Тенденции развития систем акустико-эмиссионной диагностики подшипниковых узлов локомотивов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Библиографический список

1. Особенности построения электронных систем ослабления возбуждения / А. М. Евстафьев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2005. -№1. - С. 46-51.

2. Пути повышения эффективности электроподвижного состава / А. С. Маз-нёв, А. М. Евстафьев // Транспорт Урала. - 2005. - №4. - С. 28-31.

3. Устройство для регулирования скорости электроподвижного состава / А. С. Мазнёв, А. М. Евстафьев и др. // Патент на полезную модель №57212. -Бюл. №28. - 2006.

4. Многодвигательный электропривод / А. С. Мазнёв, А. М. Евстафьев и др. // Патент на полезную модель №60037. - Бюл. №1. - 2007.

УДК 629.4.027: 621.333 А. С. Мазнёв, Д. В. Федоров

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ ЛОКОМОТИВОВ

Выполнен анализ основных направлений и состояния систем акустико-эмиссионной (АЭ) диагностики подшипниковых узлов. Рассмотрены анализ применения АЭ-диагностики в базовых депо Октябрьской ж.-д. ОАО РЖД, а также структура, основные составляющие и экономический эффект бортовой системы диагностики. Представлен диагностический прибор нового поколения - анализатор ресурса подшипников (АРП-11).

диагностика, подшипник, ресурс.

Введение

ОАО «Российские железные дороги» в техническом, экономическом и социальном аспекте развития по значимости сопоставимо с такими отраслями, как электроэнергетика, нефтяная и газовая промышленность. Сотни локомотивных депо России представляют собой не только сложную структуру в плане управления, но и концентрацию особо ответственного оборудования, имеющего высокую мощность и стоимость. Вследствие сложности условий эксплуатации (значительные динамические воздействия, влияние внешних факторов, отсутствие доступа к узлам в момент движения и т. д.) и значительного износа парка подвижного состава основой повышения надежности эксплуатации является применение передовых разработок в области технической диагностики и их совершенствование.

1 Характеристика систем диагностирования

Из двух существующих систем диагностирования в локомотивном хозяйстве принято тестовое, а не функциональное, внедренное в передовых отраслях промышленного производства России.

Средства функционального диагностирования являются, как правило, встроенными и выполняют постоянный следящий контроль в режиме реального времени [1], [2].

Существующая система планово-предупредительного ремонта требует значительных затрат трудовых и финансовых ресурсов. Так, ежегодный простой одного электровоза на плановых видах ремонта составляет примерно 450 часов при затратах около 1,6 млн. руб. [2], [3].

Учитывая тенденцию роста заработной платы ремонтного персонала и рост стоимости материалов и запасных частей, в ближайшие годы следует ожидать удорожания себестоимости обслуживания и ремонта локомотивов в 1,3-1,6 раза.

2 Бортовые системы диагностики

Альтернативным вариантом является внедрение на новых модернизируемых локомотивах бортовых систем контроля оборудования.

Подшипниковые узлы, применяемые на подвижном составе, являются ответственными элементами, от технического состояния которых непосредственно зависит надежность локомотива и безопасность движения, поэтому внедрение бортовой системы контроля является приоритетной задачей, так как она позволит получать полную информацию о состоянии подшипниковых узлов в процессе движения локомотива, следить за уровнем и развитием дефектов, формировать рекомендации локомотивным и ремонтным бригадам о необходимых мероприятиях по обслуживанию и ревизии

[3], [4].

Структурная схема бортовой системы диагностики представлена на рисунке 1 и включает в себя следующие элементы:

1) анализирующий блок, предназначенный для обработки и анализа данных, получаемых с датчиков, формирует информацию о состоянии подшипников и управляет системой в целом;

2) пъезоэлектрические датчики, предназначенные для получения информации о состоянии контролируемых узлов. Датчики устанавливаются непосредственно на корпусе (или крышке узла) подшипников и связываются с анализирующим блоком при помощи экранированных кабелей, помещенных в защитный рукав;

3) блок индикации, предназначенный для отображения текущей информации о состоянии подшипниковых узлов и сигнализации о возникающих неисправностях и необходимых мероприятиях;

4) модуль энергонезависимой памяти, обеспечивающий сохранение данных о текущем техническом состоянии контролируемых элементов с целью последующей обработки их программными средствами и статистическими функциями вероятностного ресурса.

Ежегодный экономический эффект от внедрения бортовых систем контроля на один локомотив составляет около 800 тыс.руб. при снижении трудозатрат на ремонт в 1,5-2,0 раза и сокращении времени простоя локомотива на 30-40 %.

ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИКИ

Подшипниковые узлы колесных пар, тяговых редукторов, тяговых двигателей

ОТОБРАЖЕНИЕ ТЕКУЩЕЙ И АВАРИЙНОЙ ИНФОРМАЦИИ

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ДАТЧИКИ

Датчик скорости движения

Пьезоэлектрически) акустико-эмиссионные датчики

Цветной графический дисплей

НАКОПЛЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ДАННЫХ

Рис. 1. Структура бортовой системы диагностики подшипниковых узлов локомотивов

3 Анализ применения систем акустико-эмиссионной диагностики

Наряду с внедрением систем следящего контроля мостом при переходе к современным средствам диагностики может служить применение в условиях деповского ремонта переносных акустико-эмиссионных приборов ранней технической диагностики подшипниковых узлов ИРП-12 и АРП-11.

В таблице 1 приведен анализ результатов эксплуатации приборов аку-стико-эмиссионного контроля в базовых локомотивных депо Октябрьской ж. д. [5], [6].

До 70 % выявляемых дефектов связано со снижением эффективности смазочных составов (недостаток, наличие примесей, оводнение и т. д.). Данное обстоятельство позволяет провести несложные технологические мероприятия без выкаток и ревизий колесных пар, тем самым предотвратить отказы в эксплуатации на ранней стадии и существенно продлить ресурс узла [4], [5].

ТАБЛИЦА 1.Анализ результатов акустико-эмиссионной диагностики локомотивов

Отчетный период Январь 2003 г. - август 2006 г.

Серия локомотива Число продиагнос-тированных локомотивов Число выявленных при диагностике дефектов Число ложно определенных дефектных уровней Число невы-явленных дефектов Эффективность применения

ЧС 2Т 3760 295 5 3 97,3 %

ЧС 6, ЧС 200 1120 257 2 0 99,2 %

ВЛ 10 2865 245 7 4 95,7 %

ВЛ 15 1070 120 2 1 97,5 %

ВЛ 80 С 2540 256 5 3 96,9 %

ЭП 1 860 54 1 0 98,1 %

2 ТЭ 116 3870 247 8 3 95,7 %

М 62, 2 М62 3510 219 10 2 94,8 %

ТЭП 70 2190 170 7 4 93,9 %

ТЭМ 2, ТЭМ 7 3790 287 8 2 96,6 %

Итого 33320 2150 55 22 96,5 %

На рисунке 2 представлена зависимость между техническим состоянием узла и его ресурса от времени работы. Участки диаграммы характеризуют соответствующие состояния подшипникового узла [1], [4].

Точка Бо (Т=0) (ресурс узла 98-100%) - исходное состояние подшипникового узла; по данной точке оценивается качество монтажа нового подшипника.

Участок Бо-Ба (То-Та) (ресурс узла 98-65%) - устойчивая работа узла, начало зарождения поверхностных выкрашиваний и микротрещин, появление слабых дефектов смазок (наличие следов влаги или механических примесей).

Участок Ба-Ов (Та-Тв) (ресурс узла 65-40%) - развитие поверхностных выкрашиваний и микротрещин, недостаток или слабая загрязненность смазочных составов.

Участок Бв-Ос (Тв-Тс) (ресурс узла 40-15%) - развитие трещин, сколов, выкрашиваний на телах качения и беговых дорожках, износы перемычек сепараторов, выраженный недостаток или загрязненность смазочных составов.

Участок Бс-Оё (Тc-Тd) (эксплуатация узла недопустима) - наличие раковин на дорожках качения, образование трещин колец, недопустимые износы сепараторов, значительный недостаток смазок, сильная загрязненность смазочных составов.

Участок Бё-Ое (Тё-Те) (эксплуатация узла недопустима) - наличие крупных раковин, сколов, сквозных трещин, потеря свойств смазочных составов.

Вер

Ресурс узла, %

Рис. 2. Зависимость технического состояния подшипникового узла и его ресурса от

времени работы (линейного пробега)

Для проверки адекватности реального технического состояния подшипниковых узлов проведено сопоставление характеризующих значений параметров буксовых узлов вагонов Петербургского метрополитена и электровозов серии ЧС локомотивного депо Санкт-Петербург-Пассажирский Окт. ж. д. с их линейным пробегом. Результаты сведены соответственно в таблицы 2, 3.

Из сопоставления данных можно видеть, что показания диагностических приборов отражают фактический пробег узла и имеют зависимость, представленную функцией на рисунке 2. До 50 % узлов, имеющих пробег около 360 тыс. км, находятся в зоне устойчивой эксплуатации, что позволяет в перспективе выполнять агрегатную выкатку колесно-моторных блоков для производства ревизии и ремонта, при этом оставляя в работе исправные блоки, имеющие большой остаточный ресурс. Это позволяет сократить себестоимость ремонта на 20-30 % и снизить простои на ремонте в 1,3-1,5 раза.

ТАБЛИЦА 2. Результаты диагностирования буксовых узлов вагонов Петербургского

метрополитена

Номер вагона Пробег, тыс. км Показания диагностического прибора, ед.

КМБ 1 КМБ 2 КМБ 3 КМБ 4

Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая

6270 5 0,4 (А) 1,2 (А) 0,4 (А) 0,9 (А) 0,8 (А) 1,0 (А) 0,5 (А) 0,6 (А)

6271 5 0,4 (А) 0,6 (А) 0,6 (А) 1,2 (А) 1,3 (А) 1,0 (А) 0,5 (А) 4,6 (В)

6618 180 2,4 (А) 2,6 (А) 5,6 (А) 4,8 (А) 2,0 (А) 1,2 (А) 0,8 (А) 1,6 (А)

3934 180 0,9 (А) 1,1 (А) 1,3 (А) 2,0 (А) 6,9 (С) 4,6 (В) 1,5 (А) 6,0 (С)

6883 360 15,0 (Е) 6,0 (С) 4,4 (В) 2,1 (А) 8,4 (С) 9,0 (Е) 2,0 (А) 3,0 (А)

3718 360 1,0 (А) 7,9 (А) 7,7 (С) 4,7 (В) 4,9 (В) 7,8 (С) 14,7 (Е) 3,0 (А)

A Зона устойчивой работы подшипникового узла

B-C Зона допустимой эксплуатации

E-Д Эксплуатация недопустима

Пробег, тыс. км Устойчивая работа Допустимая эксплуатация Эксплуатация недопустима

5 94 % 6 % -

180 68 % 32 % -

360 31 % 50 % 19 %

ТАБЛИЦА 3. Результаты диагностирования буксовых узлов электровозов серии ЧС 2Т локомотивного депо Санкт-Петербург-Московский Октябрьской ж.д.

Номер электровоза Пробег, тыс. км Показания диагностического прибора, ед

КМБ 1 КМБ 2 КМБ 3 КМБ 4 КМБ 5 КМБ 6

Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая Букса правая Букса левая

1049 5 1,3 (А) 0,9 (А) 0,8 (А) 1,3 (А) 2,2 (А) 2,0 (А) 0,9 (А) 1,5 (А) 2,2 (А) 8,0 (В) 2,1 (А) 1,6 (А)

1020 5 1,0 (А) 2,9 (А) 1,3 (А) 1,0 (А) 2,0 (А) 1,5 (А) 1,6 (А) 1,0 (А) 2,0 (А) 1,5 (В) 2,0 (А) 1,4 (А)

1033 180 1,9 (А) 2,0 (А) 1,8 (А) 1,5 (А) 1,0 (А) 0,8 (А) 7,0 (А) 14 (С) 5,0 (А) 20 (С) 3,0 (А) 21 (С)

1045 180 9,5 (В) 9,0 (В) 13 (В) 6,0 (А) 5,5 (А) 4,8 (А) 7,7 (А) 18 (С) 22 (С) 5,0 (А) 6,7 (А) 8,0 (А)

987 360 18 (О 16 (О 7,0 (А) 7,5 (А) 6,5 (А) 22 (С) 4,3 (А) 2,6 (А) 6,8 (А) 4,0 (А) 20 (С) 19 (С)

1008 360 3,0 (А) 25 (Р) 20 (С) 18 (С) 21 (С) 5,5 (А) 5,7 (А) 3,2 (А) 3,6 (А) 5,0 (А) 4,8 (А) 20 (С)

A Зона устойчивой работы подшипникового узла

B-C Зона допустимой эксплуатации

E-Д Эксплуатация недопустима

Пробег, тыс. км Устойчивая работа Допустимая эксплуатация Эксплуатация недопустима

5 96 % 4 % -

180 67 % 33 % -

360 58 % 38 % 4 %

4 Анализатор ресурса подшипников АРП-11

Наряду с эксплуатацией прибора ИРП-12 в конце 2005 года был разработан и внедрен в систему деповского ремонта сборщик-анализатор нового поколения АРП-11, который в отличие от ИРП-12 имеет цифровую обработку сигнала, прогнозирование остаточного ресурса, автоматическое сохранение данных мониторинга с последующей передачей в базу данных ПК для детального анализа и формирования отчетов установленных форм. Внешний вид АРП-11 и техническая характеристика представлены соответственно на рисунке 3 и в таблице 4.

Рис. 3. Анализатор ресурса подшипников АРП-11

ТАБЛИЦА 4. Основные технические характеристики анализатора ресурса

подшипников АРП-11

№ п/п Наименование параметра Значение

1 Частотный диапазон 20-300 кГц

2 Объем памяти 0ЗУ-0,5 МБ ПЗУ-64 кБ

3 Напряжение питания 3,6 В

4 Время единичного измерения Не более 2 с

5 Время расчета технического состояния узла Не более 5 с

6 Диапазон частот вращения 1-100000 об/мин

7 Дисплей Монохромный 64x42 мм

8 Габаритные размеры прибора 227x70x37 мм

9 Масса прибора 0,45 кг

10 Интерфейс с ПК ЯБ 232

11 Рабочий диапазон температур -15°С... +65°С

Заключение

Проанализировав современное состояние и тенденции развития систем акустико-эмиссионной диагностики подшипниковых узлов можно заключить следующее.

1. Методика и реализующие ее приборные средства позволяют эффективно выполнять раннюю диагностику подшипниковых узлов с достоверностью до 96 %.

2. Опираясь на результаты диагностики, возможно построить системы ремонта по фактическому состоянию, при этом значительно сокращается себестоимость ремонта и время непроизводительного простоя.

3. Бортовая система диагностики является современным, комплексным решением вопросов повышения надежности эксплуатации локомотивного парка, обеспечения безопасности движения и сокращения эксплуатационных расходов.

Таким образом, совокупность технических, организационных и экономических мероприятий - ключ к совершенствованию передовых направлений диагностики и повышения качества ремонта.

Библиографический список

1. Состояние подшипника определит акустическая эмиссия / А. П. Зеленченко, Д. В. Федоров // Локомотив. - 2002. - № 7. - С. 25.

2. Комплексная оценка средств вибродиагностики / А. М. Кривной, А. Т. Осяев // Локомотив. - 2005. - № 1. - С. 28-31.

3. Акустико-эмиссионная диагностика для подшипниковых узлов / А. С. Мазнёв, Д. В. Федоров, В. С. Потапенко //Локомотив. - 2003. - №11. - С. 28-31.

4. Неразрушающий контроль и диагностика : справочник [В. В. Клюев и др.]. -М.: Машиностроение, 2003. - 656 с.

5. Определение эффективности смазочных составов подшипниковых узлов локомотивов методом акустической эмиссии / Д. В. Федоров // Дефектоскопия. - 2003. -№ 3. - С. 34-36.

6. Акустико-эмиссионный контроль технического состояния подшипниковых узлов локомотивов / Д. В. Федоров, В. С. Потапенко // В мире неразрушающего контроля. - 2003. - № 3. - С. 78-80.

7. ГОСТ 27655-88. Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 16 с.