CC BY
28
asynchronous motors with operating parameter 0.4 kW]. Ph. D. thesis, 150 p.
Stavropol', 2002,
УДК 629.4.027.4.004.58
В. Н. Костюков, Д. В. Казарин, А. В. Костюков, А. В. Зайцев
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ КОЛЕСНО-МОТОРНЫХ БЛОКОВ
ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ
В статье приведены результаты экспериментальных исследований диагностических признаков узлов ко-лесно-моторных блоков (КМБ) от частоты вращения колесной пары. Определены параметры распределения диагностических признаков и предложен способ, обеспечивающий повышение достоверности диагностирования КМБ электропоездов.
Важнейшей задачей железнодорожного транспорта является обеспечение безопасности перевозочного процесса. Решить данную задачу позволяют системы диагностики узлов и агрегатов подвижного состава, одним из наиболее ответственных узлов является колесно-моторный блок.
Целью данной работы является обоснование способа диагностирования колесно-моторных блоков электропоездов, обеспечивающего повышение достоверности диагностирования.
В данной работе решены следующие задачи.
1. Проведены экспериментальные исследования по определению зависимости диагностических признаков (средние квадратические значения виброускорения Ае) подшипниковых узлов колесно-моторных блоков электропоездов от частоты вращения колесной пары (КП).
2. Определены параметры распределений диагностических признаков.
3. Описан способ диагностирования КМБ электропоездов.
4. Показаны расчеты ошибок диагностирования первого и второго рода (ложной тревоги и пропуска дефекта) и вероятности безошибочного диагностирования.
Основной задачей диагностирования является распознавание технического состояния узлов и агрегатов и разделение их на классы - исправные и неисправные, что связано с риском ложной тревоги и пропуска дефекта.
При реализации любого способа диагностирования буксовых узлов КМБ существуют вероятность ошибки ложной тревоги и вероятность ошибки пропуска дефекта.
В условиях эксплуатации подвижного состава пропуск дефекта способен привести к разрушению узла, что может повлечь за собой не только дорогостоящий неплановый ремонт, сбой в графике движения поездов, но и вызвать техногенную опасность и (или) транспортную аварию. Ложная тревога, в свою очередь, приводит к проведению дополнительных работ для узлов, не требующих обслуживания, после которых фактическое техническое состояние узла может только ухудшиться, из-за чего снизится эксплуатационная готовность подвижного состава.
В работах [1, 2] показано, что на величину параметров вибрации подшипниковых узлов КМБ влияет частота вращения колесной пары.
С целью определения характера зависимости диагностических признаков от частоты вращения проведены эксперименты по измерению параметров вибрации подшипниковых узлов КМБ электропоездов. Данные эксперименты проводились с помощью системы диагностики колесно-моторных блоков КОМПАКС®-ЭКСПРЕСС-ТР1 [9]. В ходе экспериментов проведены записи сигналов вибрации с узлов КМБ на различных скоростных режимах (в том числе
№„4(254) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 33
240 и 420 об/мин). Испытаниям подверглись свыше 300 КМБ, что обеспечило надежность опыта на уровне 0,99 с предельной ошибкой А = 0,1 [3].
В результате получены зависимости параметров вибрации (диагностических признаков) от частоты вращения колесной пары. В таблице приведены статистические параметры распределения виброускорения для исправных и дефектных буксовых узлов КМБ электропоездов ЭД4М при частотах вращения колесной пары 240 об/мин (наиболее распространенная частота вращения при испытаниях) и 420 об/мин (предельно допустимая частота вращения из соображений безопасности проведения испытаний). Будем считать 240 об/мин базовой частотой вращения, а 420 об/мин - повышенной частотой вращения.
Параметры распределения значений виброускорения буксовых узлов КМБ электропоездов при двух значениях частоты вращения колесной пары
Частота вращения КП, об/мин Виброускорение, м/с
исправные узлы неисправные узлы
математическое ожидание стандартное отклонение математическое ожидание стандартное отклонение
n1=240 Ыл = 1,59 ^ = 0,62 Mdl = 5,73 ^ = 2,07
n2=420 Ыс2 = 2,21 ^ = 1,02 Md 2 = 12,73 ^d 2 = 5,57
В работах [1, 2] установлен факт более резкого увеличения значений параметров вибрации, например, виброускорения, с ростом частоты вращения для неисправных узлов по сравнению с исправными. С целью повышения достоверности диагностирования подшипниковых узлов КМБ электропоездов исследовано распределение диагностических признаков при различных значениях частоты вращения КП.
Для описания распределения параметров диагностических признаков будем использовать логнормальное распределение, которое не имеет отрицательных значений и представляет собой распределение вероятностей неотрицательной случайной величины, логарифм которой распределен по нормальному закону.
Логарифмически нормальное распределение во многом более точно, чем нормальное, описывает наработку до отказа тех объектов, у которых отказ возникает вследствие усталости, например, подшипников качения [4].
Ошибки диагностирования первого и второго рода можно определить по методу мини-макса [5], т. е. минимизации максимальной ошибки.
Величина ошибок определяется как проекция точки пересечения функции распределения диагностических признаков дефектных узлов FjX) с обратной функцией распределения диагностических признаков исправных узлов 1 - FjXi) на ось вероятности распределения, где Xj - значение диагностического признака /-го объекта; F(X) - функция распределения значений диагностических признаков Xi для j-го сопутствующего фактора.
В качестве сопутствующего фактора используем частоту вращения колесной пары при проведении диагностирования.
В основе диагностирования оборудования лежит принцип сравнения измеренного значения диагностического признака с критическим значением, по результатам которого определяют техническое состояние объекта [5].
Ошибки пропуска дефекта и ложной тревоги при диагностировании с частотой вращения n1 и n2 по методу минимакса определяются по формулам:
бид (^кр1) = 0ЛТ (Хкр1) = Fd1 (Хкр1) = 1" Fc1 (Хкр1); , (1)
0ПД (Хкр2 ) = Qm (Хкр2 ) = Fd2 (Хкр2 ) = 1" Fc2 (Хкр2 ) , (2)
где Хкр1, Хкр2 — критическое значение диагностического признака при частоте вращения колесной пары n1 и n2.
34 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(24) 2015
—— = 1 V
Критические значения диагностического признака, а также ошибки пропуска дефекта и ложной тревоги по методу минимакса можно определить графически (рисунок 1).
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
/ V / \ 1 Г \ / % 1 \ /
..................................................................УТ \ ! \
...............................V
\ ---'К
X."-'' IV
Виброускорение, м/с2
Рисунок 1 - Расчет ошибок диагностирования и критического значения диагностического признака
Для виброускорения буксы (см. таблицу и рисунок 1) ошибки пропуска дефекта и ложной тревоги:
ОцД (^КР1) = ОлТ (*КР1) = 0,029; (3)
ОцД (^КР2 ) = От (^КР2 ) = 0, 017 . (4)
В качестве меры надежности процесса измерений используют вероятность безошибочного диагностирования, определяемую по формуле [6]:
Р = 1 - (ОЦд + От).
(5)
Для параметров, приведенных в таблице 1, получим вероятность безошибочного диагностирования при частоте вращения колесной пары щ и п2: Р = 0,942; Р2 = 0,966.
Как видно, диагностирование КМБ на повышенной частоте вращения обеспечивает вероятность безошибочного диагностирования больше, чем при диагностировании на базовой частоте вращения. Однако использование повышенной частоты вращения в качестве основной увеличивает энергетические затраты и продолжительность проведения испытаний, а также может снизить уровень безопасности при проведении испытаний за счет возможной ненадежной установки колесной пары на домкраты.
С целью повышения достоверности диагностирования [7] роторных агрегатов при одновременном сокращении затрат на диагностирование авторами предложен способ диагностики [8], заключающийся в том, что проводят испытания на двух скоростных режимах - при базовой и повышенной частоте вращения, при которой лучше разделяются исправное и неисправное технические состояния. При этом дополнительное испытание проводят в случае попадания значения диагностического признака в зону неопределенности при первом испытании на базовой частоте вращения [9]. Зона неопределенности ограничена верхним Хв и нижним Хн критическими значениями диагностического признака. Под зоной неопределенности понимается диапазон значений диагностического признака, при котором техническое состояние объекта однозначно не определено.
Вероятность того, что значения диагностических признаков неисправных узлов при диагностировании с частотой вращения щ окажутся ниже нижнего критического значения, определим по формуле:
№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 35
2015 1
г
Ра (X < Хн ) = Ф*
Х„-м
а1
>а1
где Ф* (л:) — логнормальная функция распределения.
Вероятность того, что значения диагностических признаков исправных узлов при диагностировании с частотой вращения щ окажутся выше верхнего критического значения, определим по формуле:
(
Рс (X > Хв ) = Ф*
X -м
с1
(7)
*с1 У
Вероятность того, что значения диагностических признаков неисправных узлов при диагностировании с частотой вращения щ окажутся в зоне неопределенности, определим по формуле:
(
Р1 (Хн < X < Хъ ) = Ф*
-м
а 1
Л
а а 1
(
-Ф
Хн -м а 1 а а 1
л
(8)
Вероятность того, что значения диагностических признаков исправных узлов при диагностировании с частотой вращения щ окажутся в зоне неопределенности, рассчитаем по формуле:
(
Рс (Хн < X < Хв ) = Ф*
Х„ -м.
с 1
Л
-Ф
>с1 у
^Хн -мс ^
>с1 у
(9)
Ошибку пропуска дефекта при двух испытаниях с учетом зоны неопределенности определим по формуле:
еПЗ = Р/ (Х < Хн) + Р, (Хн < Х < Хв ) X 0пД (Хкр2 ).
(10)
Ошибку ложной тревоги при двух испытаниях с учетом зоны неопределенности вычислим по формуле:
Опт = Рс (Х > Хв ) + Рс (Хн < Х < Хв ) X елт (Хкр2).
(11)
Как следует из формул (10), (11), изменяя значения границ зоны неопределенности (верхнего и нижнего критических значений диагностических признаков), можно изменять величину ошибки пропуска дефекта и ложной тревоги.
Нижнее и верхнее критические значения диагностического признака будем изменять в следующих пределах:
Хн < Хкр < Хв;
<МС <Хн <Мс + кс-ас; Ма -ка< Хв <Ма-
(12)
где кс и ка - число стандартного отклонений распределения диагностического признака для исправных и неисправных объектов.
График изменения ошибки пропуска дефекта от изменения границ зоны неопределенности (верхнего и нижнего критических значений виброускорения буксы) приведен на рисунке 2.
Как видно из рисунка 2, увеличение зоны неопределенности (уменьшение нижнего критического значения и увеличение верхнего критического значения) при проведении испытаний на базовой частоте вращения снижает ошибку пропуска дефекта примерно в пять раз (с 2,8 до 0,5 %), что обеспечивает существенное сокращение количества неисправных
V
36 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 4(24) 2015
= _
узлов, выпущенных в эксплуатацию, практически исключая тем самым внеплановые ремонты и перебои в поездной работе.
Рисунок 2 - График изменения ошибки пропуска дефекта от изменения верхней и нижней границы
зоны неопределенности
График изменения ошибки ложной тревоги от изменения границ зоны неопределенности (верхнего и нижнего критических значений виброускорения буксы) приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 - График изменения ошибки ложной тревоги от изменения верхней и нижней границы
зоны неопределенности
Как видно из рисунка 3, увеличение зоны неопределенности при проведении испытаний на базовой частоте вращения значительно снижает ошибку ложной тревоги с 2,7 до 0,02 %, что обеспечивает существенное сокращение количества неоправданных технических обслуживаний и ремонтов диагностируемых узлов, снижая затраты на эксплуатацию и предотвращая возможное ухудшение технического состояния диагностируемого узла.
График изменения вероятности безошибочного диагностирования от изменения границ зоны неопределенности, с учетом диагностирования при двух скоростных режимах - базовой и повышенной частоте вращения колесной пары - приведен на рисунке 4.
№ 4(24) 2015
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 37
Как видно из рисунка 4, увеличение зоны неопределенности повышает вероятность безошибочного диагностирования (достоверность) с 94,5 до 99,6 %, т. е. применение предложенного способа гарантирует повышение безопасности и бесперебойности перевозочного процесса.
Рисунок 4 - График изменения вероятности безошибочного диагностирования от изменения верхней и нижней границ зоны неопределенности
На основании изложенного можно сделать выводы:
предложенный способ диагностирования обеспечивает объективную оценку технического состояния подшипниковых узлов КМБ электропоездов за счет повышения достоверности диагностирования;
применение предлагаемого способа позволяет значительно сократить объем работ по обслуживанию и ремонту;
предложенный способ пригоден для диагностирования любых подшипниковых узлов.
Список литературы
1. Костюков, В. Н. Исследование вибрации подшипниковых узлов подвижного состава при изменении частоты вращения [Текст] / В. Н. Костюков, А. В. Зайцев, В. В. Басакин // Материалы всерос. науч.-техн. конф. «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. -С. 92 - 97.
2. Зайцев, А. В. Исследование зависимости величины вибропараметров подшипника от частоты вращения [Текст] / А. В. Зайцев, В. В. Басакин, А. О. Тетерин // Материалы региональной науч.-практ. конф. «Наука, образование, бизнес» / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2013. - С. 110 - 112.
3. Веденяпин, Г. В. Общая методика экспериментальных исследований и обработки опытных данных [Текст] / Г. В. Веденяпин. - М.: Колос, 1973. - 199 с.
4. Надежность информационных систем: Учебное пособие [Текст] / Ставропольский аграрный ун-т. - Ставрополь, 2013. - 150 с.
5. Биргер, И. А. Техническая диагностика [Текст] / И. А. Биргер. - М.: Машиностроение, 1978. - 240 с.
6. Фундаментальные проблемы теории точности [Текст] / Под ред. В. П. Булатова, И. Г. Фридлендера. - СПб: Наука, 2001. - 504 с.
38 ИЗВЬС1ИЯ 1 ранссиЪа- № 4(24) 2015
- 1
7. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2005. - С. 26 - 34.
8. Пат. 2547947 Российская Федерация, МКП G 01 M 15/00, G 01 M 17/10. Способ диагностики технического состояния роторных агрегатов [Текст] / Костюков В. Н., Костюков А. В., Казарин Д. В., Зайцев А. В.; заявитель и патентообладатель ООО НПЦ «Динамика». - № 2014100085/11; заявл. 03.03.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл. № 10.
9. Зайцев, А. В. Повышение достоверности вибродиагностирования роторных агрегатов [Текст] / А. В. Зайцев, А. В. Костюков, Д. В. Казарин // Тезисы докладов XX всерос. науч.-техн. конф. по неразрушающему контролю и технической диагностике. - М.: Спектр, 2014. -С. 355 - 357.
References
1. Kostyukov V. N. Study of vibration rolling bearing assemblies when changing speed [Issle-dovanie vibratsii podshipnikovyih uzlov podvizhnogo sostava pri izmenenii chastotyi vrascheniya]. Materialy vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Ekspluatatsionnaia nadezhnost' loko-motivnogo parka i povyshenie effektivnosti tiagi poezdov» (Proceedings of the scientific-technical conference «The operational reliability of the locomotive fleet and improving the efficiency of traction trains»). - Omsk, 2012, pp. 92 - 97.
2. Zaitsev A. V. Study of the dependence of vibration parameters bearing on the rotation speed [Issledovanie zavisimosti velichinyi vibroparametrov podshipnika ot chastotyi vrascheniya]. Materialy regional'noi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Nauka, obrazovanie, biznes» (Materials of regional scientific-practical conference «Science, education and business»). - Omsk, 2013, pp. 110 -112.
3. Vedenyapin G. V. Obschaya metodika eksperimentalnyih issledovaniy i obrabotki opyitnyih dannyih (General Procedure for pilot studies and experimental data processing). Moscow: Kolos, 1973, 199 p.
4. Nadezhnost informatsionnyih sistem: uchebnoe posobie po distsipline dlya studentov vseh form obucheniya (Reliability of information systems: a manual on discipline for students of all study modes). Stavropol, 2013, 150 p.
5. Birger I. A. Tehnicheskaya diagnostika (Technical diagnostics). Moscow,1978, 240.p.
6. Fundamentalnyie problemyi teorii tochnosti (The fundamental problems of the theory of precision). Saint-Petersburg, 2001, 504 p.
7. Tehnicheskaya diagnostika. Terminyi i opredeleniya GOST 20911-89 (Technical diagnostics. Terms and Definitions, State Standart 20911-89). Moscow, 2005, pp. 26 - 34
8. Kostiukov V. N., Kostiukov A. V., Kazarin D. V., Zaitsev A. V. Patent RU2547947 G 01M 15/00, 10.04.2015.
9. Zaitsev A. V. Increasing the reliability of rotor units [Povyishenie dostovernosti vibrodiag-nostirovaniya rotornyih agregatov]. Tezisy dokladov XX Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii po nerazrushaiushchemu kontroliu i tekhnicheskoi diagnostike (Abstracts of the V All-Russian Scientific and Technical Conference on Non-Destructive Testing and Technical Diagnostics). - Moscow, 2014, pp. 355 - 357.
УДК 620.192.64: 543.423.1
А. А. Кузнецов, А. А. Рауба, В. В. Дюндин
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ АЭС СПЕКТРОМЕТРИИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ КОНТРОЛЕ ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
Работа посвящена исследованию связи изменения параметров спектрального излучения рельсовой стали, полученных методом атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) в среде аргона на эмиссионном спектрометре
№ 4(24) оли с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 39
2015 1
