CC BY
3
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
СООБЩЕНИЯ REPORTS
Сообщение
УДК 620.179.12:629.4.027 http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-3-80-83
Теоретические предпосылки виброакустической диагностики и анализа состояния подшипниковых
узлов электровозов
Н.Н. Чибинев, В.А. Лепихова
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,
г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Рассмотрены теоретические предпосылки по диагностике подшипников тяговых двигателей электровозов с использованием виброакустических методов. Предложена методика диагностики и прогноза подшипниковых узлов тяговых двигателей. Приведен план для дальнейшего проведения исследований по диагностике и повышению ресурсов узлов тяговых двигателей.
Ключевые слова: железнодорожный транспорт, магистральный электровоз, подшипниковый узел, виброакустическая диагностика, спектроанализатор, спектральный анализ
Для цитирования: Чибинев Н.Н., Лепихова В.А. Теоретические предпосылки виброакустической диагностики и анализа состояния подшипниковых узлов электровозов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 3. С. 80-83. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-3-80-83
Report
Theoretical prerequisites for vibroacoustic diagnostics and analysis of the condition of bearing units of electric locomotives
N.N. Chibinev, V.A. Lepikhova
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. Theoretical prerequisites for diagnosing bearings of traction motors of electric locomotives using vibroacoustic methods are considered. A technique for diagnosing and predicting bearing assemblies of traction motors is proposed. A plan for further research on diagnostics and increasing the resources of traction motor units is given.
Keywords: railway transport, mainline electric locomotive, bearing unit, vibroacoustic diagnostics, spectroanalyzer, spectral analysis
For citation: Chibinev N.N., Lepikhova V.A. Theoretical Prerequisites for Vibroacoustic Diagnostics and Analysis of the Condition of Bearing Units of Electric Locomotives. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2023;(3):80-83. (In Russ.). http://dx.doi.org/ 10.17213/1560-3644-2023-3-80-83
Введение
Железнодорожные составы с магистральными электровозами, движущиеся по российским железным дорогам, в настоящее время имеют особое стратегическое значение и играют
© ЮРГПУ(НПИ), 2023
первостепенную роль в российской экономике [1]. Чрезвычайные ситуации на железных дорогах возникают вследствие произошедших аварий и катастроф на железнодорожном транспорте, таких как сход с рельсов и опрокидывание
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
вагонов и цистерн, непосредственное столкновение поездов и наезд на другие транспортные средства. Одной из причин может быть выход из строя подшипников в двигателе электровоза [2].
Предлагается методика диагностики и прогноза подшипниковых узлов тяговых двигателей, где каждый якорный подшипник в двигателе при выпуске электровоза заводом-изготовителем должен снабжаться паспортом начального уровня шумов и спектрограммой. В процессе эксплуатации на электровозе он проверяется время от времени повторными замерами уровня шума и снятием текущей спектрограммы, которые сравниваются с «эталонными» характеристиками дефектов, полученными на стенде в лабораторных условиях для «типовых» повреждений подшипников.
Методы и результаты исследований
Контроль за техническим состоянием подшипниковых узлов требует времени, материальных затрат и замены деталей, вышедших из строя, часто уже вследствие первичной аварии других элементов [3]. Плановые предупредительные профилактические ремонты радикально не решают задачи, так как ухудшается регулировка ремонтируемых объектов и на время выводит весь электровоз из экономической цепи, кроме того, разборочный контроль, ухудшая приработку деталей и их юстировку, сокращает общий ресурс электровоза [4].
Виброакустическую диагностику и прогноз ресурсов целесообразно начинать уже в технологическом процессе изготовления тягового двигателя и электровоза в сборе, начиная от проверки комплектующих деталей и изделий до выпуска тягового двигателя и электровоза с завода, сопровождая каждый узел тягового двигателя выходными фактическими значениями паспортных параметров акустической эмиссии, продолжая хронологическое накопление этих данных в эксплуатационном периоде [5].
Поиск мест локализации дефектов в подшипниках осуществляется формированием и-мерного вектора из частот, кратных частоте попадания дефектов в зону контактов. Импульсная последовательность пульсации нагрузки g(t) типа ударных возмущений, возникающих при попадании локального дефекта в зону контакта или в моменты схватывания контактирующих поверхностей, вызывает отклик механической системы на собственной частоте дефектного
узла в виде осциллирующих затухающих колебаний типа амплитудно-импульсной модуляции [6]:
х (t ) = { h( t -t ') g (t ) dt ' о
0< t > t
1
x(t-t' ) .
\ / Çlt
h(t -t') = —e ' ^ sin ю (t -t7),
где h(t) - импульсная переходная функция системы; юс - собственная частота ос-
циллографа без трения; а = к/2ш - коэффици-
ент затухания; юp =J юС - а2
4
p v ^ резонансная частота демпфированной системы (рис. 1, 2).
Рис. 1. Отклик x(t) собственных колебаний системы на 5 импульсы
Fig. 1. The response of x(t) to the system's own oscillations to 5 impulses
Х
A
Q
Рис. 2. Возбуждающий 5 импульс Fig. 2. Exciting 5 impulse
Отклик системы на периодическую последовательность импульсов с частотой повторения дефекта О имеет спектр комбинационных частот юс ± кО с огибающей в форме резонансной кривой гармонического осциллятора.
При воздействии ударных импульсов на систему со степенями свободы откликаются все собственные частоты системы [7]. Однако такое явление наблюдается только в диапазоне частот до 1 -2 кГц. Чем выше собственная механическая частота узла механизма, тем избирательнее она к месту приложения ударного воздействия. Это затрудняет выделение из суммарного сигнала акустической эмиссии отдельных источников
ю
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
излучения1. По этой причине предложено суммарный акустический сигнал разлагать на составляющие с помощью аналоговых и цифровых спектроанализаторов. Предполагается, что каждый вид дефектов в диагностируемом объекте отличается особой формой амплитудно-частотного спектра. Однако замечено, что прямая интерпретация спектра дает противоречивые результаты и только специальные способы математической обработки спектрограмм позволяют выделить информацию о виде неисправности и месте её локализации в диагностируемом объекте.
Выводы
Для дальнейшего проведения исследований по диагностики и повышению ресурсов узлов тяговых двигателей [8, 9] необходимо решение следующих задач:
- выявление современных перспективных методик диагностики подшипниковых узлов, пригодных для тяговых двигателей электровозов;
- формулировка рабочих диагностических моделей для качественного описания и диагностики тяговых двигателей и установка диапазонов рабочих диагностических частот;
- выбор типа датчиков для виброакустической диагностики подшипниковых узлов;
- поиск гибких помехоустойчивых волноводов концентраторов энергии спектральной мощности звукового диапазона с целью проведения текущего экспресс-анализа состояния диагностируемых элементов в процессе эксплуатации на движущемся электровозе;
- формирование методики диагностики подшипниковых узлов тяговых двигателей с помощью индикаторов шума на движущемся электровозе;
- формирование схем методики для диагностики подшипниковых узлов тяговых двигателей с помощью спектроанализаторов аналогового типа и анализаторов на числовых интегральных микросхемах;
- разработка стенда для проверки методики виброакустической диагностики в лабораторных условиях;
- формирование рекомендаций по повышению надежности подшипниковых узлов тяговых двигателей с помощью аппаратурной диагностики.
Список источников
1. Транспорт в России. 2022: стат. сб. / Росстат, 2022. 101 с.
2. Асламова В. С. Фролова Е.Ю. Системный анализ причин возникновения пожаров на локомотивах ОАО "РЖД" // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018. № 4(60). С. 63-70. Б01 10.26731/1813-9108.2018.
3. Давыдов Ю.А., Пляскин А.К., Кушнирук А.С. Контроль фактического технического состояния локомотивов на основе мониторинга // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018, № 3(59). С. 38-47.
4. Техническая механика / В.Т. Батиенков [и др.]: М.: РИОР: ИНФРА-М, 2011. 257 с. (Серия Высшее образование).
5. Мазнёв А.С., Федоров Д.В. Тенденции развития систем акустико-эмиссионной диагностики подшипниковых узлов локомотивов // Изв. Петербургского ун-та путей сообщения (ПГУПС). 2007, № 1. С. 69-77.
6. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов: пер. с англ. М.: Мир, 1974. 463 с.
7. Ахмед Н., Рао К.Р. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. М.: Связь, 1980. 248 с.
8. Вяльцев А.В., Лепихова В.А, Ляшенко Н.В., Чибинев Н.Н. Пути снижения числа чрезвычайных ситуаций, связанных с пожарами на транспортных средствах // Безопасность жизнедеятельности. 2022, № 10(262). С. 30-35.
9. Лепихова В.А., Скринников Е.В., Вильбицкая Н.А., Рябоус А.Ю. Виброакустическая диагностика и прогноз остаточных ресурсов элементов машин с применением корреляционной теории случайных процессов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2019, № 3. С. 87-90.
References
1. Transport in Russia. 2022: Stat.sat. Rosstat. 2022. 101 p.
2. Aslamova V. S., Frolova E. Yu. System Analysis of the Causes of Fires on Locomotives of JSC "Russian Railways". Modern technologies. System analysis. Modeling. 2018; 60(4):63-70. (In Russ.) DOI 10.26731/1813-9108.2018.
3. Davydov Yu. A. Control of the Actual Technical Condition of Locomotives Based on Monitoring. Modern Technologies. System Analysis. Modeling. 2018; 59(3):38-47. (In Russ.)
4. Batienkov V.T. et al. Technical Mechanics. Moscow: Ser. Higher education; 2011. 257 p.
1 ГОСТ Р ИСО 12716-2009 Контроль неразрушающий. Акустическая эмиссия. Словарь. М.: Стандартинформ, 2019. 17 с.
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
5. Maznyov A. S., Fedorov D. V. Trends in the Development of Acoustic Emission Diagnostics Systems for Bearing Units of Locomotives. Izvestiya of the St. Petersburg University of Railway Engineering (PGUPS). 2007; (1):69-77. (In Russ.)
6. Bendat Dzh., Pirsol A. Measurement and Analysis of Random Processes. Trans. from English. Moscow: Mir; 1974. 463 p.
7. Ahmed N., Rao K.R. Orthogonal Transformations in Digital Signal Processing. Moscow: Svyaz'; 1980. 248 p.
8. Vyaltsev A.V. et al. Ways to Reduce the Number of Emergencies Associated with Fires on Vehicles. Life safety. 2022; 262(10):30-35. (In Russ.)
9. Lepihova V.A. et al. Vibroacoustic Diagnostics and Prediction of Residual Resources of Machine Elements Using the Correlation Theory of Random Processes. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki= Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region.Technical Sciences. 2019; (3):87-90. (In Russ.)
Сведения об авторах
Чибинев Николай Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Экология и промышленная безопасность», [email protected]
Лепихова Виктория Анатольевнав - канд. техн. наук, доцент кафедра «Экология и промышленная безопасность», [email protected]
Information about the authors
Nikolay N. Chibinev - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department «Ecology and Industrial Safety», [email protected]
Viktoriya A. Lepikhova - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department «Ecology and Industrial Safety», [email protected]
Статья поступила в редакцию /the article was submitted 25.04.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 11.05.2023; принята к публикации / acceptedfor publication 24.05.2023.
