CC BY
30
УДК 629.4.06:621.822.614
Враховуючи складний характер вiбрацiй буксових вузлiв рухо-мого складу залежно вiд тех-нiчного стану встановлено, що широкосмуговий спектр вiбрацii не здатен забезпечити достовiрне виявлення пошкоджень, що зарод-жуються в елементiв тдшипнитв кочення, й попередити подальший розвиток пошкоджень до небезпеч-ного рiвня
ОСОБЛИВОСТ1 СПЕКТРАЛЬНОГО МЕТОДУ В1БРО-Д1АГНОСТУВАННЯ БУКСОВИХ ВУЗЛ1В ВАНТАЖНИХ ВАГОН1В
В. Г. Равлюк
Старший викладач кафедри «Вагони» УкраТнська державна академiя залiзничного транспорту пр Фейербаха 7, м. Хармв, УкраТна 61050.
e-mail:ravlyukvasiliy@rambler.ru
1. Вступ
Визначення техшчного стану буксових вузлiв ван-тажних вагонiв безрозбiрними методами е природнiм шляхом тдвищення якостi ремонту й зниження ек-сплуатацiйних витрат. Головним завданням зазначе-ного заходу можна вважати перехщ на обслуговування й ремонт рухомого складу за фактичним техшчним станом шляхом удосконалення шнуючо! технологii вiбродiагностування.
брацiя, для збудження якоi необхщш значнi коливаль-нi сили [4].
Проте методи щентифжацп пошкоджень на раншх стадiях та необхiднiсть усунення недолшв спектраль-них методiв у широкому частотному дiапазонi залиша-лись поза увагою.
Мета стати - обгрунтування особливостей побудо-ви й аналiзу широкосмугового спектру вiбрацii дослщ-жуваних сигналiв й недолжв, властивих зазначеним заходам.
2. Аналiз останнiх публiкацiй
Протягом тривалого часу методи контролю й дь агностування обладнання за будь-якими видами дь агностичних сигналiв грунтувалися на порiвняннi величини сигналу або його складових з граничними значеннями, що подiляють множини бездефектних i дефектних станiв [3].
Системи контролю й дiагностування, якi створю-вались на базi цих методiв забезпечували видiлення iнформативних складових з вимiрюваного сигналу й реестрацiю моменпв перевищення ними граничних значень [1, 5]. Будь-яке перевищення поропв реестру-валося як дефект, вид якого визначався за сукупшстю складових, яю перевищили заздалегiдь заданi пороги.
Проте протягом тривалого часу основний акцент робився на вимiрюваннi й аналiзi низькочастотноi вiбрацii, для чого обмежувались найпростшими ви-мiрювальними приладами. Навiть при дiагностицi машин «на слух», за допомогою стетоскопа, фактично аналiзувалася низькочастотна й середньочастотна вь
3. Особливосп спектрального методу вiбродiагностування.
Найпроспшою з iнформацiйноi технологii саме для функщонального дiагностування е енергетична технолопя, заснована на вимiрюваннi потужностi або амплиуди контрольованого сигналу. Як дiагностич-ний сигнал може використовуватись вiбрацiя. Техно-логiя будуеться на вимiрюваннi величин складових сигналiв, попередньо вид^ених у певних частотних дiапазонах iз наступним порiвнянням '¿х iз гранични-ми значеннями.
Суть спектрального аналiзу заснована на дискретному перетворенш Фур'е вiбросигналу й полягае у розподiлi потужност вiбросигналу в частотнiй об-ласт на компоненти з рiзними властивостями й рiзноi природи. Безперервний коливальний сигнал складноi форми (рис. 1) без розривiв можна математично пред-ставити у виглядi суми окремих синусощальних i косинусоiдальних гармонiк iз рiзними частотами й амплiтудами.
Рис. 1. Часова форма вiбросигналу
Спектр вiбращi вщображае розподiл потужностi часового вiбрацiйного сигналу в частотнiй обласй, будуеться пiсля використання алгоритму швидкого перетворення Фур'е (ШПФ), яке е рiзновидом дискретного перетворення Фур'е (ДПФ)
N-1
Х(т) = ^ х(п)^(2лпт/^ - '^т((2лпт/Щ (1) де Х(т) - пт°-й компонент ДПФ,
тобто Х(°),Х(1),Х(2),Х(3). та iн., т - шдекс ДПФ в частотнiй обласй, т = °,1,2,3,...^ -1,
х(п) - послщовшсть вхiдних вiдлiкiв х(°), х(1), х(2), х(3). та iн.,
п - часовий шдекс вхвдних вiдлiкiв п = °,1,2,3,..., N -1,
= -, ГЦ >1 6°
де fоб - частота обертання внутршнього кiльця, к - кратшсть гармонiки.
(2)
N - кшьтсть вiдлiкiв вхiдноi послiдовностi й гальгасть частотних вiдлiкiв результату ДПФ.
Кожен вхщний вiдлiк ДПФ Х(т) представляе собою суму почленних добутюв вхiдноi послiдовностi вiдлiкiв сигналу на послщовшсть вiдлiкiв комплек-сноi синусоiди (гармонiки) вигляду cos(ф) - jsin(ф) . Точнi значення частоти рiзних синусов залежать як вщ частоти дискретизацii fs, з якою був дискретизо-ваний початковий сигнал, так i вiд юлькосй вiдлiкiв N [3]. Поряд iз беззаперечними перевагами до недо-лжу ДПФ слiд вiднести замiну вх^ного сигналу на перiодичний, а також отримання усереднених коефвд-ентiв для всього дослщжуваного сигналу.
Типовий широкосмуговий спектр (рис. 2) характе-ризуеться значною кiлькiстю гармонiчних складових в обласй низьких частот.
По мiрi збыьшення частоти гармонiчних складових стае менше й вони практично вiдсутнi в обласй висо-ких частот.
Функцiонування бiльшостi приладiв i систем, що застосовуються у вiбродiагностичних цiлях, засно-вано на спектральному аналiзi вхiдного сигналу у широкому частотному дiапазонi. Таке застосування обумовлюеться як простотою методу так i його вщнос-ною ушверсальшстю.
Параметри вiбрацii пiдшипникiв кочення визна-чаються конструктивними особливостями буксового вузла. На вiбрацiю буксового вузла впливають дефек-ти виготовлення й збирання шдшипниюв кочення, а також пошкодження, що утворюються протягом ек-сплуатацп [1].
Види пошкоджень iдентифiкуються за основними та додатковими групами гармошк [5, 6] у спектрi вiбро-сигналу. До основних груп гармошк належать:
- гармошки iз частотами, кратними частой обертання юльця тдшипника kfоб
Рис. 2. Широкосмуговий спектр вiбрацN
- гармонiки iз частотами, кратними частотi переко-чування ты кочення по зовнiшньому юльцю kfзовн
4овн== ^об(1 ^р*'2™ ,Гц, (3)
де dтк - дiаметр тiла кочення; dс - дiаметр сепаратора;
Zтк- кiлькiсть тш кочення пiдшипника кочення. - гармошки iз частотами, кратними частотi перекочуван-ня тiл кочення по внутршньому кiльцю kfвнут
и = +^р) ^, Гц,
(4)
- гармошки iз частотами, кратними частой обертання сепаратора к^
^ = ^а-^г) , Гц
а.
(5)
- гармошки iз частотами, кратними частой обертання тш кочення к^тК
К
¿■л
^ = л ^об я с . Гц
(6)
Гармонiки, обчислеш за виразами (2 - 6), дають змогу iдентифiкувати вид пошкодження пiдшипникiв кочення.
У сигналi вiбрацii характерна поява гармошчних частотних складових, не кратних частой обертання внутр^нього юльця. При однаковому ступенi розвитку пошкодження вiбрацiя, що викликаеться внутршшм кiльцем, мае бiльш низьку штенсившсть, нiж вiбрацiя вiд зовнiшнього юльця. На вiброграмi з'являються ударнi iмпульси й викиди, вiброграма набувае випадкового неперюдичного характеру проте деякi iмпульси можуть бути перiодичними.
Пошкодження внасл^ок зношування поверхонь кочення впливають на характер вiбрацii у всьому
гк
частотному дiапазонi. Наявшсть ударних iмпульсiв i випадковоi вiбрацii призводить до насиченого складу спектру вiбрацii. Основна властившть дефектiв зношування - високий рiвень випадковоi вiбрацii й наявшсть ударних iмпульсiв.
Похибки виготовлення й монтажу деталей, темпе-ратурнi змiни геометричних параметрiв деталей i за-зорiв у з'еднаннях, змiна в'язкостi мастила, порушен-ня форми й якосп поверхонь деталей, що взаемодiють, нестаб^ьшсть обертiв колiсноi пари й безлiч iнших випадкових факторiв призводять до флуктуацш ам-плiтуд i розмиванню дискретних лiнiй широкосмуго-вого спектра протягом дiагностування.
Поява складових вiбрацii на резонансних частотах iнших деталей свщчить про сильне зношування тд-шипника кочення. Високий рiвень випадковоi вiбрацii (широкосмуговий шум) з'являеться при значних по-шкодженнях пiдшипникiв кочення. Зазначена стадiя розвинутого пошкодження чiтко щентифжуеться ши-рокосмуговим спектром вiбрацii.
Основною причиною пропуску передаварiйноi си-туацп при використаннi широкосмугового спектру е його низька чутлившть до пошкоджень, що зарод-жуються, до порушення змащення, що призводить до прискореного зношування тдшипниюв у перюд мiж дiагностичними вимiрюваннями.
Друга причина визначаеться тим, що у випадку нестабiльноi частоти обертання внутрiшнього юльця пiдшипника кочення в момент проведення дiагно-стичних вимiрювань у спектрi вiбрацii «розмивають-ся» спектральнi лшп, що призводить до викривлення результапв дiагнозу.
Третя причина полягае в тому, що на початко-вiй стадii руйнування тдшипника можливi випадки, коли пiдшипникова вiбрацiя, що збуджуеться ударами при контакт пошкоджених дiлянок поверхонь кочення перестае бути перюдичною навiть при постшнш частотi обертання внутрiшнього юльця i ii зростання не може бути щентифжоване широкосмуговим спектром. При цьому може зростати штегральний рiвень вiбрацii на високих, середшх або низьких частотах, залежно ввд виду пошкодження.
Так, наприклад, якщо при пошкодженнях повер-хонь кочення може зростати загальний рiвень вь брацп, в тому числi й на низьких частотах, то при пошкодженнях сепаратора зростання рiвня вiбрацii спостертеться, насамперед, на високих частотах, розд^ьшсть яких на широкосмугових спектрах вiбра-цii е низькою, що унеможливлюе достовiрну щентифь кацiю технiчного стану вузла без залучень додаткових методiв аналiзу вiбрацii.
Очевидно, що для виявлення пошкоджень, що за-роджуються, слiд перейти на вимiрювання й аналiз високочастотноi вiбрацii, незважаючи на те, що вона е шформативною в безпосереднш близькостi вiд пошкодження. 6 очевидним той факт, що риси широкосмугового спектру е однаковими для рiзних видiв пошкоджень.
Таким чином, на сьогодшшнш день можливосп прямого спектру вiбрацii не можуть повною мiрою за-довольнити зростаючi вимоги до якоси розв'язання завдань вiбродiагностування, що призводить до не-обхщноси фахiвцям кафедри «Вагони» дослiджувати досконалiшi методи дiагностування.
4. Висновки
Сучасш методи вiбродiагностування вузлiв i3 тд-шипниками кочення на ochobî широкосмугового спектру не сприяють тдвищенню вимог з безпеки руху, що обумовлюе необхiднiсть впровадження ефективних методiв аналiзу вiбросигналiв, зокрема методу обвщ-ноï спектру вiбрацiï.
У широкосмуговому спектрi вiбрацiï досить часто частотш складовi, характернi для пошкоджень ю-лець, модулюються частотою обертання внутршнього кiльця пiдшипника, призводячи до появи додаткових складових на спектрах вiбрацiï, чика iдентифiкацiя яких можлива лише тсля застосування додаткових заходiв.
Лиература
1. Бейзельман Р. Д., Цыпкин Б. В. Подшипники качения.
Справочник. - М.: Машиностроение, 1975. - 362 с.
2. Браун, Датнер. Анализ вибраций роликовых и шариковых
подшипников: Пер. с англ. - Конструирование и технология машиностроения. - М.: Мир, 1979. - т. 101, №1, С. 65 - 82.
3. Р. Лайонс. Цифровая обработка сигналов: Второе издание.
Пер. с англ. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656 с.
4. Орлов М. В., Тагиров А. Ф., Сидоров С. В., Зерниц-
кий Б. А. Диагностика роликовых подшипников // Железнодорожный транспорт. - 1985. - №7. - С. 53 - 55.
5. Barkov A. V., Barkova N. A., Mitchell J. S. Condition Asses-
sment and Life Prediction of Rolling Element Bearings // Sound and Vibration, Part 2. -1995. - P. 27 - 31.
6. M. S. Safizadeh, A. A. Lakis and M. Thomas. Time-Frequency
Algorithms and Their Application. International Journal of Computers and Their Applications, Vol. 7, No. 4, PP. 1-20, Dec. 2000.
