострикции. О величине внутренних напряжений судят по отношению продольной и поперечной величин магнитострикции. Этот метод характеризуется высокой чувствительностью, но сложен в реализации.
Эффект Баркгаузена связан с появлением при намагничивании и перемагничивании ферромагнитных материалов необратимых скачков намагниченности различной величины. Скачки Баркгаузена определяются величиной и знаком приложенных остаточных напряжений, а также константой магнитострикции, поэтому эффект Баркгаузена применяют в практике неразрушающего контроля для определения действующих внутренних напряжений. В качестве недостатка отметим, что этот метод существенно зависит от качества подготовки поверхности. Значительное влияние поверхностно-пластическое деформирование оказывает на электрические характеристики скачков Баркгаузена. При наклепывании поверхности выходной сигнал может изменяться в десятки и даже сотни раз, что затрудняет использование данного метода для измерения напряжений в реальных металлоконструкциях.
Коэрцитиметрический метод основан на измерении коэрцитивной силы после намагничивания контролируемого участка конструкции до насыщения переменным полем электромагнитного преобразователя. Затем
этот участок размагничивают. Размагничивающий ток увеличивают до тех пор, пока магнитный поток в цепи не станет равным нулю, чему соответствует отсутствие выходного сигнала феррозондового преобразователя. Чем больше значение коэрцитивной силы материала, тем большим должен быть размагничивающий ток. Таким образом, действие коэрцитиметра основано на использовании корреляции между размагничивающим током, пропорциональным коэрцитивной силе, и определенными механическими свойствами объекта контроля.
Использование коэрцитивной силы как одного из магнитных параметров для неразрушающего определения действующих внутренних напряжений было предложено сравнительно недавно. Основным недостатком метода является необходимость предварительного намагничивания контролируемого участка, что вызывает определенные трудности при диагностировании массивных конструкций. Этот метод предполагает ручную технологию контроля и неудобен для задач мониторинга.
Феррозондовый метод контроля - это метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитных полей рассеяния объекта контроля феррозондовыми преобразователями. Магнитное поле рассеяния дефекта - это локальное магнитное поле, возникающее в зоне дефекта вследствие магнитной поляризации его границ. Чувствительность феррозондового метода контроля определяется магнитными характеристиками материала контролируемого изделия, его формой и размерами, способом контроля и видом намагничивания, чувствительностью применяемого преобразователя и электронной аппаратуры, а также магнитным полем рассеяния дефекта. Метод позволяет контролировать изделия таких размеров и форм, у которых отношение длины к наибольшему размеру в поперечном направлении и магнитные свойства дают возможность намагничивания до степени, достаточной для создания магнитного поля рассеяния дефекта, обнаруживаемого с помощью преобразователя. Это ограничивает возможности метода.
Феррозондовый метод, в зависимости от магнитных свойств, материала, размеров и формы контролируемого изделия, предусматривает два способа контроля: способ приложенного магнитного поля и способ остаточной намагниченности. Способ приложенного магнитного поля заключается в намагничивании изделия и одновременной регистрации напряженности магнитных полей рассеяния дефектов преобразователем при наличии намагничивающего поля. Способ остаточной намагниченности заключается в намагничивании изделия и регистрации напряженности магнитных полей рассеяния дефектов преобразователем после снятия намагничивающего поля.
При феррозондовом методе контроля применяют три вида намагничивания: циркулярное, продольное (полюсное) и поперечное (полюсное). При контроле крупногабаритных и сложной формы изделий применяют только локальное намагничивание.
К основным недостаткам феррозондового метода следует отнести необходимость подготовки изделия к контролю и необходимость предварительного намагничивания и последующего размагничивания контролируемой поверхности, а для крупногабаритных изделий и изделий сложной формы - только локального намагничивания зон контроля, что существенно снижает производительность контроля и не позволяет проводить сплошное магнитное сканирование. Учитывая, что сварные металлические конструкции имеют значительные габаритные размеры и характеризуются разнообразностью и сложностью форм, а также требуют проведения сплошного магнитного сканирования элементов конструкций, использование феррозондового метода контроля с активным
намагничиванием во многих случаях является нецелесообразным.
В связи с вышесказанным для решения задач мониторинга металлоконструкций путевых машин наиболее рационально применение феррозондового метода в пассивном варианте, при котором
намагничивание изделия осуществляется слабым магнитным полем Земли (область Рэлея). Недостатком разработанных методик контроля и оценки напряженно-деформированного состояния металла с использованием метода магнитной памяти металла является отсутствие учета, магнитной и механической предыстории металла, тогда как реальные металлические конструкции в процессе изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации могут подвергаться как магнитным, так и механическим воздействиям, что существенно влияет на результаты разовых магнитных измерений. Однако режим мониторинга предполагает периодическое проведение магнитных измерений, что исключает вышеперечисленные недостатки. Недостатком применяемых методик контроля по остаточной намагниченности является также то, что они предусматривают выявление зон концентрации напряжений по максимальной величине напряженности магнитного поля рассеяния или по максимальной величине градиента магнитного поля рассеяния, соответствующих максимальным величинам внутренних напряжений. Однако такая оценка является частной (она справедлива при рассмотрении зон концентрации напряжений, находящихся в пластической области деформирования), так как не позволяет определять, какому (упругому или пластическому) напряжённодеформированному состоянию изделия соответствует определенная максимальная величина внутренних напряжений. В процессе магнитного контроля феррозондовыми преобразователями возможны три характерных случая: магнитный параметр в упругой и пластической областях одинаковы; значение магнитного параметра в упругой области больше, чем в пластической; значение магнитного параметра в упругой области меньше, чем в пластической. При этом наибольшая эффективность результатов измерений также проявляется в режиме мониторинга.
Очевидно, что максимальную величину внутренних напряжений и степень опасности зон концентрации с максимальными напряжениями нельзя достоверно определить по максимальным значениям остаточной намагниченности объекта контроля. Принадлежность выявленных локальных зон концентрации напряжений к упругой или пластической
областям деформирования можно установить только в процессе нагружения (разгружения) конструкции или её элемента по увеличению или уменьшению величины напряженности магнитного поля рассеяния, а степень опасности зон концентрации напряжений (максимальную величину действующих внутренних напряжений) - по максимальной величине приращения (по модулю) в этих зонах.
К преимуществам пассивного феррозондового метода можно отнести: отсутствие необходимости в специальной подготовке поверхности контроля (зачистка, снятие изоляционного покрытия); отсутствие необходимости в намагничивании и подмагничивании; высокую скорость сканирования; высокую чувствительность к структурным изменениям и механическим напряжениям; возможность практического применения для определения зон концентрации напряжений и степени их опасности; возможность практического применения для определения внутренних напряжений; возможность сплошного неразрушающего контроля, в том числе и в труднодоступных местах в режимах периодического или постоянного магнитного мониторинга.
Анализ неразрушающих магнитных методов определения действующих внутренних напряжений показал, что они имеют ряд особенностей. Так, на результатах измерения напряжений магнитными методами сказывается магнитная и механическая предыстория образца, когда внешними магнитными полями и приложенными нагрузками создается магнитная текстура. Однако в целом показано, что остаточная намагниченность (магнитное поле рассеяния) является весьма перспективным параметром для контроля внутренних напряжений металлоконструкций путевых машин.
Методы вибрационного мониторинга можно разделить на две основные группы. К первой относятся методы тестового мониторинга, требующие формирования искусственных возмущений, воздействующих на объект. По степени искажения возмущений судят о состоянии объекта. Возмущения имеют известные характеристики. Поэтому предметом изучения являются только те искажения, которые возникают при прохождении их через объект. Подобные методы строятся на базе достаточно простых информационных технологий и широко используются для контроля различных узлов на этапе их изготовления, а также путевых машин в неработающем состоянии.
Вторая группа включает в себя методы функционального (рабочего) вибрационного мониторинга путевых машин, использующие источники естественных возмущений в процессе их работы. Эти методы ориентированы прежде всего на анализ процессов формирования возмущений, а не их искажений во время распространения. Искажения обычно усложняют анализ измеряемых сигналов и применяемую информационную технологию. Лишь для ограниченного круга задач функционального мониторинга используется информация, получаемая в результате анализа искажений естественных возмущений при прохождении их через диагностируемый объект.
Простейшим акустическим методом мониторинга путевых машин является энергетическая технология, основанная на измерении мощности или амплитуды контролируемого сигнала. Технология строится на измерении величин сигналов в контрольных точках и сравнении их с пороговыми значениями.
Более совершенным вариантом энергетической технологии является информационная частотная технология, предполагающая выделение из измеряемого сигнала составляющих в определённых частотных диапазонах и дальнейший энергетический анализ выделенных составляющих. Технология частотного анализа используется не только для мониторинга, но и для аварийной защиты. Примером может быть частотно-дуговая защита электроприводов отдельных механизмов путевых машин по
высокочастотным составляющим тока, защита машин по вибрации с частотой её вращения и многие другие. При частотном анализе далеко не всегда используют для разделения составляющих электронные фильтры. Это могут быть, например, резонансные датчики тока, вибрации, шума, светового потока или других величин.
Еще одна информационная фазовременная технология основана на сравнении форм акустических сигналов, измеренных через фиксированные интервалы времени. Эта технология успешно используется для контроля состояния механизмов с элементами возвратно-поступательного действия, нагружаемыми последовательно через одинаковые интервалы времени.
Сравнение формы сигналов, но уже с эталонной, можно осуществлять с помощью еще одной информационной спектральной технологии, основанной на узкополосном спектральном анализе сигналов. При использовании такого вида анализа сигналов информация содержится в соотношении амплитуд и начальных фаз основной составляющей и каждой из кратных ей по частоте составляющих. Такая технология применяется для анализа сигналов с датчиков давления, вибрации, шума, а также датчиков тока и напряжения.
Общий недостаток перечисленных технологий при использовании в мониторинге проявляется тогда, когда требуется обнаружить зарождающиеся дефекты различных механизмов и узлов. Он связан с тем, что разброс величин измеряемых параметров даже в группе одинаковых бездефектных механизмов обычно превышает изменения, характерные для появления зарождающихся дефектов. Типовой разброс величин многих составляющих лежит в пределах 10 раз и более. В то же время дефекты в начальной стадии развития могут оказывать значительно меньшее влияние, изменяя характерные в таких случаях величины параметров вибрации всего в 2-3 раза. Развитие средств измерений и вычислительной техники в последние годы позволило частично решить эту проблему путём создания систем мониторинга путевых машин на основе комплексного применения рассмотренных информационных технологий. Такие системы, ориентированные на непрерывный контроль диагностических параметров конкретного объекта, имеют специальные режимы адаптации на начальном этапе эксплуатации, когда дефекты чаще всего отсутствуют. На
этом же этапе выявляются и учитываются особенности влияния режимов работы механизмов и изменения внешних условий, таких как температура, качество электрического питания или топлива и т. п., на диагностические параметры. Это снижает вероятность ложного срабатывания системы мониторинга при смене режимов или внешних условий.
4 Технология статистического распознавания состояний (образов) в диагностике путевых машин
Особо следует выделить еще одну перспективную технологию получения диагностической информации - технологию статистического распознавания состояний (образов). Она пока еще не получила широкого практического применения из-за недостаточных вычислительных возможностей аппаратуры. В настоящее время интенсивно развиваются самообучающиеся информационные технологии для решения задач распознавания состояний, описываемых множеством параметров, получившие название нейронные сети. Это позволяет надеяться, что в ближайшие годы можно будет решать и задачи идентификации динамических процессов со значительными случайными компонентами. Естественно, что подобная технология из-за своей сложности на первых этапах будет использоваться только в стационарных системах мониторинга, что снизит вероятность принятия ошибочных решений о появлении дефектов, прежде всего при смене режима работы объектов диагностирования.
Следует обратить внимание, что среди рассмотренных информационных технологий сознательно не упоминались те, в которых производятся многоканальные измерения вибрации или шума. Это объясняется тем, что такие виды измерений, как корреляционные, когерентные и т. п., используются для анализа искажений при распространении вибрации или шума и позволяют эффективно решать задачи тестовой диагностики путевых машин. В функциональной диагностике, когда вместо простого тестового сигнала с известными параметрами используется сложный сигнал, формирующийся в узлах механизмов, эффективность этих методов может снижаться. Их можно применять в частных случаях при отсутствии источников возбуждения тестового сигнала вибрации или шума. Необходимость использования методов многоканальных измерений вибрации или шума вместо тестовых может быть вызвана также массогабаритными ограничениями, когда оптимальные точки доступны для установки только небольших датчиков и недоступны для установки излучателей тестового сигнала с размерами, в несколько раз превышающими размеры датчиков.
Заключение
Средства мониторинга технического состояния путевых машин позволяют своевременно обнаруживать и контролировать развитие дефектов конструкций, прогнозировать их остаточный ресурс, а также
принимать обоснованные решения о продлении срока безопасной эксплуатации объектов. Интегрирование этих средств с PLM-технологиями управления производством позволяет создать систему, которая наиболее адекватно отражает текущее состояние объекта и способствует повышению эффективности производства.
Для успешного внедрения системы PLM в производство необходимо, чтобы интегрированная цифровая модель объекта соответствовала своему реальному прототипу: информация об объекте наблюдения должна обновляться возможно более часто и в возможно более полном объёме. Целесообразно оборудование объекта последовательно развитой распределённой системой сбора и анализа информации о несущей способности его наиболее значимых элементов.
Библиографический список
1. Система диагностического мониторинга опасных производственных объектов / Ю. П. Бородин, В. Г. Харебов // Контроль, диагностика. - 2003. - № 3. - С. 18-23.
2. От мониторинга технического состояния ракетно-космической техники к мониторингу ее жизненного цикла / А. Н. Перминов, В. Е. Прохорович, А. И. Птушкин // В мире неразрушающего контроля. - 2004. - № 4. - С. 8-11.
3. К выбору методов неразрушающего контроля при техническом диагностировании конструкций зданий и сооружений / В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко // Контроль, диагностика. - 2005. - № 3. - С. 6-8.
4. Магнитный контроль и оценка напряжённо-деформированного состояния металла при упруго-пластическом деформировании / В. Е. Гордиенко. - СПб. : СПбГАСУ, 2008. - 114 с. - ISBN 978-5-9227-0081-8.
Статья поступила в редакцию 01.07.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.
УДК 656.254.7 А. С. Ванчиков
КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ СВЯЗИ ОАО РЖД
Разработана комплексная методика формирования транспортной сети связи. Представлено обоснование достаточной связности сети по критериям надежности и стоимости, учитывающее тип линии связи. Описан алгоритм формирования топологической структуры сети, предусматривающий независимость образуемых маршрутов связи между корреспондирующими парами узлов и соответствие нормам по качеству обслуживания. Приведен метод синтеза потоковой структуры сети, основанный на определении объёма трафика, генерируемого оперативными работниками, и его распределении на структуре транспортной сети связи.
