CC BY
58• техника формирования уплотненных штабелей;
• эксплутационный надзор за штабелями;
• подготовка штабеля к поздне-осеннему периоду продления навигации;
• смерзание навалочных грузов в штабелях и разработка профилактических мероприятий по предотвращению смерзаемости грузов;
• зимние профилактические мероприятия;
• технология разборки штабелей со смерзшимися грузами.
- нсок литературы
1 Лапшин А. В. Перегрузка навалочных материалов на складах портов при отрицательных
;ратурах: Дис...канд. техн. наук. - Нижний Новгород, 2002 - 172 с. 1 :;кодельцев А. С. Определение эффективности применения вибрационного грейфера с ак-г :ятором энергии для перегрузки сыпучих материалов при отрицательных температурах: 1-: канд. техн. наук. - Нижний Новгород, 2002 - 172 с.
TECHNIQUE AND ORGANISATION OF STOREHOUSE OPERATIONS IN THE CONDITIONS OF NEGATIVE TEMPERATURES
A. N. Bogdanov
Various technological processes at storehouse operations at negative temperatures are considered in the article.
УДК 625.032.435.001.42:681.322-181.4
-l J. Звягин, д. m. п., профессор, ВГАВТ.
- 03950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 а, e-mail: [email protected] О. Ваганов, д. т. н., директор. Н. Григорьев, к. т. н., ООО «ДиатехНН». ■ .'3132, Нижний Новгород, пр. Ленина, ЗОг, e-mail: vaganov @.diatehnn.ru
ВИБРОДИАГНОСТИКА КОЛЕСНЫХ ПАР ВАГОНОВ С КАССЕТНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ
В статье рассматриваются принципы создания стенда для вибродиагностики колесных пар вагонов, имеющих кассетные подшипники и некоторые результаты их вибродиагностики. Приводятся спектры ускорений, полученные с букс колесной пары.
В 2003 году на Волжском подшипниковом заводе был разработан буксовый кас-;ггный подшипник типа TBU 130, обеспечивающий грузоподъемность вагона не ме--ее 245-264,6 кН на ось, в отличие от имевшихся 230,3 кН, а так же имеющий за счет ;зоей конструкции повышенные показатели надежности.
К важнейшей особенности буксового кассетного подшипника следует отнести Гезразборность его конструкции. Поэтому, на ремонтное предприятие кассетный г.одшипник поставляется в собранном виде, и после его монтажа на колесную пару у гемонтного персонала не имеется возможности, не разрушив сам подшипник, произвести визуальную оценку его технического состояния. В силу этого разработка системы неразрушающего контроля технического состояния буксовых кассетных подшипников является особенно актуальной. К концу 2006 года созрела необходимость в оснащении ремонтных предприятий компании РЖД новыми универсальными стендами
вибродиагностики буксовых подшипников как кассетного, так и «обычного» типа. т.к. в силу конструктивных особенностей кассетных подшипников старые стенды не обеспечивают необходимых для их диагностирования условий.
Отличительной особенностью конструкции радиалъно-упорных подшипников с коническими роликами кассетного типа ТВ и является способность воспринимать одновременно радиальные и осевые нагрузки. Их использование позволяет отказаться от применения упорных подшипников, усложняющих конструкцию и неудовлетворительно работающих при повышенных скоростях. Конструкция кассетного подшипника показана на рис. 1, а размеры различных типов кассетных подшипников приведены в таблице 1.
Рис. 1. Кассетный подшипник ТВШ30х230
Таблица 1
Ртмеры кассетных подшипников, применяющихся на ж. д. транспорте
Размеры, мм Условное обозначение подшипника Примечание
d О Т С L I d2
129,96 230 149,25 150 240 100 194 194 TBU 130 Букса высокоскоростного пасс, вагона
129,96 230 149,25 150 240 100 194 194 TBU 130/1
129,96 250 149,25 160 240 100 194 182 TBU 130 {250
129,96 250 149,25 156,8 23В 100 194 182 TBU 130 {250/3
150 250 175 175 272 112,5 222 222 TBU 150
150 250 160 160 255 104,8 222 222 TBU150X250X150 Букса гр. ваг.
Для диагностики кассетных подшипников в системе приняты следующие группы дефектов:
• повреждение сепаратора подшипника:
• дисбаланс колесной пары:
• дефекты тел качения подшипника.
• дефекты внутреннего кольца подшипника;
• дефекты тел качения подшипника;
• дефекты наружного кольца подшипника:
• повреждения поверхностей катания подшипника;
• недостаток смазки или плохое ее качество:
• повышенная вибрация подшипникового узла.
Лля выявления перечисленных дефектов при прокрутке кассетного подшипника нде необходимо создать определенные осевые и радиальные нагрузки. Их опре-„ .ние было произведено с помощью следующей методики.
Величина и направление нагрузки прикладываемой к подшипнику определяет на-—-ле или отсутствие в подшипнике такого эффекта как проскальзывание роликов. *.:•: че этого, прикладывание к подшипнику нагрузки позволяет «выбрать» имеющийся —кдого подшипника зазор и обеспечить соприкосновение контролируемых поверх--:<:тей качения подшипника. Так для роликовых радиальных подшипников при вели--- : радиальной нагрузки свыше 1500 Н пракгически исключается проскальзывание. 1 ? кассетных подшипников в силу их конструктивной особенности для исключения -: :скта проскальзывания и «выбора» зазора необходимо приложить осевую нагрузку.
На рисунке 2 изображен стенд вращения колесной пары СВБП-01НМ. На стенде греется возможность вращения колесной пары без осевой нагрузки и с осевой на-- 1кой приложенной снаружи или изнутри. При этом, независимо от наличия осевой -грузки букса всегда имеет радиальную нагрузку около 7500 Н. обусловленную соб-—генным весом колесной пары. Для контроля величины приложенной осевой нагруз-а ггенд оборудован манометром. Изменение величины приложенного давления проводится с помощью установленного на стенде пневматического преобразователя в г-^пазоне от 0 до 5 атмосфер. Соответствие показаний манометра приложенной к : лштнику осевой нагрузки приведено в таблице 2.
Рис. 2. Схема стенда и направления нагрузки БП Л - буксовый подшипник левый; БП II - буксовый подшипник правый.
Нагрузка изнутри
Таблица 2
Соответствие нагрузки показаниям манометра
Показания манометра, КПа 196,2 245,3 294,3 392,4 441,5 490,5
Усилие в цилиндре. Н 3695 4606 5537 7389 8330 9212
Нагрузка на подшипник. Н (с учетом рычажной системы) 7389 9212 11074 14778 16660 18424
На рис. 3 изображен стенд вращения колесных пар пассажирских вагонов с кассетными подшипниками СВБП-01НМ, а его параметры приведены в таблице 3.
Рис. 3. Стенд для вибродиагностики колесных пар вагонов
Таблица 3
Параметры стенда
- система управления полуавтомат
- привод рабочих органов стенда пневматика
- частота вращения, об/мин 280
- габариты, мм 2576*870*900
- масса, кг 950
- мощность, кВт 4,5
- напряжение питания, В 380
- осевая нагрузка на каждую буксу, кН до 14,7
- количество датчиков вибрации 2
- производительность, кассетных КП / час 10
- производительность, обычных КП / час 20
Для исследования влияния направления нагрузки на обнаружение дефектов использовалась колесная пара с осевым пропилом шириной 1мм нанесенным на поверхности наружного кольца наружной половинки кассетного подшипника. На рис. 4 изображены спектры огибающей, полученные при вращении колесной пары с буксовым кассетным подшипником, имеющим пропил на наружном кольце наружной половины подшипника для случаев, когда осевая нагрузка приложена «снаружи» и когда осевая нагрузка отсутствует. Рн - частота перекатывания роликов по наружному кольцу. При этом видно, что при отсутствии осевой нагрузки осевой зазор в подшипнике не выбран и исследуемая половинка подшипника фактически «не работает». И, наоборот, при включении осевой нагрузки «снаружи» зазор «выбирается» и ролики начинают
— :.-зтываться по пропилу на наружном кольце. В спектре огибающей, появляется : и гармонических составляющих с частотой перекатывания роликов по наружному «ельцу.
0,014 0,013 0,012 „0.011 0.01 0,009 оОДЙ §0,007 §0,006 о 0,005 ^0,004 0,003 0,002 0,001
0 20 40 60 80 1 00
X: Частота (Гц)
Рис. 4. Спектр огибающей при нагрузке снаружи и ее отсутствии
На рис. 5 приведены спектры огибающей, полученные при вращении той же самой колесной пары для случаев, когда осевая нагрузка приложена «изнутри», и когда :-;евая нагрузка отсутствует. Видно, что спектры подобны друг другу, в смысле от-:>тствия ряда гармоник Рн.
< : мл ■■ '
0,014
0,012
^ 0.01 1
"©0,008
§■0,006 X
>0,004
V
0,002 0,0
0 20 40 60 80 100
X: Частота (Гц)
Рис. 5. Спектр огибающей при нагрузке изнутри и ее отсутствии
Из вышеприведенных фактов следует что, «просто» осевой нагрузки недостаточно, нагрузка должна быть приложена в «правильном» направлении. Т.к. кассетный подшипник конструктивно состоит фактически из двух подшипников, то при приложении нагрузки «снаружи» «работают» внешние части подшипников и, соответственно, при подаче нагрузки «изнутри» нагруженными оказываются внутренние половинки подшипников. Таким образом, для полноценной вибродиагностики кассетных подшипников стендовое оборудование должно обеспечивать возможность вращения колесной пары при двух режимах осевого нагружения - «снаружи» и «изнутри».
Определение величины нагрузки необходимой для исключения проскальзывания наиболее просто определить по отклонению фактической частоты вращения сепаратора от частоты рассчитанной теоретически. Использовать тахометр для определения частоты вращения сепаратора кассетного невозможно в силу безразборной конструкции подшипника, к тому же величина погрешности выпускаемой промышленностью
при осевой нагрузке изнутри .....................\......без нагрузки.........
тахометров обычно не менее 1 %, что не позволяет достаточно точно определить пороговое значение нагрузки необходимое для исключения явления проскальзывания.
Для определения порога величины осевой нагрузки кассетных подшипников предложен метод мониторинга зависимости частоты вращения сепаратора (или связанной с ней частоты перекатывания роликов по наружному кольцу) от величины, прикладываемой осевой нагрузки. Предлагаемый метод годится для подшипников любой конструкции, отличие будет только в направлении определяемой величины нагрузки - осевая или радиальная.
Для расчета нужно иметь специально подготовленный подшипник с осевым пропилом, нанесенным либо на поверхности ролика, либо на поверхности наружного кольца, т.к. частоты дефектов именно этих элементов напрямую связаны с частотой вращения сепаратора. На кассетном подшипнике наиболее удобно нанести пропил на наружном кольце. Для проведения мониторинга частоты производится регистрация сигнала виброускорения и расчет спектра огибающей. При недостаточной величине приложенной нагрузки в спектре огибающей частота перекатывания роликов по наружному кольцу Рн и ее гармоники будут либо вовсе отсутствовать, либо будет присутствовать ряд частот, имеющий отрицательное смещение по частоте относительно теоретически рассчитанного ряда (см. рис. 4 и 5). Первое соответствует случаю, когда нагрузки недостаточно, чтобы «выбрать» осевой зазор и ролики просто не прокатываются по наружному кольцу. Второе, когда приложенной нагрузки недостаточно, чтобы исключить эффект проскальзывания роликов и сепаратор вращается с частотой ниже теоретически рассчитанной.
На рис. 6 и 7 приведены спектры огибающей для случая с проскальзыванием (нагрузка менее 588 кПа.) и без проскапьзывания (нагрузка выше 588 кПа.) соответственно. Маркерами обозначены теоретически рассчитанные значения частот.
0,08 ~0,07
1го,об §0,05 §0,04
|о.оз ^0,02 0,01
Щ:
1
щжфбя^вш^к
их
20
40
60
80 100 X: Частота(Гц)
120
140
180
Рис. 6. Спектр огибающей с проскальзыванием.
ЩЪ
ь
"ГзгаТ
■А
20
40
60
X: Частота (Гц)
80
100
120
Рис. 7. Спектр огибающей без проскальзывания
Вышеописанный метод позволил определить значение минимальной необходимой величины осевой нагрузки в 588 кПа. При данной величине нагрузки частота пе-:-гкатывания роликов по наружному кольцу Рн становится равной 35,58 Гц, что соответствует теоретически рассчитанному значению.
В таблице 4 приведены результаты изменения частоты Б» от величины приложен-зого к подшипнику осевого давления с учетом увеличения силы с помощью рычаж-эой системы (в 2 раза).
Таблица 4
Нагрузка (кПа) F„, (Гц) Примечания
<392 нет В спектре огибающей сигнала нет ряда кР„
392 33,02
490 33,37
539 33,69
548,8 35,16
568,4 35,47
588 35,58 Момент выхода на теоретически рассчитанное значение И»
607,6 35,58
882 35,58
980 35,58
Дефекты, возникающие при изготовлении, монтаже и эксплуатации кассетных подшипников в составе колесной пары, могут оказывать влияние практически на все составляющие вибрации, имеющие разную природу возбуждения. Небольшие и зарождающиеся дефекты в первую очередь, влияют на свойства сил трения в подшипнике и возбуждаемую ими высокочастотную случайную вибрацию подшипникового узла. При появлении многих видов дефектов (например, «свежих» трещин) в результате контакта дефектных участков одних поверхностей с другими поверхностями трения качения могут возникать короткие импульсы, возбуждающие вибрацию подшипникового узла в широкой области частот. Наиболее эффективный метод исследования свойств этой вибрации (для данной группы дефектов) - спектральный анализ ее огибающей. При значительном износе поверхностей качения из-за их неровностей возникает низкочастотная вибрация. Эффективно исследовать свойства этой вибрации можно методами спектрального анализа.
Работа подшипника при наличии в нем дефекта может оказывать влияние на вибрацию и модулирующие ее процессы со следующими основными частотами:
• частота вращения оси колесной пары f„p.;
• частота вращения сепаратора относительно наружного кольца fc= '/2%(l-<Wdc * cosa),
где d™ - диаметр тел качения, dc = Vi (d„ +d„)- диаметр сепаратора, d„ - диаметр наружного кольца, d„ - диаметр внутреннего кольца, а - угол контакта дорожек и тел качения;
• частота перекатывания тел качения по наружному кольцу f„ = fc * z, где z - число тел качения;
• частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу fB = (f^ - fc);
• частота вращения тел качения относительно поверхности колец
• f-* = ('/2*fBp. de/cU (l-d2«/d2c * cos2a).
В таблице 5 приведены результаты расчетов основных частот для исследуемого типа подшипника для частоты вращения оси колесной пары 275 об./мин.
Таблица 5
Параметр Величина
с!тк - диаметр тел качения (мм). 24,5
г - число тел качения 18,0
п - число оборотов ротора в минуту 275,0
Частота вращения оси КП Гвр = п/60, с"1 4,58
Частота вращения сепаратора: с"1 1,98
Частота вращения тел качения: (тк, с"1 16,45
Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу: Сн, с'1 35,61
Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу: Гв, с'1 46,89
При изготовлении подшипника необходимо выделить следующие дефекты, влияющие на его вибрацию:
• неровности поверхности трения наружного кольца;
• неровности поверхности трения внутреннего кольца;
• неровности поверхностей трения тел качения;
• разноразмерность тел качения;
• дефекты смазки.
При монтаже подшипника в буксе можно выделить следующие дефекты:
• перекос внутреннего кольца;
• проскальзывание кольца в посадочном месте;
• повышенный неоднородный радиальный или осевой натяг подшипника.
В процессе эксплуатации колесной пары в подшипнике возникают следующие дефекты, обнаруживаемые по вибрации:
• износ наружного кольца;
• раковины, трещины на наружном кольце;
• износ внутреннего кольца.
• раковины трещины на наружном кольце;
• износ тел качения; "
• сколы, трещины на телах качения;
• износ, трещины на сепараторе;
• дефекты смазки.
Все перечисленные дефекты объединены в выше перечисленные группы, которые включены перечень дефектов, определяемых системой вибродиагностики ОМСД-02.
Для обнаружения и идентификации дефектов кассетных подшипников в системе вибродиагностики (ЖСД-02 реализованы методы узкополосного спектрального анализа вибрации и огибающей ее высокочастотной составляющей. Методы анализа прямого спектра ориентированы в первую очередь на выявление повреждений поверхностей качения распределенного типа - коррозия, износ, шелушения, а так же дефектов смазки и развитых дефектов сосредоточенного типа - раковин и трещин. При анализе спектра огибающей высокочастотной составляющей вибрации основное внимание уделено дефектам сосредоточенного типа на всех стадиях развития - от зарождающегося до пре-даварийного. К особенностям использования данных методов следует отнести необходимости обеспечения стабильности частоты вращения от измерения к измерению не
г к; =10% отклонения от номинала (280 об./мин.). Дополнительно системой произво-■гса оценка состояния подшипников по параметрам СКЗ и эксцесса. Дополнительные ща£*етры позволяют производить оценку технического состояния в случае невозмож-юсти обеспечения необходимой частоты вращения или в случае полного разрушения :.^ипника. Для этих обоих случаев характерно отсутствие или не совпадение основ-к частот вращения подшипника с расчетньши частотами.
В силу особенностей организации ремонта колесных пар на железных дорогах не-з-:^эжно отследить изменение вибрационных параметров колесной пары при прове-■жин очередного ремонта, так как она возможно на это же предприятие и стенд снова -г:« огда не попадет. В силу этого оценку технического состояния необходимо произ-■ шгь по однократному измерению вибрации. Различить все виды рассмотренных ъ=де дефектов по результатам однократного измерения вибрации крайне сложно, с эбенно в автоматическом реж1ше диагностики. Поэтому дефекты разделены на —• :пы с учетом особенностей их влияния на вибрацию. Число групп дефектов сни-• ктся за счет их объединения с группами дефектов имеющих схожие признаки по их тгсхвлению в спектре вибрации и спектре огибающей ее высокочастотной части.
На рис. 8 представлен состав аппаратуры и технологического оборудования приме-•язиегося в рамках решения поставленных задач. Для обработки полученных результату лрименялось программное обеспечение системы диагностики механизмов ОМСД-02.
Рис. 8. Состав системы вибродиагностики;
1,2- датчики вибрации АР-57; 3,4- усилители заряда; 5 - плата АЦП; б - ПК + программное обеспечение ОМСД - 02; 7 - монитор; 8 -ИБП; 9 - принтер.
Методика проведения испытаний буксовых узлов колесных пар с кассетными шидшииниками на стенде:
• диагностирование кассетных подшипников буксовых узлов колесных пар производилось на стенде вращения сформированной колесной пары с буксовыми узлами : использованием аппаратуры и программного обеспечения системы ОМСД-02;
• сформированная колесная пара с кассетными подшипниками устанавливалась за макет стенда вращения колесной пары;
• включалось питание стенда, и после достижения необходимого числа оборотов (290 об/мин) колесная пара переводилась в режим выбега и при достижении часто™ ¿ращения значения 280 об/мин автоматически производилась запись сигнала для правой и левой сторон колесной пары одновременно в течении 7,87 секунды с частотой 33333 Гц. С учетом падения частоты вращения оси колесной пары за время измерения средняя частота вращения составила 275 об/мин;
• сигналы с правой и левой сторон колесной пары подвергались оцифровке с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Ь761 записывались в память компьютера. Обработка экспериментальных результатов велась программным обеспечением системы ОМСД-02;
На рис. 9 представлен алгоритм работы системы вибродиагностики.
С Регистрация сигнала
1 1
Полосовая фильтрация Оконное сглаживание и рассчет спектра Вычисление СКЗ. Эксцесса
Расчет огибающей и ее спектра (преобразование Гильберта)
_ Анализ и сравнение с порогами
Поиск, анализ и интерпретация гармонических рядов в спектре огибающей / 1 > Диагноз V У
Рис. 9. Схема алгоритма системы вибридиагностики
На рисунках 10-14 приведены примеры сигналов и спектров, измеренных с помощью системы ОМСД-02 для бездефектной колесной пары № 00741574 с кассетными подшипниками типа ТВЬ1130x230.
Рис. 10. Вид процесса колебании
0,008 0,007 ь 0.006 0,005 1,004 "0,003
0,001
1 ООО 2000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000
X Частоте (Гц)
Рис. 11. Спектр колебаний
Спектр огибающей усредненный (фильтр; 3- 4 кГц.)
0,0035
2 ода
0,0015 0,001 >■0,0005 0.0
Рис. 12. Спектр огибающей
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Номера диапазонов
£3 ■ 19 ■ Измеренные
Рис. 13. Пороги ускорений для каждого диапазонаспеетра
Рис. 14. Пороги для СКЗ и эксцесса
На рисунках 15-19 приведены примеры сигналов и спектров измеренных с помощью системы (ЭМСД-02 для колесной пары №0074638 с кассетными подшипниками типа ТВШ 30x230 с сильным дефектом наружного кольца правого подшипника.
0 200 400 600 000 1 ООО
X: Чвстотв (Гц)
Рис. 15. Процесс колебаний буксы, содержащей кассетный подшипник с сильным дефектом
X: Частот» (ГЦ)
Рис. 16. Спектр процесса колебаний подшипника с дефектом
Спектр огибающей усредненный (фильтр: 3 - 4 кГц.)
А,«\||А и , » 1*1 .и, 1п| а* »Ъцг«»......
200 <00 6С0 600 1 ООО
х- Частот» (Гц)
Рис. 17. Спектр огибающей спектра с дефектом
Р Ш ^ ■ Измеренные
Рис. 18. Пороги с наложенными амплитудами, полученными при проведении вибродиагностики
Эксцесс
№ ¡3 С ■ Измерен*,»
Рис. 19. Пороги с измеренными амплитудами
Стенды для диагностики вагонных колесных пар с кассетными подшипниками ус--зновлены в ряде вагонных депо и продолжают устанавливаться по всей сети РЖД.
VIBRODIAGNOSTICS OF WHEEL PAIRS OF COACHES WITH CASSETTE BEARINGS
A. D. Zvyagin, A. O. Vaganov, A. N. Grigoriev
The principles of stand creation for vibrodiagnostics of wheel pairs of the coaches having cassette bearings and some results of their vibrodiagnostics are considered in the article. The accelerations spectrum received from axle boxes of wheel pair arc given.
