CC BY
36УДК 625.032.435.001.42:681.322-181.4 А. Д. Звягин, д. т. н., профессор. ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, e-mail: [email protected] А. О. Ваганов, д. т. н., директор. А. С. Трофимов, ООО «ДиатехНН».
603132, Нижний Новгород, пр. Ленина,ЗОг, E-mail: vaganov @.diatehnn.ru
СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НАИБОЛЕЕ ОТВЕТСТВЕННЫХ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА
В статье рассматриваются методы и алгоритмы диагностики наиболее ответственных
узлов и деталей пассажирского вагона на ходу поезда, технические средства сбора и обработки измерительной информации, используемые в диагностике, программное обеспечение с целью создания системы динамического мониторинга пассажирского вагона.
Проблема обеспечения безопасной эксплуатации пассажирского железнодорожного транспорта приобретает в настоящее время особое значение. От технического состояния и надежности основных узлов и деталей вагонного парка (колеса, оси, подшипниковые и редукторные узлы, тормозная система) во многом зависит безопасность движения, а также ритмичная и экономичная работа пассажирского железнодорожного транспорта.
В настоящее время широко применяется дистанционный автоматический контроль букс на нагрев и начал внедряться дистанционный контроль поверхностей катания колесных пар. Однако постоянно возрастающая интенсивность эксплуатации вагонов, повышение скоростей и снижение качества контроля и ремонта привели к росту числа повреждений, отцепок вагонов в пути следования. Анализ отказов вагонов выявил их малую надежность для современных условий эксплуатации, обусловленную низким качеством изготовления, ремонта, технического обслуживания и контроля.
Необходимый уровень качества на всех стадиях технического обслуживания и ремонта вагонов может быть достигнут при рациональной организации эффективных методов контроля. Своевременный и качественный контроль не только предотвращает отказы, но и способствует полному использованию ресурса вагона и его частей, позволяет перейти от планово-предупредительного ремонта к ремонту по фактическому состоянию.
Из сказанного следует, что создание и внедрение новых, современных систем мониторинга состояния наиболее ответственных узлов и деталей пассажирского вагона является весьма актуальным. Поэтому и возникла необходимость разработать систему динамического мониторинга пассажирского вагона на подобие системы мониторинга локомотива [1, 2]. Для ее создания были выполнены следующие работы: разработка, изготовление и испытания опытного образца системы динамического мониторинга пассажирского вагона и проведены экспериментальные исследования опытного образца этой системы. Разработан алгоритм определения дефектов в контролируемых узлах, написано программное обеспечение.
С помощью этой системы проводятся следующие виды контроля:
а) диагностика механического состояния:
- буксовых подшипников колёсных пар;
- подшипников редуктора;
- подшипников генератора;
- зубчатого зацепления редуктора.
б) контроль давления в тормозной магистрали и тормозном цилиндре вагона;
б контроль подачи команд на электропневмотормоз.
Важнейшим условием получения достоверного диагноза является правильный .ь г :р точек и направлений контроля вибрации [3, 4, 5].
При выборе точек контроля вибрации учитывались следующие требования:
- точка контроля вибрации подшипников должна быть как можно ближе к месту ; t кггвия статической нагрузки на подшипник;
- между точкой контроля и местом формирования высокочастотных колебатель-сил должен быть минимум контактных поверхностей и не должно быть резких
'.енений сечения тех элементов подшипникового узла, по которым распространяет-
высокочастотная вибрация;
- вибрация на низких и средних частотах измеряется преимущественно в направ-гении действия статической нагрузки.
К наиболее информативным процессам, кроме вибрации механизма, относят так-- е его тепловое излучение. Поэтому в наиболее ответственных узлах пассажирского •¿гона: буксах, редукторе, генераторе предусматривается как вибрационный, так и : '-'пературный контроль.
Система состоит из бортовых комплексов контроля (БКК), находящихся в каждом ^¿гоне и блока контроля бригадира (БКБ - один блок на состав), находящегося в _табном вагоне. Связь между БКК вагонов и БКБ осуществляется по радиоканалу.
БКК состоит из датчиков, расположенных на контролируемых узлах, устройства . 5ора и обработки (УСО), расположенном в купе проводника вагона, и кабельной се-~я хтя связи датчиков с УСО.
Датчики вибрации и температуры в количестве 8 штук каждого вида установлены -2 буксах и еше по 1 на редукторе и генераторе.
Датчики давления установлены в тормозной магистрали (1 шт.) и тормозном цилиндре (1 шт.);
Датчик скорости (датчик напряжения Холла - 1шт.) и датчик режима работы ге--гратора (датчик тока Холла - 1 шт.) установлены в контейнере выпрямителя.
Датчики контроля подачи команд на электропневмотормоз (делители напряжения с -пьванической развязкой - 2 шт.) на линиях подачи команд на электропневмотормоз.
Устройство сбора и обработки сигналов (УСО) располагается в купе проводников и включает в себя:
- блок питания;
- аналого-цифровой преобразователь;
- компактный компьютер или панельная рабочая станция;
- табло проводника на базе цветной графической панели;
- радиомодем стандарта IEEE 802.1 lb\g;
Кабельная сеть располагается:
- на тележках вагона;
- в вагон.
Состав БКБ:
- конструкции для размещения элементов БКБ с разъемами для ввода питания и связи с внешним компьютером;
- блока питания;
- компактный компьютер;
- табло бригадира, реализованного на цветной графической панели;
- радиомодема стандарта IEEE 802.11 b\g.
Схема расположения датчиков, кабелей, антенны радиомодема, УСО представлены на рис. 1-8.
>
• - двойки нмбрацмиЛсмпсратуры (КТВ)
• - дапчик темпеозтуры (КТ»
(размещается в купе проюдимов)
Рис. 1. Схема расположения датчиков на тележках вагона
Рис. 2. Коробка подключения вибродатчиков к кабельной сети на тележке
Рис. 3. Разъем для подключения датчиков с тележки
Рис. 4. Ввод кабеля от датчиков в вагон (штатная коробка)
Рис. 5. Расположение УСО в купе проводника
Рис. 6. Блок индикации УСО в купе проводника
Рис. 7. Комплект бригадира: на столе в купе бригадира располагается ноутбук, на стене крепятся блок питания и радиомодем
Рис. 8. Антенна располагается на крыше вагона
Программное обеспечение обеспечивает следующие задачи:
- формирует задания на мониторинговые и диагностические измерения в виде г .^манд с учётом реального состояния объекта;
- передачу заданий в измерительную систему и приём результатов измерений, в том числе и результатов тех измерений, которые выполнены не по заданию (внемар-лрутные измерения);
- размещение и хранение в базе данных конструктивных характеристик объектов • энтроля, данных о системе измерений, первичных результатов измерений, результатов мониторинга и диагностики;
- анализ вновь поступающих данных мониторинговых и диагностических изменений, сравнение результатов с порогами и эталонами;
- построение диагностических эталонов бездефектных и дефектных узлов по заложенным в программу правилам и данным измерений диагностических параметров группы идентичных машин (эталон по группе) и группы последовательных измерений параметров одного узла (эталон по истории);
- импорт и экспорт как данных первичных измерений, так и результатов мониторинга, диагностики и прогноза.
- выдачу протоколов, отчётов и различных справочных данных.
Настройка системы перед каждым рейсом:
- каждый БКК однозначно должен быть закреплён за конкретным вагоном и иметь свой идентификационный номер;
- блок контроля бригадира является переносным устройством и также должен иметь свой идентификационный номер;
- перед каждым рейсом в БКБ через предусмотренный порт с внешнего компьютера должна быть занесена информация о количестве вагонов в данном составе и идентификационные номера БКК. В случае, если количество и очередность вагонов в составе не меняется от рейса к рейсу, то система не перенастраивается.
Работа системы в ходе рейса:
- система начинает функционировать при появлении питания в вагоне;
- запуск системы сбора БКК происходит при достижении скорости движения состава 30 км/час (по анализу сигнала с датчика скорости, который регистрируется на микрофонный вход компактного компьютера);
- БКК каждого вагона непрерывно собирает информацию с датчиков, обрабатывает ее по определенному алгоритму, сравнивает с заданными установками и выдает на табло проводника информацию о состоянии контролируемых узлов (годен/не годен) по данному вагон)';
- периодически БКК производит самодиагностику и, в случае неисправности какого-либо измерительного канала, выдает информацию о неисправности этого канала на табло проводника;
- по запросу от БКБ БКК вагонов периодически передают в БКБ результаты контроля с указанием астрономического времени. На табло бригадира БКБ выводится информация о состоянии контролируемых узлов вагонов (годен/негоден) всего состава и исправности/неисправности измерительных каналов БКК;
- при появлении неисправного узла в каком-либо вагоне БКК данного вагона передает результаты контроля в БКБ независимо от наличия запроса из БКБ;
- вся информация, переданная из БКК вагонов в БКБ, записывается в память БКБ и сохраняется до конца рейса;
- после окончания рейса информация из БКБ передается на внешний компьютер.
Алгоритм управления сбором информации при мониторинговых измерениях в пассажирском вагоне представлен на рис. 9.
Рис. 9. Алгоритм управления сбором информации при мониторинговых измерениях в пассажирском вагоне
В системе реализован комплекс методов вибродиагностики:
- оценка состояния узла по методу огибающей;
- оценка состояния по параметру среднеквадратичного отклонения;
- оценка состояния по коэффициенту эксцесса (увеличиваются значения центральных четных моментов распределения).
Выбранная на основе результатов проведённого анализа блок-схема алгоритма диагностирования пассажирского вагона изображена на рис. 10.
Рис. 10. Блок-схема алгоритма диагностирования пассажирского вагона в движении
Измерительная информация после аналого-цифрового преобразования подвергается полосовой фильтрации цифровым фильтром в диапазоне 2-8 кГц и одновременно поступает на две подсистемы диагностирования: подсистему 1-го уровня (контроль по СКО виброускорений) и подсистему П-го уровня (контроль по спектру огибающей виброускорений). Для повышения надёжности контроля на 1-м уровне вводится дополнительные параметры: амплитуда сепараторной частоты и коэффициент эксцесса распределения мгновенных значений ускорений. А также из результатов проведённых путевых испытаний следует, что сепараторная частота является важным диагностическим признаком состояния подшипника: повышение СКО широкополосной составляющей ускорений и амплитуды сепараторной частоты свидетельствует о деградации подшипника. Контроль эксцесса при больших СКО дает не только дополнительное подтверждение наличия дефектов подшипников, но и способствовать их различению от дефектов колёс.
Диагностирование на Н-м уровне заключается в определении амплитуд огибающей вибрации на частотах первых трёх гармоник, характерных для дефектов каждого из элементов подшипника (сепаратора, наружного кольца, внутреннего кольца и роликов). Контроль осуществляется путём сравнения амплитуд этих гармоник с заданными допусти-
мыми значениями. При каждом сеансе контроля 1-го уровня выдается информация о результатах контроля П-го уровня, носящая вспомогательный характер.
Контроль производиться циклами, следующими с определённым интервалом, один за другим. Для каждого диагностического параметра установлено три контрольных значения с целью выявления устойчивой тенденции изменения этих параметров и. следовательно, приближения объекта диагностирования к отказу. Превышение третьего (наибольшего) контрольного уровня при устойчивой тенденции роста диагностических параметров приводит к выдаче сигнала предупреждения каждой из подсистем контроля. Срабатывание подсистемы 1-го уровня рассматривается как достижение преддварийного состояния, а если оно сопровождается срабатыванием подсистемы 11-го уровня - как достижение опасного состояния, а если срабатыванием подсистемы Ш-го уровня - как достижение критического состояния при условии превышения допу стимых значений по первому и второму уровню диагностирования, требующего принятия экстренных мер.
Приведённый алгоритм контроля проверен с использованием результатов измерений, полученных в депо ст. Златоуст и при путевых испытаниях вблизи ст. Миасс Южно-Уральской ж.д., а также при движении на магистральных путях ст. Горький -сортировочная - ст. Ильино Горьковской ж.д.
Спектры вибросигналов, измеренных в процессе проверки алгоритма контроля представлен на рисунках 11-18.
190 100
-150 -МО
Т=1,55<
ЗОмхт Пасммето Парагон »<И_Ш_
Лета
пиадког-о
Улв*
ЪИ
4
Х(*ГШ| VI»!
аамв_для
Х[Гпп) < та«к Си, с
вг« кт ЗМ-Й
Рис. 11. Временные реализации ускорений, измеренные на буксах тележки с редуктором пассажирского вагона в диапазоне до 8 кГц
На рис. 11 в сигнале хорошо просматриваются всплески, вследствие прохождения стыка рельс.
;<х»т Пеле»« Гам; £п Х(М Утп К[М Ни» ЬГа
Лм4г>мШ !2 ЦИЗЫЗЖЧШ 0 ММСШ2 «3 1.«« _Дог», пмзшяа; -дм ) ши 1;_
Рис. 12. Спектры огибающих ускорений, измеренных на буксах тележки (с редуктором) пассажирского вагона и отфильтрованных в полосе 2000-8000 Гц
На рисунке 13 в спектре огибающей присутствуют гармоники частоты вращения, ¿следствие наличия ползуна.
Слег Иаьгэм Паз Ун ХСчМ ггг. ХМ Спи »Г|
сИ а ияммкш?» 0 5ЛНЗ <М13 •2 ГЕ-31
Гсзга «а и имжкшию 0 ШЭВ ЗЗЖ 133 Г1-31
чмжялвг 1Ю 0 16« 16
Рис. 13. Спектры огибающих ускорений, измеренных на буксах тележки (с редуктором) на участке с рельсовыми стыками до и после корректировки временных реализаций (из временной реализации исключены рельсовые стыки)
а)
б)
Рис. 14. Спектры огибающих ускорений, измеренных на корпусе редуктора
Рис. 15. Спектры огибающих ускорений, измеренных на редукторе вблизи конических подшипников
Рис. 16. Спектр огибающей ускорений, измеренных на хвостовике выходного вала редуктора
Рис. 17. Спектры амплитуд ускорений, полученных при разгоне пассажирского поезда от 30 до 100 км ч:
а) - на редукторе; б) - на генераторе.
Рис. 18. Зависимость амплитуды ускорения первой гармоники зубчатой передачи редуктора при разгоне поезда от токовой нагрузки генератора
На рисунках:
Рс - частота сепаратора.
Б™, - частота прохождения наружного кольца - частота прохождения внутреннего кольца.
Рв- частота вращения колёсной пары.
РБ - частота вращения большой шестерни реду ктора.
Рм - частота вращения малой шестерни реду ктора.
Рг -частота зацепления.
Рш - частота вращения шарика.
Рнкш - частота прохождения наружного кольца шарикового подшипника.
Рнкр~ частота прохождения наружного кольца роликового подшипника.
Рвкш- частота прохождения внутреннего кольца шарикового подшипника.
Рвкр - частота прохождения внешнего кольца роликового подшипника.
Рр - частота вращения ролика.
Данные обработки измерений показали, что полученные оценки являются параметрически зависимыми от скорости движения вагона и токовой нагру зки генератора. Следует отметить, что частота проведения мониторинговых измерений довольно высокая (ограничения связаны только с нестационарностью скорости движения поезда) дополнительные измерения низкочастотной вибрации ниже 500 Гц можно не проводить. Необходимо лишь установить пороги в мониторинговых измерениях. В автоматическом режиме для спектров огибающих вибрации устанавливается три порога -порог ситьного дефекта, порог опасного дефекта и порог низкого уровня вибрации. Количество раздельных частотных полос при установке порогов выбирается предварительно на основании экспериментальных данных. Поэтому установление границ пороговых уровней срабатывания системы диагностики, с учётом выбора степени допустимости дефектов, требует накопления статистических данных.
Таким образом, методика диагностирования позволяет оценивать состояние ко--гсных пар по прокату (сколы, трещины, каверны, ползуны).
На участках пути с рельсовыми стыками при скорости поезда выше 60 км/ч перед гнзгностированием рекомендуется провести корректировку временных реализаций • :корений, измеренных на буксах и редукторе.
Создан опытный образец системы динамического мониторинга пассажирского вагона, на базе которого возможно создание и внедрение на сети железных дорог системы динамического мониторинга пассажирских вагонов.
Список литературы
[IJ Звягин А.Д., Волков И.А., Шайдуллин Ш.Н., Букин М.Н. Особенности диагностики колесо-моторных блоков локомотивов на ходу // Сб. научных трудов НФ ИМАШ РАН, НИЛИМ. -Н. Новгород, Изд-во общества «Интерсервис», 2004.
[2] Звягин А.Д., Букин М.Н. К вопросу создания бортовой системы диагностики колссно-v игорных блоков локомотивов // Вестник ВГАВТ, вып. 16 / Надежность и ресурс в машиностроении. - Н. Новгород, Изд-во ВГАВТ, 2006. - С. 103-106.
[3] Звягин А.Д., Калабин В.Ю. Система вибродиагностики колесных пар пассажирских вагонов Вестник ВГАВТ, вып. 16 / Надежность и ресурс в машиностроении. - Н. Новгород, Изд-во
ВГАВТ, 2006.-С. 167-170.
[4] Звягин АД, Калабин В.Ю. Некоторые результаты вибродиагностики колесных пар пассажирских вагонов с приводом генератора // Вестник ВГАВТ, вып. 16 / Надежность и ресурс в машиностроении. - Н. Новгород, Изд-во ВГАВТ, 2006. - С. 167-170.
[5] Звягин А.Д., Калабин В.Ю. Система вибродиагностики колесных пар пассажирских вагонов с приводом электрогенератора // Сб. научных трудов НФ ИМАШ РАН, НИЛИМ. - Н. Новгород, Изд-во общества «Интерсервис», 2005. - С. 99-109.
,' 'г '' 1 ■ I-. • г ' . ■: ' * '
SYSTEM OF DYNAMIC MONITORING OF THE MOST RESPONSIBLE COACH UNITS AND DETAILS
A. D. Zvyagin, A. O. Vaganov, A. S. Trofimov
Methods and algorithms of diagnostics of the most responsible coach units and details on the move trains, means of gathering and the handlings of the measuring information used in diagnostics, the software for the purpose of dynamic monitoring system creation of the coach are considered.
• I ■ T. ».-•; •.•:•'О ,.!« '<1 . J
УДК 621-192
Д. Н. Костюпичев, ассистент, ВГАВТ. 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЫЛЕУНОСА ПЫЛЯЩИХ ГРУЗОВ ПРИ ИХ ОТКРЫТОМ ХРАНЕНИИ
В статье рассмотрена физическая модель процесса пылеуноса пылящих грузов с поверхности штабеля открытого склада. Показано, что предлагаемая физическая модель процесса пылеуноса позволяет спрогнозировать количественные характеристики пылевых выбросов, оценить величину потерь груза и оценить отрицательное воздействие открытого склада на окружающую среду.
