CC BY
36И. А Волков, А С. Трофимов
Разработка системы диагностики дефектов трущихся поверхностей подшипников...
Исследования эффективности пылеподавления бункера с изменяемой вместимостью показали, что его применение позволяет снизить запыленность воздуха над бункером в 25.. .30 раз, то есть до значений ниже ПДК / 2 /.
На конструкцию бункера с изменяющейся вместимостью получен Патент России №74116 (авторы Отделкин Н.С., Отделкин М.С., Адамов Е.И., Сикарев С.Н.).
Таким образом можно сделать вывод, что при перегрузке и хранении сыпучих грузов для сокращения их потерь от пылеобразования и пылеуноса, а так же снижения отрицательного воздействия пыли на окружающую среду необходима разработка технических средств борьбы с пылью. Данная разработка должна быть направлена на уменьшение энергозатрат, увеличения эффективности технических средств борьбы с пылью, а так же уменьшению потерь и негативных воздействий на окружающую среду при перегрузке сыпучих грузов.
Список литературы
[1] Отделкин, Н. С. Борьба с пылью при перегрузке пылящих грузов грейферными кранами / Н.С. Отделкин, А.С. Слюсарев // Информационный сборник ЦБНТИ МРФ. - 1992. - вып. 4. С. 14 - 26.
[2] Отделкин, Н. С. Теоретические основы оценки потерь и защиты окружающей среды от пылеобразования при перегрузке и хранении сыпучих грузов в портах: дис.докт. техн. наук. / Отделкин Николай Станиславович. - Н. Новгород, 2008. - 344 с.
TECHNICAL DEVICES FOR REMOVAL OF DUST DURING DRY
BULK RELOADING
Ph. E. Turukalov
This article describes the technical devices to deal with dusty overload of bulk cargo, as well as details on the special bunker hydro-ejection system and a bunker with varying capacity.
УДК 625.032.435.001.42:681.322-181.4
И. А. Волков, д. ф.-м. н., профессор, ФБОУ ВПО «ВГАВТ» А. С. Трофимов, аспирант, ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а. E-mail: [email protected]
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДШИПНИКОВ БУКСОВЫХ УЗЛОВ КОЛЁСНЫХ ПАР ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
Исследованы влияния дефектов трущихся поверхностей подшипников буксовых узлов колесных пар грузовых вагонов. Проанализированы методы выявления дефектов трущихся поверхностей. Даны результаты испытаний макета системы вибродиагностики, выявляющей дефекты трущихся поверхностей.
Применение средств и методов входного, межоперационного и выходного нераз-рушающего контроля технического состояния подшипниковых узлов колесных пар подвижного состава, при выполнении ремонтных работ, является в современных условиях неотъемлемой частью обеспечения безопасности движения.
Проведя анализ событий (отказов в эксплуатации), отнесенных за ремонтными вагонными депо за 2009 год, выявлено, что в настоящее время основная причина отце-
пок вагонов в текущий ремонт связана с работой буксового узла колёсной пары. Из-за нагрева буксового узла происходят остановки поездов, что приводит к задержке доставки грузов, внеплановому простою вагонов и излишним затратам.
За 12 месяцев 2009 года расследовано 25 случаев отцепок вагонов по грению буксовых узлов колёсных пар проходивших полное освидетельствование в ВКМ ВЧДР-3.:
13 отцепок - с претензией к качеству планового вида ремонта ВКМ ВЧДР-3. 12 отцепок - без претензии к качеству планового вида ремонта ВКМ ВЧДР-3.
Отцепки вагонов с претензиями к качеству планового вида ремонта ВКМ ВЧДР-3 по причинам указаны в Таблице 1.
Таблица 1
Причина Кол-во %
Надиры типа «ёлочка» на упорном кольце 3 23
Раковина на упорном кольце 2 15,4
Ослабление торцевого крепления 1 7,7
Надиры в лабиринтной части 1 7,7
Трещина приставного упорного кольца 1 7,7
Разница роликов подшипника по диаметру более нормы 1 7,7
Разрыв резинового уплотнения 1 7,7
Разность по диаметру роликов 1 7,7
Недостаточное количество смазки 1 7,7
Разница толщин стенок корпуса буксы 1 7,7
итого 13
Дефекты трущихся поверхностей, в общем, составляют - 38,5%.
В настоящее время вагоноремонтные депо РЖД в основном оснащены следующими типами систем вибродиагностики: ОМСД-02, УДП-2001СМ, М1II1-93.
Производители всех систем заявляют достоверность выявления дефектов не хуже 80 %. Перечень выявляемых дефектов, заявленный производителями различный, так система ОМСД-02 выявляет дефекты на поверхностях качения элементов подшипника, а например М1II1-93 ,согласно руководству по эксплуатации, должна выявлять все дефекты подшипников буксовых узлов, что явно не соответствует действительности, что так же подтверждается эксплуатацией данной системы.
На сети железных дорог стран СНГ эксплуатируются колесные пары с буксовыми узлами, в которых используются подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами типов: 30-32726Е1М и 30-42726Е1М.
Конструкция подшипников, используемых в данных типах буксовых узлов, предусматривает обязательный осевой зазор.
Таким образом, при диагностировании буксовых узлов колесных пар с использованием в качестве нагрузки собственного веса колесной пары не гарантирует контакта торцов роликов с бортами колец и упорным кольцом. Кроме того, при нагружении подшипников собственным весом колесной пары вибрация узла будет распространяться в основном в направлении приложения нагрузки, следовательно, и измерять данную вибрацию необходимо, ориентируя вибропреобразователь так, чтобы ось чувствительности располагалась в направлении распространения указанной вибрации.
Таким образом, существующие системы не могут с заявленной достоверностью выявлять дефекты трущихся поверхностей подшипников буксовых узлов.
Роликовые подшипники, расположенные в буксах колесных пар грузовых вагонов, воспринимают статические и динамические нагрузки, действующие на вагон, и передают их к вращающимся шейкам осей, а также ограничивают перемещение ко-
И. А. Волков, А. С. Трофимов
Разработка системы диагностики дефектов трущихся поверхностей подшипников.
лесной пары при движении вагона. Из этого следует, что роликовые подшипники воспринимают осевые и радиальные нагрузки.
Радиальная нагрузка, направленная перпендикулярно оси вращения подшипников и шейке оси, возникает от тары вагона и груза, находящегося в нем, а также от вертикальных динамических воздействий из-за неровности пути, наличия стыков на рельсах и т.д.
Осевая нагрузка вызывается центробежной силой, давлением ветра и другими горизонтальными усилиями, действующими вдоль оси вращения подшипников. Дефекты на торцевых поверхностях развиваются под действием указанных сил. Причинами появления данных дефектов являются: усталостное накопление повреждений (усталостное выкрашивание, усталостные трещины, шелушение поверхностей дорожек качения), сухое трение из-за разрыва масленой пленки (надиры типа «елочка»), коррозия и стресс-коррозия из-за попадания влаги внутрь буксового узла (коррозионные раковины), наличие механических примесей в смазке (намины) и т.д. [1]
Таким образом, для проявления торцевых дефектов в общей вибрации узла, необходимым условием является приложение осевой нагрузки на подшипники. Соответственно, вибрация, от дефектов торцевых поверхностей будет распространятся в осевом направлении, т.е вдоль оси колесной пары, следовательно для выявления дефектов торцевых поверхностей необходимо проводить измерения и анализ вибрации, распространяющейся в осевом направлении.
Для проведения экспериментов по определению возможности выявления и характера проявления дефектов на торцевых поверхностях использовался комплекс для вибродиагностики колесных пар грузовых вагонов на базе системы ОМСД-02, установленный в вагонном ремонтном депо Горький-сортировочный. Стенд-разгонщик комплекса был модернизирован, путем добавления устройства, создающего осевую нагрузку на буксовые узлы колесной пары. Осевая нагрузка создается кронштейнами, вид которых представлен на рис.2, путем «растяжения» или «сжатия» колесной пары за буксовые узлы.
Рис. 2 Механизм осевого нагружения стенда СВРОН-1 и место установки датчика в осевом направлении на буксовом узле.
Для проведения эксперимента штатный комплекс был дооснащен двумя измерительными каналами, таким образом, чтобы при раскрутке колесной пары запись вибрации производилась одновременно с 4-х датчиков: 2-штатных и 2-х дополнительных.
Дополнительные датчики устанавливаются на крепительную крышку буксового узла в осевом направлении, т.к. крепительная крышка напрямую контактирует с наружным кольцом переднего подшипника.
Необходимая осевая нагрузка должна быть такой, чтобы полностью выбрать осевой зазор в подшипниках. Для определения величины данной нагрузки использовался индикатор перемещений, нагрузка последовательно увеличивалась и величина нагрузки, при превышении которой осевое смещение буксового узла не увеличивалось, принята за рабочую нагрузку. Величина нагрузки получилась равной 6,5 кН.
Для обнаружения и идентификации дефектов подшипников предлагается использовать систему, работающую по алгоритму и методам, представленным на рисунке 3.
Регистрация сигнала
X 1
Полосовая фильтрация Оконное сглаживание и рассчет спектра Вычисление СКЗ, Эксцесса
Расчет огибающей и ее спектра (преобразование Гильберта)
г" ^ Анализ и сравнение с порогами
Поиск, анализ и интерпретация гармонических рядов в спектре огибающей Диагноз
Рис. 3 Алгоритм работы системы вибрационной диагностики.
Расчет и анализ спектра огибающей сигнала в области высоких частот позволяет резко повысить достоверность диагностирования за счет выявления дефектов на ранних стадиях развития и более точной идентификации типа дефекта. Для построения огибающей используется преобразование Гильберта, устанавливающее во временной
И. А Волков, А С. Трофимов
Разработка системы диагностики дефектов трущихся поверхностей подшипников.
и частотной областях связь между вещественной и мнимой частями одностороннего сигнала, определяемого при t >= 0 и равного нулю при t < 0.
В дискретном виде сопряженный по Гильберту сигнал в соответствии с выражением:
H {x(t)} = F{x} jFx) F p-i Л
1 v '' K 'J v где Г и F - соответственно прямое и обратное Фурье- преобразование.
ад ад
F(w) = Jx(t)e—jwtdt F— (w) = JF(w)ejwtdw
— ад —ад
Огибающая рассчитывается по формуле:
y(t) = л/x2(t) + H{x(t) }2 . Для получения спектра огибающей выполняется преобразование Фурье. Спектр огибающей бездефектного узла обычно вообще не содержит гармонических составляющих, а появление в нем хотя бы одной линии говорит о наличии того или иного дефекта, что в корне неверно в случае обычных спектров. Вид дефекта определяется по частоте гармонической составляющей, а степень по величине гармонической составляющей выраженной в единицах глубины модуляции, рассчитываемой по формуле:
m =
V
ЛлДъ/10 Л
110 — 11--, где АЬ - разность уровней гармоническои и случайной
Л/ф
составляющих спектра огибающей, АfA - разрешающая способность при анализе спектра огибающей, АfФ - ширина полосы фильтра, выделяющего огибающую.
Расчет амплитудно-временных параметров - СКЗ, эксцесса. Позволяет повысить достоверность выявления таких дефектов как недостаток смазки и коррозия, а так же позволяет обнаруживать в сигнале ударные импульсы, связанные с повреждением поверхностей качения.
1 Ы
х ) = Т?Е )
Среднее значение сигнала: Дисперсия:
Среднеквадратичное значение:
N
i=i
1 N
=— Ё (x — x )2
x N — 1t! г СКЗ = Л
1
N
Vx = Г ^ч 4 Ё (xi — x)4
Эксцесс: ( г=1
Расчет и анализ усредненного Фурье-спектра вибросигнала. Усреднение позволяет отсечь случайные составляющие, а спектральный анализ выявить и идентифицировать развитые дефекты.
В качестве критериев исправности узла принят факт не превышения некоторой пороговой величины контролируемого параметра. Пороговое значение рассчитывается статистически по партии заведомо годных изделий[2].
Для проведения эксперимента были сформированы две колесные пары с заложенными дефектами буксовых узлов, а так же колесная пара с исправными подшипниками. Информация о данных колесных парах представлена в таблице 2.
Указанные колесные пары прокручивались на стенде и при достижении необходимой частоты вращения производились записи вибросигналов одновременно всеми датчиками.
Таблица 2
№ колесной пары Описание дефектов подшипников
1.11750007403 2. 0029 911 768 3. 0029 751 398 Годные Левая букса: Надиры типа «елочка» на упорном кольце. Правая букса: Забоины на борте внутреннего кольца. Левая букса: Коррозионные раковины на упорном кольце. Правая букса: Надиры типа «елочка» на упорном кольце.
На рисунке 4 представлены некоторые сигналы и их спектры, иллюстрирующие характер проявления дефектов трущихся поверхностей.
По результатам проведенных исследований выявлено, что наличие дефектов на торцевых поверхностях подшипников буксовых узлов проявляется в вибросигнале, прежде всего, в виде ударных импульсов, распространяющихся в осевом направлении, а также в спектрах вибросигналов, путем появления в них гармоник на частотах проявления дефекта. Дефекты торцевых поверхностей подшипников в составе колесной пары оказывают влияние практически на все составляющие вибрации, имеющие разную природу возбуждения.
Таким образом, с помощью существующей измерительной системы ОМСД-02, при прокрутке колесных пар на доработанном стенде СВРОН-01 и переработке программного обеспечения возможно обнаружение дефектов торцевых поверхностей роликовых подшипников буксовых узлов. В настоящее время проводятся мероприятия по набору статистических данных о вибрации годных колесных пар, с целью определения пороговых значений браковки, а так же проводятся исследования вибрации буксовых узлов с различными дефектами торцевых поверхностей, дефектов лабиринтного уплотнения, с целью выяснения особенностей их проявления и идентификации.
Датчик в осевом направлении
■.......................................Н».......»»и.....И...................................... ......ш^т^т
Датчик в осевом направлении
.............................
Датчик в радиальном направлении
Датчик в радиальном направлении
И. А. Волков, А. С. Трофимов
Разработка системы диагностики дефектов трущихся поверхностей подшипников..
Сравнение спектров вибросигналов с Сравнение спектров вибросигналов с датчиков, установленных в радиальном датчиков, установленных в радиальном (1) и осевом (2) направлении. (1) и осевом (2) направлении.
а) б)
Рис. 4. Вибросигналы и их спектры с буксового узла с дефектом надиры типа «елочка» на упорном кольце: а) без осевого нагружения, б) нагрузка на растяжение
Список литературы
[1] Амелина А.А.. Устройство и ремонт вагонных букс с роликовыми подшипниками. М. Транспорт, 1975.
[2] Барков А.В. Вибрационная диагностика колёсно-редукторных блоков на железнодорожном транспорте. Северо-западный учебный центр, Санкт-Петербург.
DEVELOPMENT OF DIAGNOSTICS OF DEFECTS RUBBING SURFACES BEARING ASSEMBLIES WHEELSET AXLE FREIGHT
CAR
I.A. Volkov, A.S. Trofimov
Influences of defects of friction surfaces bearing of wheel pairs cargo wagon have been investigated. Methods of identify defects of friction surfaces have been analyzed. The results of layout test layout system vibration diagnostic reveal defects friction surfaces have been presented.
