CC BY
40
УДК 620.178.5:620.179.18:629.424.1:621.941.08
А. ю. тэттэр
в. ю. тэттэр
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
Научно-производственная компания «Энергосервис-Резерв»,
г. Омск
определение технического состояния агрегатов железнодорожной техники в условиях нестационарных режимов работы
Показана необходимость диагностирования подвижного состава в процессе его эксплуатации и ремонта. Отмечена недостаточная проработка вопроса диагностирования на переходных режимах. Рассмотрены примеры использования нестационарных режимов работы оборудования по электрическим параметрам, по вибрации и температуре. Сделан вывод об экономической целесообразности систем диагностирования в динамике. Определены перспективные направления исследований.
Ключевые слова: подвижной состав, диагностирование, нестационарные режимы, динамические режимы, переходные процессы, вибрация, температура.
Диагностирование является необходимым элементом технологии обслуживания и ремонта подвижного состава железных дорог. В большей мере это относится 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 [2]. 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 колес-но-моторного блока (КМБ), диагностирование под локомотивом.
К наиболее ответственным (лимитирующим) узлам локомотивов относят роторные механические узлы: буксовые подшипники, моторно-якорные подшипники тяговых электродвигателей (ТЭД), зубчатые зацепления редукторов. В вагонном хозяйстве диагностируются элементы редукторов от средней части оси и буксовые подшипники колесных пар. В электрической части это ТЭД и вспомогательные электрические машины. Для тепловозов это дизель-генераторная установка (ДГУ), включающая цилин-дропоршневую группу (ЦПГ), топливную систему, газовоздушный тракт (ГВТ).
Практически все диагностическое оборудование, которое в настоящее время эксплуатируется на сети железных дорог, использует для опреде-
ления технического состояния объектов стационарные режимы его работы. Так, при вибродиагностировании колесно-моторных блоков (КМБ) 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 нестационарные (динамические или переходные) режимы работы. Из теории автоматического управления известно, что наибольшее количество информации (по некоторым оценкам до 90 %) о свойствах объекта можно получить именно при анализе информации, полученной на переходных режимах. Методы идентификации динамических объектов по их переходным характеристикам подробно описаны в литературе, например, в [3].
Анализ литературы и интернет-источников по этой тематике (применительно к железнодорожной технике) показал, что публикаций по этой теме относительно немного. Это, как правило, кандидатские диссертации, в которых приводится моделирование процессов, а исследования заканчиваются в лучшем случае экспериментальным образцом.
Эту ситуацию можно объяснить несколькими причинами:
— организация динамического режима в условиях активного эксперимента, как правило, требует дополнительного оборудования (дополнительных усилий) для задания возмущающих воздействий;
Рис. 1. Диаграмма Боде
Рис. 2. Диаграмма Найквиста
— обработка и анализ полученной информации требует разработки более сложных алгоритмов и более сложного математического аппарата;
— сложность выработки критериев по отнесению диагностируемых объектов к той или иной градации технического состояния.
Рассмотрим возможные варианты диагностирования на переходных режимах по различным физическим параметрам.
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». Это универсальные инструменты для фиксации различных зависимостей на переходных режимах. Критерии оценки технического состояния объекта, диагностические признаки и тем более пороговые значения анализируемых параметров не приводятся.
К упомянутым инструментам разработчики относят [4].
— диаграмму Боде (рис. 1), которая представляет собой зависимость уровня вибрации от частоты вращения;
— диаграмму Найквиста (уровень вибрации в зависимости от фазового угла), рис. 2;
— график зависимости уровня вибрации от времени;
— график зависимости частоты вращения от времени.
Похожие и даже более широкие возможности исследования переходных процессов вибрации предоставляет ручной программно-аппаратный комплекс СБ1 2140 фирмы СБ1 США (рис. 3).
Программное обеспечение этого ВДО позволяет регистрировать не только временные характеристики типа «разгон — выбег», но и фиксировать реакцию системы на дельта-импульс (дельта-функцию), то есть реакцию на ударный тест.
Дельта-функция 5(х) определяется как функция, удовлетворяющая условиям:
8(х ) =
0,
х = 0 х * 0,
(1)
|б(х )dx = 1.
Авторами проводились исследования на экспериментальном стенде по определению диагностических признаков дефектов подшипников путем записи и анализа временного сигнала вибрации, который являлся реакцией на дельта-импульс
+ <х>
Рис. 3. виброанализатор CSI 2140
Рис. 4. Сигнал виброускорения — реакция на дельта-импульс (внутреннее кольцо подшипника без дефекта)
Рис. 6. Спектр сигнала виброускорения с бездефектного внутреннего кольца
Рис. 5. Сигнал виброускорения — реакция на дельта-импульс (внутреннее кольцо подшипника с трещиной)
(рис. 4, 5). На рис. 6 и 7 показаны спектры сигналов виброускорения с бездефектного и дефектного внутренних колец подшипника.
Интересные решения по использованию динамических режимов для определения технического состояния отдельных подшипников предлагают
Рис. 7. Спектр сигнала виброускорения, снятого с внутреннего кольца с трещиной
специалисты Санкт-Петербургской фирмы ВАСТ совместно с соавторами их фирмы «НПП Диавэл» (Хабаровск). Эти решения предполагают использование натурных эталонных моделей и закреплены патентом России [5].
Авторами также предложены оригинальные способы диагностирования роторных механизмов по изменениям вибрации на переходных режимах (поданы заявки на изобретения).
Суть первого способа состоит в том, что на переходных режимах фиксируют и сравнивают с пороговыми значениями амплитудные составляющие на характерных для отдельных дефектов частотах. При раскрутке механизма или его остановке (выбеге) фактически происходит частотное сканирование возмущающим фактором. При этом частотные составляющие текущих (мгновенных) 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 компонент. После обнаружения процесс диагностирования можно прекратить, не дожидаясь диагностирования на установившемся режиме. Такое решение позволит значительно сократить общее время диагностирования, например, локомотива, на две секции которого приходится от 32-х и более контрольных точек.
Еще один способ заключается в том, что записанный на переходном режиме массив данных с вибродатчика транспонируют в другой массив,
в котором интервал по времени Дл обратно пропорционален текущему значению частоты вращения
п . Дt
пютщ
Д{ в-^
(2)
где п — текущее значение частоты вращения;
текущ. 1 ^ 1
кпр — коэффициентприведения, учитывающий диапазон изменения 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 этот 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 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 (параллельно с вибродиагностированием) 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 [6]. Электродвигатели локомотивов значительное время эксплуатируются в переходных режимах. Для таких режимов характерны токи, которые могут в несколько раз превышать значения
токов в стационарных режимах. Вследствие этого неисправности, могущие возникнуть в «динамике», не могут быть обнаружены при испытаниях в «статике» [7]. Исследование переходных процессов для оценки состояния электродвигателей карьерной техники проведено в работе [8]. Работы, посвященные исследованию динамических режимов электрических машин подвижного состава с целью их диагностирования, авторам неизвестны.
Таким образом, можно предположить, что развитие направления диагностирования электрических машин в «динамике» позволит обнаруживать ранее не обнаруживаемые неисправности или выявлять неисправности в стадии их зарождения.
Диагностирование дизеля на переходных режимах. Так же как и электродвигатели электровозов, дизель-генераторная установка (ДГУ) значительную часть времени работы осуществляет в переходных режимах. Для маневровых тепловозов это время составляет 50 % [8]. Диагностирование и настройка тепловозных дизелей регламентирована и осуществляется 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 секунд до 6 — 8 минут [8]. В этой же работе отмечается целесообразность диагностирования ДГУ на переходных режимах, но также констатируется, что «диагностика дизеля в неустановившемся режиме при текущей эксплуатации представляется достаточно сложной».
Анализ доступных источников информации показал, что результаты работ 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 производить как интегральную оценку работы и настройки ДГУ, так и идентифицировать неисправности в отдельных узлах и агрегатах.
Экспериментальные работы, проведенные авторами на ДГУ тепловозов 2ТЭ10, ТЭМ 2, ТГМ 4 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 тепловоза 2ТЭ10 позволили создать его математическую модель по параметру расхода (давления) воздуха в виде динамического звена второго порядка с передаточной функцией:
п
W (p) =
k
T p + 2ÇTp + 1
(3)
где р — оператор Лапласа; Т — постоянная времени; k — передаточный коэффициент; ^ — коэффициент затухания.
Использование модели, полученной на основе эмпирических данных, позволяет уточнять или корректировать математические модели, создаваемые с целью оценки технического состояния газовоздушного тракта тепловозных дизелей [9].
Авторы считают целесообразным и перспективным направлением разработку и использование систем диагностирования на переходных режимах, которые основаны на эталонных моделях. Это мнение подтверждается в работах [10, 11]. Такой подход позволит не только обнаруживать недопустимые режимы работы и идентифицировать неисправности, но и создаст предпосылки к реализации систем автоматической настройки. Подобный подход был отработан авторами в модельных экспериментах по настройке топливных регуляторов авиационных двигателей [12, 13], который получил дальнейшее развитие [14].
выводы. Таким образом, использование нестационарных (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.
Библиографический список
1. ГОСТ 27518 — 87. Диагностирование изделий. Общие требования. Введ. 1989 — 01—01. М.: Стандартинформ, 2009. 5 с.
2. Тэттэр В. Ю., Молчанов В. В., Головаш А. Н. [и др.]. Сквозная система контроля и диагностирования колесно-мо-торных блоков подвижного состава // Повышение ресурса тяговых электродвигателей: сб. докл. и сообщ. науч.-техн. конф. / ВНИИЖТ. М., 2004. С. 98-101.
3. Коновалов В. И. Идентификация и диагностика систем. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2010. 155 с. ISBN 9785-98298-631-3.
4. Программа измерения и анализа вибрации на переходных режимах (анализ характеристик «СТАРТ/СТОП») фирмы «ИНКОТЕС». URL: http://www.vibration.ru/start-stop/start-stop. shtml (дата обращения: 18.09.2017).
5. Пат. 2336512 Российская Федерация, МПК G 01 M 13/04. Способ комплексной вибродиагностики подшипников качения и устройство для его осуществления / Рябцун А. А., Барков А. В., Рябцун С. А. № 2006143733/28; заявл. 08.12.06; опубл. 20.10.08, Бюл. № 29.
6. Чернов Д. В. Функциональная диагностика асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы: дис. ... канд. техн. наук. Ульяновск, 2005. 129 с.
7. Наговицын В. С. Системы диагностики железнодорожного подвижного состава на основе информационных технологий. М.: ВИНИТИ РАН, 2004. 246 с. ISBN 5-94688-030-6.
8. Гаргаев А. Н. Диагностика электроприводов карьерных экскаваторов на основе динамической идентификации электродвигателей: дис. ... канд. техн. наук. Кемерово, 2013. 161 с.
9. Титанков Д. А. Оценка технического состояния газовоздушного тракта тепловозных дизелей: дис. . канд. техн. наук. Омск, 2005. 173 с.
10. Андрианов Е. Н., Сахаров В. В., Таранин А. Г. Диагностирование рабочего процесса судового дизеля по эталонным моделям с применением вейвлетов // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2013. № 3 (22). С. 46-54.
11. Лепешкин Д. И. Улучшение показателей дизеля в условиях эксплуатации повышением стабильности работы топливной аппаратуры: дис. ... канд. техн. наук. Барнаул, 2015. 227 с.
12. А. с. 1515889 СССР, МГЖ G 01М 15/00. Способ испытания топливного регулятора газотурбинного двигателя и устройство для его осуществления / Тэттэр В. Ю., Шендале-ва Е. В. № 4264555/25-06; заявл. 16.06.87; опубл. 15.06.89.
13. А. с. 1605749 СССР, МПК G 01М 15/00. Стенд для испытания топливного регулятора системы автоматического управления газотурбинного двигателя / Тэттэр В. Ю., Шен-далева Е. В. № 4687781/25-06; заявл. 05.05.89; опубл. 05.06.90.
14. Шендалева Е. В. Разработка и исследование многоцелевого моделирующего стенда для систем автоматического управления малоразмерных газотурбинных двигателей: дис. . канд. техн. наук. Омск, 2002. 249 с.
ТэТТэР Александр юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). Адрес для переписки: [email protected] ТэТТэР владимир юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), начальник научно-исследовательского отдела НПК «Энергосервис-Резерв»; доцент кафедры «Теоретическая электротехника» ОмГУПС.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 04.10.2017 г. © А. ю. Тэттэр, в. ю. Тэттэр
