CC BY
97
УДК 629.471
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова, А. В. Шимохин
Аннотация. В статье рассматриваются существующие настоящее время системы диагностики узлов подвижного состава, организация и совершенствование процесса ремонта буксовых узлов подвижного состава по результатам диагностики. Приводится диагностическая модель объекта, а также методика совершенствования ремонта по фактическому состоянию с применением технической диагностики
Ключевые слова: система технической диагностики, дерево состояния подвижного состава, диаграмма неисправностей подвижного состава, структурный состав грузового вагона по узлам, граф технических состояний подвижного состава.
Введение Из анализа литературы [5] известно, что в
Техническое и обслуживание (ТО) и ремонт (ТР) подвижного состава - вторая наряду с эксплуатационной работой функция депо. Расходы на ТО и ТР составляют 25 % общих расходов хозяйства [7]. Затрачиваемые на ремонт подвижного состава (ПС) средства в течение срока его службы, в 8...10 раз больше первоначальной стоимости [4].
Для обеспечения требуемой надежности ПС предусмотрена планово-предупредительная
система, определяющая виды технического обслуживания (ТО-1...ТО-4), текущих (ТР-1...ТР-3) и капитальных (КР-1...КР-2) ремонтов в зависимости от пробега или срока эксплуатации. При этом структура ремонтного цикла определяется порядком чередования видов технического обслуживания и ремонта.
Для вагонов установлены следующие виды ремонта:
— капитальный — производится на специализированных вагонно-ремонтных заводах и для отдельных типов вагонов в вагонных депо. Основные типы грузовых вагонов проходят капитальный ремонт один раз в десять лет, полувагоны — один раз в семь лет;
— деповской ремонт вагонов производится в вагонном депо после пробега 160000 км.
Техническое обслуживание вагонов включает в себя технический осмотр и текущий ремонт (безотцепочный и отцепочный). Текущий ремонт не является плановым видом ремонта и выполняется в зависимости от технического состояния.
При планировании ремонтов необходимо учитывать данные о техническом состоянии отдельных узлов в целом. Получение достоверной информации о техническом состоянии невозможно без системы технической диагностики систем (СТД).
настоящее время в вагонном депо могут находиться разнообразные диагностические наладочно-испытательные стенды для различных видов оборудования: тяговые двигатели, автотормоза, электрические аппараты, системы управления, механическое оборудование и др., постепенно эти стенды автоматизируются. Во многих случаях в составе комплексов появляется ПЭВМ в качестве информационно- управляющей подсистемы
В системе управления депо диагностические стенды выполняют функцию получения объективной информации о состоянии подвижного состава. При наличии наладочных и ремонтных функций, диагностические стенды одновременно являются исполнительными элементами.
Вместе с тем не существует единой системы, использующей данные таких систем для формирования регламента и состава ремонтов ПС. Такая система должна использовать преимущественно безразборные методы диагностирования (по излучению теплоты, вибрации и т.д.).
По характеру охвата системы технического диагностирования (СТД) делятся на локальные и общие.
По характеру воздействия СТД делятся на функционального и тестового диагностирования.
По степени автоматизации СТД делятся на автоматические, автоматизированные и ручные. Автоматизация зависит от формализо-ванности алгоритма диагностирования и степени механизации стенда. При полной автоматизации тестирования сам алгоритм относится не к автоматическому, а автоматизированному, т.к. предполагает диалог с оператором.
СТД по принципу использования делятся на стационарные, бортовые, встроенные и переносные. С широким распространением микро-
процессорных систем, а также с появлением бортовых систем контроля выбор принципа действия СТД стал актуальным вопросом.
По назначению СТД делятся на системы проверки исправности, работоспособности, правильности функционирования, локализации места дефекта и прогнозирования технического состояния.
Необходимым условием обеспечения безопасности движения железнодорожном транспорте является надежная и безотказная работа подвижного состава. Одной из мер, позволяющей обеспечить надежность и сократить затраты на проведение ремонтных работ является своевременное определение дефектных узлов и деталей вагонов, принятие решения о проведении ремонта забракованного вагона, с помощью систем технической диагностики.
В процессе производства, эксплуатации и хранения машин и оборудования в них могут накапливаться неисправности. Это приводит к тому, что оборудование перестает отвечать предъявляемым к нему техническим требованиям. Для замены или ремонта неисправных деталей необходимо установить место неисправности. Определение вида и местоположения дефектов является основной задачей технической диагностики.
Источниками входной информации для систем диагностики служат параметры, несущие информацию о техническом состоянии объекта. Эти параметры должны прямо или косвенно отражать состояние объекта.
Вопросы технической диагностики в трудах Биргера И. А., Порхоменко П. П. и др. авторов создали базу для развития методов диагностики различных механических систем.
Анализируя литературу по технической диагностике [1, 2, 3, 6, 7], можно выделить различные существующие системы диагностики и их назначение.
Рассмотрим отечественные системы технического мониторинга, применяемые на сети железных дорог России.
Существует система дистанционного контроля исправности вагонов (ДИСК), в составе которой имеются подсистемы обнаружения нагретых букс (ДИСК-Б), дефектов поверхно-
сти катания колес (ДИСК-К), контроля исправности тормозов (ДИСК-Т), обнаружения волочащихся деталей (ДИСК-В).
В последнее время разработан еще ряд подсистем для контроля технического состояния вагонов. К ним относятся дистанционная система контроля перегруза вагона (ДИСК-3), проката колес (ДИСК-П) и др.
В работе, выполненной в рамках программы "Future Integrated Transport" (FIT096), которую финансировало Министерство транспорта Великобритании (DfT), "ERCR Project" (Enhanced Railway Contribution through improved Reliability), ученые из университета Birmingham совместно со специалистами ведущих компаний Alstom Train Service, AEA Technology Rail и др. теоретически обосновали, создали, а затем проверили в эксплуатации систему мониторинга технического состояния узлов тележки и пути (используя для этого датчики, установленные на раме тележки, осевых буксах и внутри вагона) с целью оптимизации системы их технического содержания.
Большое внимание мониторингу колесных нагрузок также уделяется на европейских железных дорогах, где на сети железных дорог ряда стран успешно действуют многочисленные путевые системы контроля колесных нагрузок.
Японская компания Kyushu Railway Company и TOACK Inc. разработала для коммерческого применения на железных дорогах устройство для мониторинга вибросостояния подвижного состава. С целью заблаговременно выявления «тревожной» ситуации и предотвращения аварии, в первую очередь, схода колеса с рельса, давая возможность немедленно оповещать локомотивную бригаду и другие службы (управления движением, ремонтные) о появлении ненормальной вибрации на борту транспортно единицы и для принятия ими мер по ее устранению.
Основная часть
В принципе, оценка состояния подвижной единицы возможна в виде дерева, соответствующего логическому состоянию объекта. Пример дерева приведен на рис. 1.
С ВТ РМ ПР
Рис. 1. Дерево состояний подвижного состава
Подвижная единица может рассматриваться в различных состояниях. На первом этапе детализации вводим два состояния: годен (Г) и ограничено годен (ОГ), что соответствует первому ветвлению графа состояния (см. рис. 1.). По правилам кодирования можно присвоить одной дуге графа код 1, второй - 0. ветвь с кодом 1 соответствует полностью функционирующей подвижной единице и дальше не может детализироваться. Ограниченная годность предполагает несколько различных исходов. Ветвь с кодом 00 неремонтопригодной единицы (НРП) и также может дальше не ветвиться, а ветвь с кодом 01 соответствует ремонтопригодному состоянию (РП, код 01). В свою очередь, ремонт может производиться с перемещением этой единицы в депо (перемещаемый объект П, код 011) или он не способен к перемещению (неперемещаемый объект НП, код 010). В последнем случае единица подвижного состава может перевозится по частям (перемещение с разборкой ПР, код 0100) или ремонтироваться на месте (РМ, код 0101). Перемещаемые единицы могут, в свою очередь, двигаться самостоятельно (С, код 0111) или на внешней тяге (ВТ, код 0110).
Для дальнейшего описания достаточно выделить три состояния: две тупиковые ветви (Г и НРП) и ветвь ремонтопригодности. Задача служб эксплуатации — поддерживать подвижные единицы в годном состоянии (или вовремя их удалять без нарушения графика движения). Таким образом, оставим в рассмотренном графе три вершины (коды 1, 01. и 00).
Выделенные состояния являются результатом эксплуатации подвижного состава, причем естественная тенденция - переходить из состояния Г в РП и в дальнейшем в НРП. Задача служб эксплуатации и ремонта заключается в минимизации вероятности таких переходов.
Выше отмечалось, причинами отказов может служит дефекты нескольких систем: механической, пневматической или электрической.
Рассмотрим ситуацию: подвижная единица может придти в состояние 01 или 00 и проанализируем причины такого перехода. На первом этапе анализа выделим наиболее крупные узлы неисправность которых может привести к отказу. Пусть таких узлов выделено К, тогда ситуацию перехода можно представить в виде графа на рис.2.
01
00
II
2. р..
Рис. 2. Диаграмма неисправностей подвижного состава
III
Описанный выше этап на диаграмме обозначен цифрой 1. Неисправность одного из блоков К может привести подвижной состав либо в состояние 00 либо 01.
Соответствующие переходы могут оцениваться числовыми характеристиками. Одна из таких характеристик - вероятность перехода. На рисунке в частности: р21 - вероятность неисправности блока 2, приводящая к частичной неисправности подвижной единицы, вероятность р20 - к полной неисправности.
Описанный выше этап на диаграмме обозначен цифрой 1. Неисправность одного из блоков К может привести подвижной состав либо в состояние 00 либо 01.
Соответствующие переходы могут оцениваться числовыми характеристиками. Одна из таких характеристик - вероятность перехода. На рисунке в частности: р21 - вероятность неисправности блока 2, приводящая к частичной неисправности подвижной единицы, вероятность р20 - к полной неисправности.
Выделенные на этапе 1 узлы состоят из S компонентов. Которые в свою очередь состоят из р деталей. Граница такого разбиения определяется уровнем ремонта или технической диагностики в условиях депо: если деталь при
ремонте заменяется на неисправную и не ремонтируется то дальнейшее разбиение не имеет смысла. В тоже время для таких деталей как подшипник следует выделять его компоненты: наружной кольцо, внутренне кольцо, ролики, сепаратор, т.к. предложенные далее методы технической диагностики определяют состояние подшипника, а, следовательно, узла и всей единицы подвижного состава по этим компонентам.
Одним из основных элементов, влияющих на надёжность, являются буксовые узлы и их главный узел - буксовые подшипники. По конструкции и параметрам буксовые узлы грузовых и пассажирских вагонов не отличаются, поэтому целесообразно разрабатывать унифицированные участки по их комплексному контролю и диагностике.
Учитывая компоненты подшипника диаграмма неисправностей будет выглядеть как показано на рисунке 3, здесь на первом уровне выделены конструктивные узлы вагона, и по третьему компоненты детали, которые могут иметь дефект (обозначения: НК - наружное кольцо, ВК - внутреннее кольцо, С - сепаратор, Р - ролики) .(см. рис. 3).
01 00
Рис. 3. Диаграмма неисправностей вагонов с разбиением на компоненты подшипника: 1- автосцепка; 2 - тормозное оборудование; 3 - колесная пара; 4- буксовый узел;
5 - механизм подвески; 6- механизм амортизации
Подшипники являются сложным техническими системами, работающими при высоких знакопеременных нагрузках. Ролики используемых в настоящее время подшипников имеют сложную форму. Исходя из этого, универсальное диагностическое оборудование может быть сложным, а, следовательно, дорогим.
Для продолжения анализа системы ремонта подвижного состава разобьём вагон на следующие узлы: механизм подвески, меха-
низм амортизаторов, автосцепка, тормозное оборудование, колёсные пары и буксовые узлы (всего 7 наименований).
Каждый из узлов состоит из деталей; количество проверяемых по инструкциям деталей по узлам показано в таблице 1 (третий столбец). Здесь же приведены данные (четвёртый столбец) о количестве и типах используемого проверочного оборудования (соответственно столбцы 5 и 6).
Таблица 1 - Структурный состав грузового вагона по узлам
№ Наименование узла Кол- во дета- лей Кол-во средств контроля Тип оборудования контроля
1 автосцепка 10 4 Шаблона, линейки, дефектоскоп
2 Тормозное оборудования 10 2 Нутромер
3 Колесная пара 1 3
4 Буксовый узел 8 4 Щупы, эхонофенондоскоп
5 Механизм подвески 14 3 Щупы, шаблоны
6 Механизм амортизации 4 21 Щупы, шаблоны
Из таблицы 1 видно, что наиболее охвачены средствами контроля детали и узлы автосцепки, механизм амортизации. С другой стороны, многие узлы практически не диагностируются (тележка, рама, колёсная пара, что настоятельно требует разработки соответствующего оборудования. При этом используются
обычные инструменты ручного действия (линейки, шаблоны, щупы), что представляет большие возможности для ускорения ремонта.
Обратим внимание на статистику отказов буксовых узлов для грузовых вагонов составляет 52 % от общего процента отказов и 20 % пассажирских вагонов.
Буксовый узел наименее надежный, при этом современные методы контроля буксового узла (вибродиагностика) применяются после ремонта, при контроле качества восстановления. Информация текущего состояния буксовых узлов не учитывается при планировании ремонта. Для планирования ремонтов должна применяться система технической диагностики, несущая информацию о его техническом состоянии выраженного количественным параметром.
Рассмотрим построение такого параметра на основе спектральных данных вибросигнала.
Эффективный метод по получению подробной информации о состоянии подвижных частей является вибродиагностика.
В литературе [3] дается определение вибродиагностики — это метод неразрушающего контроля, основанный на анализе комплекса
Таблица 2 - Основные размеры подшипников
параметров вибрации для определения состояния узлов и механизмов. На основании полученной информации, можно оптимизировать планирование текущего и капитального ремонта, увеличить межремонтный интервал, уменьшить затраты на закупку запчастей и расходных материалов, прогнозируя оптимальную потребность в запасных деталях.
Рассмотрим основные характеристики источников возбуждения буксовых подшипников 232726 и 42726, чаще применяемые в буксах вагонов. Данные подшипники, относятся к радиальным с короткими цилиндрическими роликами широко распространен в буксах вагонов. Необходимые для расчета данные о размерах подшипников приведены в таблице 2.
Основные размеры представлены на рис.4.
Внутренний диаметр Н. мм і СО 2 1 <=! £ £ го си X 2 Ширина Кольца.В,мм Диаметр Ролика. dp. мм Длина Ролика 1,м Число роликов г.мм Диаметр окружности проходящей через центр роликов Не, мм
130 250 80 32 52 14 190
і >ЛЦ2/>
, р
' .
1 ;
8
Рис. 4. Основные размеры роликовых подшипников типа 232726 и 42726
Вычислим частоты, являющиеся признаком дефекта. Примем, что внутреннее кольцо подшипника не проскальзывает относительно оси колесной пары. Тогда, согласно источнику [8], частоты дефектов подшипника будут следующие:
Частоты дефектов на наружном кольце:
Частоты дефектов на внутреннем кольце:
^ДНК
¥і
(1)
где ґр - частота вращения колесной пары, гц; б
- диаметр ролика, мм; D - диаметр окружности, проходящий через центр роликов, мм; г -число роликов.
Fдвк
її
Частоты дефектов роликов:
- 2 Л ((£)2 - >
(( у ) Частоты дефектов сепаратора:
- Ф (і - £) •
(2)
(3)
(4)
В результате можно построить частотную карту дефектов для данных подшипников (таблица 3).
Таблица 3 - Частотная карта дефектов подшипников типа232726 и 42726
Вид дефекта Формула частот(признак дефекта) Значение ,Гц
Дефект наружного кольца -¥(| - £) ^нк2= К ± k2 FP где к1,к2-1, 2. F11- 5.8*ПР F12-6.6*fp F13-12*fp F14-12.4*fp F15-6.8*fp
Дефект внутреннего кольца Р“- 2 + D)' Fдвк2-КFдвкl ± К2Ір F21-8.1*fp F22-9.1*fp F23-17.2*fp F24-18.2*fp F25-10.1*fp
дефект роликов F^- 2Л((£)2 - ‘) (( у ) ^р2= К ^р! ± К2Fp F31-68.5*fp F32-69.5*fp F33-138*fp F34-139*fp F35-70.5*fp
дефект сепаратора: F- Ф (| - £) F4-0,4*fp
Перекос внутреннего кольца F = 2* і к внутр ^ р F5-2*fp
Перекос наружного кольца F = 0,4 * г * і пнаруж ’ ^ р F6-5.6*fp
Выше были рассмотрены частоты, появляющиеся при определенном виде износа. Для распознавания дефекта необходимо перечислить частоты оборудования, на которых данный дефект имеет наибольшую мощность, т.е. будет наибольшая амплитуда. Как было указано выше, для нахождения таких частот необходимо информация о частоте вращения валов в нашем случаи колесной пары и конструкции узлов, т.е. размеры подшипника указанные в таблице 2. Таким образом, создается база данных, хранящая информацию о
частотах дефектов, назовем набор всех частот F соответствующих определенному дефекту D «признаком дефекта» и обозначим А ^1, F2...Fn), где F1, F2, Fn - частоты соответствующих дефектов.
На первом этапе происходит формирование значений параметров спектра вибросигнала диагностируемого узла. Т.е. создается «опорный спектр» вибросигнала для каждого возможного дефекта, содержащий значения амплитуд
А0= ^ Ап^1.. Fn), (5)
к =
где Ап - значение суммы амплитуд спектра вибросигнала на дефектных частот Fn.
Вообще дефектные частоты - это частоты спектра вибросигнала, полученного в точках измерения, на которых наблюдается возрастание амплитуд вибросигнала при том или ином дефекте.
Поскольку большинство дефектов узлов проявляется в увеличении амплитуд спектральных составляющих на определенных частотах, то для определения появления дефекта достаточно оценить изменение суммы амплитуд «векторов дефекта» с «опорным спектром».
Ак = Ак С^..^п)/ А0 . (6)
Сравнение с предыдущим замером и последним необходимо для контроля скорости изменения диагностируемого параметра, что в дальнейшем используется при прогнозировании отказа.
Выводы
Приведенные данные свидетельствуют, что существуют системы мониторинга технического состояния вагонов (в том числе грузовых) способные обеспечивать данными для оптимального планирования ремонтов ПС. Системы технической диагностики экономически оправданы для тех видов и маршрутов перевозок, где сбой в технологической цепочке грозит убытками.
Построенный граф технических состояний подвижного состава показал, что по состоянию компонентов подшипника определяется состояние самого подшипника и, следовательно, состояние буксового узла по которому можно оценить вероятность отказа колесной пары, и вероятность поломки самой единицы подвижного состава.
Библиографический список
1. Балицкий, Ф. Я. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов [Текст] / Ф.Я. Балицкий, М. А. Иванова, А. Г. Соколова, Е. И. Хомяков; Отв. ред. М. Д. Генкин. - М.: Наука, 1984. - 119 с.
2. Биргер, И. А. Техническая диагностика [Текст] / И. А. Биргер. - М.: Машиностроение, 1978. - 240 с.
3. Генкин, М. Д. Виброакустическая диагностика машин и механизмов [Текст] / М.Д. Генкин, А. Г. Соколова. - М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.
4. Гридющко, В. И. Вагонное хозяйство [Текст] / В. И. Гридющко, В. П. Бугаев, Н. Э. Криворучко. -М: Транспорт, 1988. - 295 с.
5. Зайцев, Т. Н. Совершенствование систем ремонта тягового подвижного состава на базе внедрения аппаратно-программных комплексов и средств технической диагностики [Текст] / Т.Н. Зайцев. - М. Транспорт, 2000 - 67 с.
6. Мартюнюк, Н. Г. Этапы разработки и становления АСУ вагонным хозяйством [Текст] / Н.Г. Мартюнюк, А. П. Ступин, А. В. Кирилюк, Г. В. Райков. -М.,1997.- 52 с.
7. Матвеев, В. И. Организация труда в вагонном хозяйстве [Текст] / В. И. Матвеев, Ч. У. Берез-някова. - М.: Транспорт, 1980. -256 с.
8. Русов, В. О. Спектральная вибродиагностика [Текст] / В. О. Русов. - Спб.: Виброцентр, 1996. - 128 с.
APPLICATION OF SYSTEM OF DIAGNOSTICS OF BEARINGS AT AN ESTI, ATION OF A TECHNICAL CONDITION OF A ROLLING SROCK
A. L. Ahtulov, L. N. Ahtulova, A. V. Shimohin
The paper examines existing systems currently diagnostic units of rolling stock, the organization and improvement of the repair of the rolling stock axle boxes on the results of diagnosis. Provides diagnostic model of the object, as well as methods of improving on the actual state of repair with the use of technology.
Ахтулов Алексей Леонидович - доктор технических наук, профессор, действительный член Международной академии авторов научных открытий и изобретений и Академии проблем качества, Почетный работник высшего профессионального образования, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС). Направление научных исследований - организация производства, менеджмент качества, объекты управления и системы автоматизации проектирования Общее количество публикаций 266.
Ахтулова Людмила Николаевна - кандидат технических наук, доцент, доцент электроэнергетики Тобольский индустриальный институт Тюменского государственного нефтегазового университета (ТИИ ТюмГНГУ). Направление научных исследований - организация производства, менеджмент качества, объекты управления и системы автоматизации проектирования. Общее количество публикаций 166.
Шимохин Антон Владимирович - аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС). Направление научных исследований -организация производства, менеджмент качества, объекты управления и системы автоматизации проектирования. Общее количество публикаций 7.
