CC BY
28
УДК 62-77 А.В. Лукьянов,
д.т.н., профессор каф. ТиПМ, ИрГУПС (г.Иркутск), тел. (3952) 638395 доб. 1-55
А.Ю. Портной,
к.т.н., доцент, ИрГУПС (г.Иркутск), тел. 89149036419
В.Ю. Гарифулин,
инженер-программист ИГУ, (г.Иркутск), тел. (3952) 676876
А.И. Романовский,
Ассистент каф. ЭПС, ИрГУПС, (г.Иркутск), тел. (3952) 673650
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ВХОДНОГО ВИБРОКОНТРОЛЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПРИ ТЕКУЩЕМ РЕМОНТЕ
A. V. Lukyanov, A. Yu. Portnoy, V. Yu. Garifulin, A. I. Romanovsky
DEVELOPMENT VIBROCONTROL SYSTEM OF AUXILIARY MACHINES OF ELECTRIC LOCOMOTIVES AT REPAIRS
Аннотация. Эта статья - о разработке комплекса входного виброконтроля дефектов мотор-вентиляторов электровозов. При реализации этого проекта разработана 8-канальная виброизмерительная и регистрирующая аппаратура для мотор-вентиляторов, специальная компьютерная программа для диагностики дефектов вспомогательных машин, технология входного виброконтроля.
Ключевые слова: системы вибрационного контроля и диагностики, дефекты электровозов, диагностика вспомогательных машин, вибродиагностика.
Abstract. This article is about development of pre-maintenance vibrocontrol and diagnostics system for motor-fans defects of electric locomotives. During the project's realization 8-channel vibration measurement and recording system for motor-fans, the specialized computer program for diagnostics of auxiliary machines, technologies оf pre-maintenance vibration-based diagnostics are developed.
Keywords: vibrocontrol and diagnostics systems, defects of electric locomotives, diagnostics of auxiliary machines, vibration-based diagnostics.
Проведенные научно-исследовательской лабораторией «Техническая диагностика и механика» (ТДМ) в 2003-2008 гг. исследования показали высокий уровень вибрации вспомогательных машин (ВМ): мотор-вентиляторов (МВ), мотор-компрессоров (МК), фазорасщепителей (ФР) электровозов, в том числе и у электровозов нового поколения ЭП1 и «Ермак». Высокая вибрация существенно уменьшает межремонтный пробег вспо-
могательных машин и другого оборудования электровозов, ведет к неплановым ремонтам и отказам. Исследования показывают, что снижение вибрации пропорционально увеличивает межремонтный ресурс машин, что делает актуальными работы по снижению вибрации ВМ, а также по своевременной вибродиагностике развивающихся дефектов.
В настоящее время при входе на текущий ремонт (ТР) вспомогательные машины прослушиваются ремонтным персоналом, что резко снижает достоверность диагностики. Использование многоканальной аппаратуры с большим количеством проводов (на 1 МВ требуется как минимум 2 датчика вибрации), соединяющих датчики (расположенные на МВ в высоковольтной зоне) с регистрирующим блоком (размещаемым в проходе машинного отсека), при прокрутке мотор-вентиляторов на электровозе при их работе под контактным проводом невозможно по требованиям техники безопасности и из-за возникающих наводок паразитных сигналов в проводах. Да и сам процесс установки многоканальной аппаратуры с большим количеством датчиков и соединяющих проводов в условиях плотного монтажа оборудования электровоза трудоемок и занимает много времени. В настоящее время штатная в локомотивных депо 2-канальная аппаратура «Вектор» и многоканальная аппаратура «Прогноз» используется только при прокрутке мотор-вентиляторов от цеховой сети, что малопроизводительно и дает неадекватные результаты ввиду разности условий работы МВ.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Ставится задача входного виброконтроля и диагностики дефектов ВМ, в частности мотор-вентиляторов, перед ТР при их одновременной прокрутке на одной секции электровоза (3-5 МВ на одной секции) под контактным проводом с последующей автоматической диагностикой дефектов, что даст возможность производить их ремонт с учетом фактического состояния.
Предложена модульно-распределенная схема измерения вибрации ВМ, позволяющая формировать любую конфигурацию и число каналов измерительной системы. Основной единицей такой системы является двухканальный виброизмерительный блок (ВИБ) с дистанционным управлением (рис. 1), устанавливаемый на 2 подшипниковые опоры мотор- вентилятора (рис. 2).
Рис. 1. Общий вид двухканального ВИБ: 1 - виброизмерительный блок; 2,9 - индикатор измерений и кнопки ручного и дистанционного управления; 3 - антенна; 4 - разъемы датчиков вибрации; 5 - магнит крепления блока; 6, 7 - вибродатчики двух каналов 1; 8 - пульт дистанционного управления; 10 - ноутбук с программой вибродиагностики «Вибродефект»
На рис. 1 приведен общий вид двухканаль-ного виброизмерительного блока (1) с двумя датчиками ускорения (6, 7), пультом дистанционного управления (8) и ноутбуком (10) с программой вибродиагностики «Вибродефект». Индикатор измерений и кнопки управления установлены как на самом блоке (2), так и на пульте дистанционного управления (9).
При реализации в 2008 г. НИОКР № ДТ/544р/08 с ВСЖД - филиалом ОАО «РЖД» в лаборатории «Техническая диагностика и механика» разработан и внедрен в производство комплекс входного виброконтроля МВ в составе: 4-модульной 8-канальной виброаппаратуры (рис. 3, 4), программы автоматизированной вибродиагностики дефектов, технологии вибродиагностики МВ [1].
Рис. 3. Многоканальный комплекс входного виброконтроля с дистанционным управлением в составе четырех двухканальных ВИБ: 1 - виброизмерительный блок; 2, 3 -датчики вибрации; 4 - пульт дистанционного управления; 5 - ноутбук с программой вибродиагностики
Рис. 2. Измерение вибрации подшипников МВ с помощью одного ВИБ
Рис. 4. Переносной вариант 8- канального комплекса входного виброконтроля в составе четырех ВИБ (позволяет одновременно контролировать вибрацию МВ одной секции электровоза при его работе
Современные технологии. Механика и машиностроение
Комплекс входного виброконтроля и разработанная для него программа «Вибродефект» позволяют решать следующие задачи:
- виброизмерительный блок одновременно измеряет вибрацию в диапазоне от 5 до 5000 Гц на двух подшипниковых опорах одного мотор-вентилятора (технические характеристики ВИБ приведены в табл. 1);
- комплекс входного виброконтроля состоящий из 3-5 ВИБ - позволяет производить одновременный замер вибрации на всех мотор-вентиляторах секции электровоза при их прокрутке под контактной сетью;
- управление работой ВИБ и всего комплекса осуществляется дистанционно из прохода машинного отсека, что позволяет производить измерения вибрации МВ, находящихся в высоковольтной камере;
- разработанная программа автоматизированной диагностики «Вибродефект» позволяет выявлять типовые дефекты МВ, приводящие к внеплановым ремонтам и отказам (рис. 5, 6);
- результаты измерений вибрации и диагностики дефектов всех МВ электровоза с рекомендациями по ремонту выдаются и распечатываются в виде итогового протокола;
- разработанные технологии входного виброконтроля и диагностики дефектов, балансировки ротора МВ в сборе с колесом в собственных опорах на стенде (в двух плоскостях) позволяют осуществлять ремонт и балансировку МВ по данным входного виброконтроля, оптимизировать объем и содержание ремонтных работ, существенно (в 2 и более раз) снизить остаточную вибрацию, увеличить надежность и межремонтный ресурс МВ.
Таблица 1
Характеристика Значение
1. Рабочий диапазон частот 10 - 5000 Гц
2. Число каналов регистрации вибросигнала 2
3. Вид сохраняемого сигнала виброускорение
4. Длительность сохраняемого сигнала 5,12 сек
5. Память прибора рассчитана на хранение до 1000 измерений
6. Линия связи с ПЭВМ USB
7. Количество линий спектра 25600
8. Неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот не более 3 дБ
9. Масса виброизмерительного блока 0,8 кг
10. Габаритные размеры ВИБ 180x83x57 мм
щью разработанной программы автоматизированной вибродиагностики «Вибродефект» (рис. 5, 6), которая определяет уровни вибрации, сравнивает их с нормативными значениями и в случае превышения ими допустимых значений определяет тип и вид дефекта (дефектов) из перечня:
- механические дефекты (дисбаланс, расцен-тровка, ослабления, люфты);
- дефекты подшипников (внутреннего или наружного колец, тел качения, сепаратора);
Рис. 5. Временной сигнал виброускорения. Механическое ослабление, люфт
Полученные вибросигналы передаются в базу данных компьютера и обрабатываются с помо-
Рис.6. Спектр виброскорости МВ в программе «Вибродефект». Дефект стержней ротора
- электрические дефекты (несимметрия питающего тока, обрыв стержней ротора,
- динамический или статический эксцентриситет).
Программа «Вибродефект» обладает инструментальным набором для анализа и уточнения диагностики с учетом опыта вибродиагноста. Окна программы позволяют отображать временные сигналы виброускорения, спектры виброускорения, виброскорости, вибросмещения. На рис.5 приве-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ден временной сигнал виброускорения при дефекте «механическое ослабление» (люфт), а на рис. 6 спектр виброскорости при дефекте стержней ротора электродвигателя МВ.
В базу конструктивных данных могут вводиться необходимые для вычисления характерных частот конструктивные данные подшипников и асинхронного электродвигателя. Программа позволяет настраивать алгоритм диагностики, уточнять до сотых долей Гц оборотную частоту, подключать и анализировать различные наборы характерных частот, изменять количество гармоник и боковых полос характерных частот с целью уточнения диагноза.
В случае высокой вибрации кроме диагностики выдаются рекомендации: о необходимости ремонта МВ в цехе или о необходимости балансировки ротора МВ в собственных опорах на стенде (при дисбалансе). В случае несимметрии питающего МВ тока дается рекомендация о необходимости выявления ее причин. По результатам измерений вибрации МВ и диагностики дефектов выдается итоговый протокол по всем мотор -вентиляторам электровоза с указанием средне-квадратических значений (СКЗ) виброскорости на каждой подшипниковой опоре МВ, с итогами сравнения СКЗ виброскорости с уровнями «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо». В случае оценки «недопустимо» выдаются 3 наиболее вероятных дефекта, вызвавших высокую виб-
рацию (в порядке убывания процентного вклада в СКЗ виброскорости). Здесь же выдаются рекомендации: «Балансировать», «Ремонтировать» (заменить подшипники, устранить несимметрию тока, заменить ротор при обрыве стержней) (рис. 7).
Таким образом, в результате входного виброконтроля и диагностики дефектов реализуется стратегия ремонта МВ с учетом фактического состояния в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 8.
Рис. 8. Алгоритм диагностики МВ
Для реализации методики вибродиагностики и балансировки разработаны соответствующие технологии. Комплекс входного виброконтроля и технологии в конце 2008 г. переданы для эксплуатации в локомотивное ремонтное депо Нижне-удинск (ВСЖД). За истекшие месяцы с его помощью проконтролирована вибрация нескольких сотен МВ.
ПРОТОКОЛ
от «_19_»_юя5ря_2008г.
вибродкиностики мотор-венпщягрров при входнвм контроле »тектровоъа ВЛ-85 №210
Секция 1 Секция 2
МВ-1 МВ-2 MB-3 MB-4 MB-5 MB-1 MB-2 MB-3 MB-4 MB-5
Датчик 1 СКЗ виброскоростн (мм с) (радиол он ьгй подшипник) 2.84 6.64 5.91 5.65 4,52 4.11 9.32 1.62
Датчик 2 СКЗ виброскорости (мм с) (радиол ьно-упорн ьгй подшипник) 3.02 5.24 10.53 4.83 4.61 4,31 6.97 1.51
Оценка технического состояния (ТС) Допустимо (Д)- до 5,7 мм/с., Требует гфиняткя мер (ТПМ) - 5,7 9,0 мм/с Недопустимо (НД) - сгыше 9,0 мм'с д ТПМ НД Д ТПМ Д НД Д
Диагностика дефектов для оценки ТС: НД # £ 8 II 5 S S: J il m i | Ш Iii g 11 * | 5 ИЛ! «4 "С Д. a * »n « ri 5 а м I s a e ¡4 11s 5 sS ^ —* н Iii S* № - Vi ü s -i i - i
Рекомендчцнн по ремангу для оценки ТС: НД Рячонт 1 А s « e
u
Рис. 7. Итоговый протокол вибродиагностики мотор-вентиляторов электровоза ВЛ-85
Современные технологии. Механика и машиностроение
Испытания комплекса в ТЧР-2 показали высокую вибрацию вспомогательных машин электровозов. Так, например, измерение и анализ вибрации мотор-вентиляторов 63 электровозов ВЛ-85 показали, что среднеквадратическое значение (СКЗ) виброскорости превышает нормативные уровни в 1,8 раза, а по некоторым МВ и мотор-компрессорам (МК) превышение достигает в 3-5 раз. На рис. 9 показано распределение уровня вибрации мотор-вентиляторов электровозов ВЛ-85 на выборке 360 МВ.
® (2J Уровни оценки "НЕДОПУСТМО" ■ 1- по ГОСТ ИСО - 10816-3-99; 2 - принятая в ТЧР-2 временная норма
\
1 \
N
1 \
/ \
/
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,6 7,6 8,5 9,5 10,5 11,5 12,8 14,6 28,0 СКЗ виброскороста (мм/с)
Рис. 9. Распределение уровня вибрации МВ электровозов
Из-за высокого уровня вибрации МВ невозможно сразу ввести нормы допустимой вибрации по ГОСТ ИСО-10816-3-99, так как в этом случае большинство (55 %) всех проверенных МВ нужно будет направлять в ремонт или на балансировку ротора в сборе. Предложено в ТЧР-2 ввести временную допустимую оценку уровня вибрации сроком на 1 год (9 мм/с). По этим нормам из партии обследованных МВ будет забраковано в среднем 36 МВ (т.е. 10 % от поступающих на ТР-1), причем 28 из них будут направлены на балансировку, а 8 - в ремонт. По мере уменьшения вибрации наиболее виброактивных МВ, можно будет поэтапно снижать предельные допустимые оценки вибрации (СКЗ виброскорости) до нормативных значений в соответствии с ГОСТ ИСО-10816-3-99 (4,5 мм/с).
|12 -у
= ю -Н
т
6 +4 2
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 >600
Тмг. км.
Рис. 10. Пробег МВ электровозов ВЛ-85 от KP и ТР-3 до замены подшипников (ТЧР-2, 2009 г.)
В технике существует закономерность уменьшения межремонтного пробега оборудования пропорционально увеличению вибрации, которая наглядно иллюстрируется и полученными данными по внеплановым ремонтам МВ. На рис. 10 показано распределение пробега поступивших на ремонт (замена подшипников) МР.
МВ-1 МВ-2 МВ-3 МВ-4 МВ-5 МК ФР МН
Рис. 11. Количество замен подшипников у различных вспомогательных машин (ТЧР-2, 2009 г.)
Средний пробег поступивших на ремонт 75 МВ составляет 260 тыс. км., что меньше нормативного в те же 1,8 раз, а процент досрочных и неплановых ремонтов - 86 %. Более высокая, чем в среднем, вибрация на некоторых вспомогательных машинах приводит к более частым неплановым ремонтам (например, у МВ-4, МК и фазо-расщепителей у электровозов ВЛ-85) (рис. 11).
Высокая вибрация разрушает все оборудование электровозов, вредно воздействует на машинистов. Если уменьшить вибрацию хотя бы в 2 раза, то количество неплановых ремонтов по дефектам вспомогательных машин уменьшится более чем в 2 раза, что принесет ощутимый эффект.
Основные дефекты МВ: дисбаланс - 50 %, дефекты подшипников - 15 %; электрические дефекты - 15 %, механические ослабления, люфты -10 %. Кроме того, у МВ, расположенных рядом с мотор-компрессором (МК), наблюдается повышенная вибрация на частотах, близких к оборотной частоте МК, т.е. возникают резонансные явления по некоторым направлениям колебаний МВ (до 10 % вклада в общую вибрацию).
Дисбаланс можно и нужно убирать с помощью балансировки в двух плоскостях на стенде. Технология такой балансировки внедрена в ТЧР-2. Резонансные колебания опорных систем вспомогательных машин требуют отстройки от резонанса путем небольших конструктивных изменений (например, приваривания дополнительного ребра жесткости к опоре МВ (при ремонте) или изменения характеристик виброизолятора для МК). Это уменьшит резонансные колебания в несколько раз и существенно снизит общий вибрационный фон. Точно определить размеры небольших конструктивных изменений позволяет разработанный в лаборатории ТДМ ИрГУПС конечноэлементный
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
программный комплекс расчета динамики вспомогательных машин.
Проведенные в лаборатории ТДМ исследовали показали, что средняя несимметрия питающего МВ и МК тока составляет 10-12 %. При этом возбуждается повышенная вибрация, составляющая 15-20 % от общего уровня. На возбуждение этой вибрации расходуется 8-10 % мощности МВ и МК. Поэтому мероприятия по снижению несимметрии являются технически целесообразными и экономически оправданными. В связи с переходом ремонтных предприятий ОАО «РЖД» на самостоятельный расчет внедрение систем безразборного входного и выходного контроля и диагностики машинного и электрического оборудования электровозов становиться особенно актуальным, т.к. позволит повысить эффективность и качество ремонта, внедрить технологии обслуживания и ремонта с учетом фактического состояния.
Учитывая опыт эксплуатации комплекса входного виброконтроля, разработан новый модульный вариант одноканального виброизмерительного блока, выполненного по беспроводной технологии и устойчивого к электромагнитным наводкам (рис. 12, 13).
Рис. 12. Виброизмерительный блок: 1 - ВИБ; 2 - индикатор измерений и кнопки ручного управления; 3 - антенна; 4 - разъем USB; 5 - магнит крепления блока; 6 - пульт дистанционного управления; 7 - ноутбук с программой вибродиагностики «Вибродефект»
В одном корпусе расположен вибродатчик с магнитом крепления, измерительно-
регистрирующий блок, источник питания, блок дистанционного управления. Данная разработка позволяет формировать виброизмерительную систему с дистанционным управлением с любым числом каналов, обеспечивающую синхронные измерения пространственной вибрации объектов и накопление данных в памяти. Технические характеристики одноканального ВИБ приведены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики одноканального ВИБ
Характеристика Значение
1. Габаритные размеры 150 х 53 мм
2..Масса 0,25 кг
3. Линия связи с ПЭВМ USB
4. Память прибора рассчитана До 1000 измерений
на хранение
5. Длительность сохраняемого 5,12 сек
сигнала
6. Вид сохраняемого сигнала Виброускорение
7. Количество линий спектра 25600
8.Количество каналов 1
9. Рабочий диапазон частот 10 - 5000 Гц
10. Неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот Не более 3 дБ
Два автономных виброизмерительных модуля могут одновременно контролировать и регистрировать вибрацию на двух опорах одной вспомогательной машины при их работе на электровозе под контактной сетью (рис. 13). Измерительная схема состоящая из 8-10 таких автономных одно-канальных виброизмерительных блоков позволяют одновременно контролировать вибрацию всех МВ секции электровоза при его работе под контактным проводом. Монтаж таких ВИБ на двух подшипниковых опорах МВ удобен и существенно увеличивает производительность диагностических работ.
Годовая экономия от внедрения комплекса входного виброконтроля мотор-вентиляторов при ТР составит 18,7 тыс. руб. на один электровоз.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Lukiyanov A.V., Eliseev S.V., Khomenko A.P. Problems Technical Diagnostics of Machines and Equipment // Proceedings of the Fifth International Conference on Condition Monitoring (CM) and Machinery Failure Prevention Technologies (MFPT). - Edinburgh, Great Britain, July 15-18, 2008, - pp. 967 - 97.
Рис. 13. Установка виброизмерительных модулей на мотор-вентиляторе
