CC BY
58
Вывод. Таким образом, проведенное исследование показало, что использование метода временных рядов позволяет его применять для краткосрочных прогнозов остаточного ресурса букс с приемлемой точностью. Несомненно, что при использовании двух и более диагностических признаков [3], точность прогноза возрастет.
Список литературы
1. Петухов, В.М. Буксовая диагностическая станция [Текст]/В.М.Петухов //Сб. научн. работ. - Донецк: ДонИЖТ, 2008.-Вып.13.-С. 96-101.
2. Бокс Дж. Анализ временных рядов. Прогноз и управление.Т1 [Текст]/ Бокс Дж., Дженкинс Г. - М.: Мир, 1974. - 406 с.
3. Петухов В.М. Аналiз температурних ознак розтзнавання несправних букс[Текст]/В.М.Петухов //Зб. наук.праць. - Харюв: УкрДАЗТ, 2009. - Вып.№107.-С.128-132.
УДК 629.4.06:621.822.614
Равлюк В.Г., ст. викладач (УкрДАЗТ)
В1БРОД1АГНОСТИКА ТА МЕТОДИ Д1АГНОСТУВАННЯ П1ДШИПНИК1В КОЧЕННЯ БУКСОВИХ ВУЗЛ1В ВАГОН1В
Вступ. Пщшипники кочення е найпоширешшим елементом конструкцп будь-якого роторного мехашзму й, у той же час, найбшьш вразливим елементом [1]. Пщшипники кочення здшснюють просторову фжсащю обертаючих колюних пар вагошв 1, отже, саме шдшипники сприймають бшьшу частину статичних { динам1чних зусиль, що передаються вщ вагона. Стан шдшипниюв кочення е найважлившою складовою техшчного стану буксового вузла вагона, вщ якого залежить справшсть та працездатшсть [2].
В1брод1агностика стану шдшипниюв кочення в наш час е одшею з найбшьш розвинених, розроблених областей в1брометри як у теоретичному плат, так { в плат практично! апаратурно! реал1заци.
В1брод1агностика шдшипниюв кочення е прекрасною шюстращею того, як можна д1агностувати один й той самий вузол р1зними методами, заснованими на р1зних в1брацшних процесах, що генеруються дефектами
цього вузла [1, 3, 4].
Найбшьш проста й дешева технолопя вiбродiагностики е перiодичний контроль штенсивност вiбращl буксових вузлiв з шдшипниками кочення, найпростiшими переносними вiброметрами. При цьому дiагностичними ознаками дефек^в служить рiвень iнтенсивностi вiбраци, сшввщношення мiж його значеннями в рiзних точках i змiна в чаш (тренд).
Трудношд дiагностування при цьому полягають в тому, що не юнуе надiйних ознак для щентифжаци конкретних дефектiв, крiм того, у рядi випадкiв при iстотному зростанш деяко! дiагностичноl шформативно! гармонiки вiбрацil загальний рiвень iнтенсивностi вiбращl може змшюватися несуттево. У той же час за рiвнем вiбращl й зростанням И в час в бшьшост випадкiв можна досить надшно квалiфiкувати стан буксового вузла вагона, який може бути, як справний так й несправний [5]. У деяких юнуючих при цьому дефек^в е ознаки, що дозволяють у певнш ситуаци встановити дефект як найбшьш iмовiрний.
Мета статтi - розглянути задачi та особливостi методiв вiбродiагностики, якi спрямованi на виявлення й щентифжащю несправностей буксових вузлiв вагонiв з пiдшипниками кочення, а також видшення переваг та недолтв того чи iншого метода.
1. Задачi та методи вiбродiагностики
Вiбродiагностика й мошторинг стану пiдшипникiв кочення дозволяе:
- уточнити причини дефекту й умови його виникнення та розвитку, а також ощнити фактори, що на це впливають;
- вчасно усунути дефект або збшьшити середнш наробггок шдшипниюв на прояв дефекту (вщмови);
- знизити штенсившсть прояву дефекту (вiдмови) при найбшьш вщповщальних режимах роботи й експлуатаци пiдшипникiв;
- полiпшити органiзацiю робгг з розробки й впровадження заходiв, спрямованих на усунення дефекту;
- ощнити ефектившсть заходiв, спрямованих на усунення дефекту i вибрати для впровадження найбшьш ефективш;
- отримати економiчний ефект завдяки зниженню витрат на впровадження заходiв, що запоб^ають виникненню дефектiв або усувають несправшсть, а також витрат виробництва на виготовлення деталей;
- ощнити можливий ефект вщ розроблених i впроваджених заходiв на раннiй стади, що е дуже важливо, тому що повний прояв ди цих заходiв залежить вiд наробiтку пiдшипникiв шсля !хнього впровадження.
Для вiбродiагностування ощнки технiчного стану буксових вузлiв
вагошв з шдшипниками кочення використовуються наступш методи [6]:
- метод П1К-фактора;
- метод прямого спектра;
- метод спектра обвщно!;
- метод ударних 1мпульЫв.
Нижче коротко викладений ф1зичний змют отримання в1брод1агностичних параметр1в кожним 1з цих метод1в.
2. Метод П1К-фактора
Якщо встановити акселерометр поблизу зовшшнього кшьця справного, добре змазаного шдшипника й подивитися на отриманий сигнал на осцилограф1, ми побачимо стацюнарний двохполярний сигнал шумового характеру, симетричний щодо тимчасово! оЫ, як це приблизно показано на рисунку 1, а.
Рисунок 1 - Вигляд часового сигналу в1браци шдшипника кочення
За допомогою простого в1брометра можна вим1рювати два параметри в1бросигналу:
- середньоквадратичне значення р1вня (СКЗ) в1брацп, тобто енерпю в1браци;
- шкову ампл1туду (П1К) в1браци (позитивний, негативний або повний розмах).
Будемо вим1рювати два цих параметри в процес експлуатаци шдшипниюв з1 звичайною перюдичшстю. 1з часом, у м1ру появи дефект1в на кшематичних вузлах шдшипниюв, у в1бросигнал1 почнуть з'являтися окрем1, коротк ампл1тудш шки, що вщповщають моментам з1ткнення дефекпв (рисунок 1, б). Надал1, з розвитком дефекту, спочатку збшьшуються амплггуди шюв, пот1м поступово збшьшуеться \ !хня кшьюсть (рисунок 1, в) - дефект починае „розноситися" по тдшипнику,
тобто з'явившись спочатку, наприклад, на одному з ролиюв, вiн створюе, зрештою, забошу на кiльцi, з нього вона переноситься на шший ролик, дефекти ролиюв починають виробляти сепаратор i т. д. до повного руйнування [2]. Якщо зобразити результати вимiрiв на графжу, ми побачимо залежност^ показанi на рисунку 2 П1К i СКЗ являють собою монотонш, неспадаючi функци однакового характеру, але якi змiшенi одна вщносно шшо! в часi. Спочатку, у мiру появи й розвитку дефекту, зростае функщя П1К, а СКЗ змшюеться дуже повiльно, оскiльки окрем^ дуже короткi амплiтуднi пiки практично не змшюють енергетичнi характеристики сигналу.
Надал^ у мiру збiльшення й юлькост пiкiв, починае вже вщповщно збiльшуватися енергiя сигналу, зростае СКЗ вiбрацil. Самi по собi функци П1К i СКЗ малоiнформативнi для дiагностики, внаслiдок свое! монотонностi. Але вщношення П1К/СКЗ, називаеться П1К-фактором, уже становить значний штерес, оскiльки ця функщя через тимчасове зрушення мiж П1К i СКЗ, мае явно виражений максимум на тимчасовш ос [4]. На цьому й грунтуеться метод П1К-фактора. Експериментально було встановлено, що момент проходу функци П1К-фактор через максимум вщповщае залишковому ресурсу шдшипника порядку 2 - 3 тижшв.
Основм характеристики коливальних процеав.
Розмах коливань — рiзниця мiж найбiльшим i найменшим значеннями коливально! величини в розглянутому iнтервалi часу (подвшна амплiтуда).
Пжове значення — визначаеться як найбшьше вiдхилення коливально! величини бд = \бдХ\.
Середньоарифметичне миттевих значень вiбрацu характеризуе загальну штенсившсть вiбрацil:
де т - поточне значення тимчасово! координати; Т - перюд вимiрювання.
Середньоквадратичне значення рiвня — квадратний коршь iз середнього арифметичного або середнього штегрального значення квадрата коливально! величини в розглянутому перiодi часу:
(1)
1 Т+д
о = ¿Л | 52 (т)ёт,
(2)
оА
Коефiцiент амплiтуди або П1К-фактор: Ё16 = —. Вiдношення ткового
оя
значення до середньоквадратичного. Шк-фактор характеризуе розвиток пошкодження. Значення П1К-фактора в початковому перiодi роботи буксового вузла вагона становлять 3...4. При зародженнi пошкоджень значення П1К-фактора збшьшуються до 10... 15. Збiльшення ступеню пошкоджень знижуе значення П1К-фактора до 3...4 (рисунок 2).
Рисунок 2 - Залежшсть параметрiв сигналу вiд часу
Для гармоншних коливань:
ё1д = 1,41; од = А; от = 0,637А; оЯё( = 0,707А . Основнi характеристики
коливальних процесiв зображенi на рисунку 3.
Основною перевагою даного метода е простота. Для його реалiзацi! потрiбний звичайний вiброметр загального рiвня, тобто найпростiший i дешевий вiбровимiрюючий прилад [1].
Основнi недолiки - слабка перешкодозахищешсть методу й необхщшсть проводити багаторазовi вимiри в процеЫ технiчного обслуговування i ремонту (ТОР). Справа в тому, що встановити датчик безпосередньо на зовшшньому кшьщ пiдшипника практично неможливо, тобто вш установлюеться десь на корпусi букси. Значить i сигнал вiбрацi! характеризуе не тшьки пiдшипник, але й iншi деталi буксового вузла що в цьому випадку можна розглядати як вiбрацiйнi перешкоди. I чим далi
встановлений датчик вщ шдшипника тим складшша кiнематика самого буксового вузла, тим менше вiрогiднiсть методу. Тому й використовувати цей метод, у першу чергу, доцшьно тод^ коли датчик можна розташувати поблизу до шдшипника й сама кшематика мехашзму проста.
Рисунок 3 - Характеристики коливальних процесiв
По-друге, для отримання достовiрноl оцiнки необхiдно багаторазово проводити вимiрювання при ТОР. Одержати ощнку стану по одному вимiрюваннi неможливо.
3. Метод прямого спектра
Повернемося до вiбрацiйних сигналiв, що показанi на рисунку 1. Т ж самi сигнали можна проаналiзувати не тiльки з погляду сшввщношення амплiтудних i енергетичних характеристик, але й з погляду перiодичностi появи амплггудних сплескiв. Саме на цьому й базуеться метод прямого спектра (рисунок 4). Вiбрацiйний сигнал аналiзуеться вузькосмуговим спектроаналiзатором i по частотному складi спектра можна iдентифiкувати виникнення й розвиток дефек^в пiдшипникiв кочення.
75-" ¡1
70- ср; _ Г Вр
О О 60-
8.47Гц 1 1
гэи АС _
•чэ 1 | 1 А
35- ¡1 д 1 -1 м 11 1 А
20 2 Гц к, У я и А^у1
ои -)Г _ 1 1 1 и,.. кип „У
л 1]
й I 411 г
I 10- ■ 1 1 /Ц/1 1 гГ
5-
0-
20 40 60 80 00 120 140 160 190 200 220 240 260 2В0 289 8
Частота, Гц
Рисунок 4 - Прямий спектр вiбращ!
Амплпудш сплески у вiбросигналi випливають не хаотично, а iз цiлком певною перiодичнiстю або частотою. Причому дефекту на кожному з елеменлв шдшипника (тiла кочення, дорiжки, сепаратор) вщповщають сво! частоти, якi однозначно прораховуються залежно вiд кiнематики пiдшипника й швидкост його обертання. Наявнiсть ^е! або шшо! дискретно! складово! в спек^ сигналу говорить про виникнення вщповщного дефекту пiдшипника, а амплггуда цiе! складово! - про глибину дефекту [5]. Це трохи спрощений шдхщ, оскiльки багато дефектiв у спек^ проявляються у виглядi не одше! частотно! складово!, а декшькох, але ми не будемо тут вдаватися в тонкост спектрального аналiзу складних сигналiв [3]. До розумшня сутi методу це мало що додасть.
Очевидно, що основних переваг у методу два:
- досить висока завадозахищешсть (малоймовiрна наявнiсть у буксовому вузлi джерел, що створюють вiбрацi! на тих же самих частотах, що й дефекти шдшипника);
- шформатившсть методу ютотно вище, нiж по методу П1К-фактора. Тому е можливють одержати диференцiйовану ощнку стану пiдшипника окремо по кожному його кшематичному вузлi, оскiльки вони генерують рiзнi частотнi ряди в спектрь
Недолiкiв, на жаль, теж, як мшмум, два:
- метод дорогий, будь-який самий простенький вузькосмуговий спектроаналiзатор коштуе надмiрно дорожче самого сучасного вiброметра;
- метод малочутливий до зароджуюючих й слабких дефеклв. Це пов'язане з тим, що шдшипник у переважнiй бiльшостi буксових вузлiв
вагошв, а також шших механiзмiв е дуже малопотужним джерелом вiбраци [6]. 1накше кажучи, невеликий вiдкол на ролику або дорiжцi не в змозi помiтно хитнути буксовий вузол вагону, щоб ми побачили цю частотну складову в спек^ вiбрацil. I тiльки при досить сильних дефектах ампл^уди цих частотних складових починають помiтно видiлятися над загальною шумовою частиною спектра.
Незважаючи на щ недолiки, метод використовуеться досить широко i дае гарнi результати.
4. Метод спектра обв1дно1
Вихщний вiбросигнал, залишаеться той самий, так що повернемося ще раз до рисунка 1. Звернемо увагу на те, що високочастотна, шумова частина сигналу змшюе свою ампл^уду в чаш, тобто вона модулюеться якимсь бшьш низькочастотним сигналом. Виявляеться, що саме в цьому модулюючому сигналi утримуеться й шформащя про стан шдшипника. Видшення й оброблення ще! iнформацii й становлять основу цього методу [3]. Експериментально було встановлено, що найкрашд результати цей метод дае в тому випадку, якщо аналiзувати модулящю не широкосмугового сигналу, що отримуеться вiд акселерометра, а попередньо здшснити смугову фiльтрацiю вiбросигналу в дiапазонi приблизно 6 - 10 кГц i аналiзувати модуляцiю цього сигналу. Для цього вщфшьтрований сигнал детектуеться, тобто видiляеться модулюючий сигнал (або ще його називають „обвщна сигналу"), що подаеться на вузькосмуговий спектроаналiзатор i ми отримуемо спектр модулюючого сигналу, або спектр обвщно! [3, 6]. Що в свою чергу дало назву цьому методу. Описана послщовшсть обробки сигналу представлена для наочност на рисунку 5.
Видно, що обробка сигналу досить складна, але сам результат вартуе того. Справа в тому, що, як уже говорилося вище, невелик дефекти шдшипника не в змозi викликати помггш вiбрацii в област низьких i середшх частот, що генеруються шдшипником. У той же час для модуляцп високочастотних вiбрацiйних шумiв енергii виникаючих ударiв виявляеться цiлком достатньо тобто цей метод мае дуже високу чутливють.
Сам спектр обвщно! мае завжди дуже характерний, специфiчний вигляд. При вщсутност дефектiв вiн являе собою майже горизонтальну, злегка хвилясту лшда. З появою дефектiв, над рiвнем цiеi досить гладко! лiнii суцшьного фону починають пiднiматися дискретнi складов^ частоти яких однозначно прораховуються по кшематищ й обертанню пiдшипника [5]. Частотний склад спектра о6вщно! дозволяе щентифшувати наявнiсть дефектiв, а перевищення вщповщних складових над фоном однозначно
характеризуе глибину кожного дефекту.
О 1000 2000 ЗООО 4000 5000 6000 7000 0000 9000 10000
Частота, Гц
Рисунок 5 - Обробка сигналу по методу спектра обвщно!
Переваги даного методу - висока чутливють, шформатившсть i захищешсть вiд завад.
Основний недолш - висока вартiсть i складшсть ре^заци. Як правило, алгоритм обробки й аналiзу реалiзуеться з використанням комп'ютерно! технiки.
Метод широко використовуеться в середовищi професiоналiв i в стащонарних системах монiторингу технiчного стану буксових вузлiв вагонiв [2, 3].
5. Метод ударних iмпулъсiв
Природно, ми знову вертаемося до рисунка 1. Правда, цього разу для того, щоб сказати, що не все, що пов'язане з дефектами шдшипника, ми можемо побачити на цьому рисунку. Там показаш вiбросигнали з типового акселерометра, що працюе в дiапазонi вщ часток Гц до 10 ^ 20 кГц. Але працюючий пiдшипник генеруе й бшьше високочастотнi вiбрацiйнi процеси, як i е тут предметом нашого розгляду.
Спiвударяння дефектiв пiдшипника викликае виникнення високочастотних, швидко згасаючих коливань, що поширюються вiд пiдшипника по буксовому вузлi вагона у виглядi хвиль стиску/розтягання, аналогiчно тому, як поширюеться звук у повiтрi [2, 4]. Технолопя обробки
сигнаив показана на рисунку 6.
Спостер^аючий процес аналопчний тому, як вщгукуеться на удари камертон. Як би по ньому не вдарити - вш все ж таки дзенькае на сво1й власнш частотi.
Так i пiдшипниковi вузли вщ зiткнення дефектiв „дзенькають" на сво1й частотi. Частота ця звичайно лежить у дiапазонi 28 ^ 32 кГц. I, на вщмшу вiд камертона, цi коливання дуже швидко згасають, тому на вщповщних осцилограмах, якi отримуються вони виглядають практично, як iмпульси, що й дало назву методу - метод ударних iмпулъсiв [1].
Ампл^уди ударних iмпульсiв однозначно зв'язаш зi швидюстю спiвударяння дефектiв i глибиною дефеклв. Результати вимiрiв дуже легко пронормувати по швидкост спiвударяння, знаючи геометрда пiдшипника i його оберти. Таким чином, по ампл^удах ударних iмпульсiв можна вiрогiдно дiагностувати наявнiсть i глибину дефектiв. При цьому граничш значення, що характеризують той чи шший стан пiдшипника, виявляються абсолютно ушверсальними, тобто нiяк не залежать вiд типу й обертiв тдшипника.
50-1-
и 40-
1—- -Г^—--Г^-—г"- |
Час, 1
Рисунок 6 - Обробка сигналу по методу ударних iмпульсiв
Метод простий i дешевий у реалiзацil, мае високу чутливють i дуже широко використовуеться як у середовишд професiоналiв, так i для ТОР буксових вузлiв вагонiв, оскiльки юнують простi, портативнi прилади, що
працюють по цьому методь
Для використання методу юнуе одне обмеження, пов'язане з конструктивним виконанням мехашзму. Оскшьки мова йде про вимiр ультразвукових хвиль коливань, як дуже сильно згасають на границях роз'емних з'еднань, для коректних вимiрiв необхщно, щоб мiж зовнiшнiм кшьцем пiдшипника й мiсцем розташуванням датчика юнував суцiльний масив металу. У бшьшоси випадкiв це не викликае проблем. 6. Порiвнялbнi характеристики методiв дiагностики Для виконання порiвняльного аналiзу вище наведених методiв приведемо 1х в зведену таблицю 1, в якiй описанi характеристики методiв, а також максимальна ощнка параметрiв буде наведена п'ятьма плюсами. Це особист ощнки, що базуються на власному досвщ й не претендують на абсолютну iстину.
Таблиця 1 - Порiвняльнi характеристики методiв
Параметр Оцiнка методу
П1К-фактор прямий спектр спектр обвщно! ударт iмпульс и
1 2 3 4 5
1 Дiагностика дефеклв, що зароджуються - + +++++ ++++
2 Дiагностика розвинених дефеклв ++ +++ +++++ +++++
3 Оцiнка стану за результатами однократного вимiрювання + ++ +++++ +++++
4 Ощнка стану при спостереженш за змшою вiбропараметра в часi +++ ++++ +++++ +++++
5 Подш стану пiдшипника по кiнематицi й змащенню - - + ++++
Продовження таблиц 1
1 2 3 4 5
6 1дентифицикащя змш кшематики шдшипника з конкретними джерелами (тша кочення, дорiжки, сепаратор, перекоси ...) - +++ ++++ -
7 Перешкодозахищешсть + ++ +++++ ++++
8 Апаратурно реалiзуеться простими портативними засобами вiброконтролю, капiтальнi вкладення мiнiмальнi ++++ ++ ++ +++++
9 Апаратурш засоби з функцiями спектрального аналiзу, досить складнi та мають високу вартють для масового споживача - ++++ +++++ -
Висновки. Складний характер зареестровано! вiбращi буксових вузлiв вагонiв з пiдшипниками кочення потребуе залучення сучасних методiв обробки вiбрацiйних сигналiв для усунення завад та видшення корисного сигналу. Вкрай важливим завданням, розв'язання якого дозволяе вчасно виявляти передаваршний стан та шдвищувати безпеку руху по!здв е проведення грунтовних дослiджень з метою штерпретацп та класифшаци отриманих дискретних частотних складових на спектрах вiбрацil, що ототожнюються з технiчним станом шдшипниюв кочення буксових вузлiв вагошв.
Список лШератури
1. Барков, А. В. Диагностика и прогноз состояния подшипников качения по сигналу вибрации [Текст] / А. В. Барков // Журнал Судостроение. - 1985. - №3. - С. 2123.
2. Борзилов, I. Д. Визначення працездатносп буксових вузл1в вагошв в1брод1агностичними методами [Текст]/ I. Д. Борзилов, В. Г. Равлюк, М. Г. Равлюк// Зб. наук. праць ДонГЗТ. -Донецьк: - 2009. -Вип. 19. -С. 83 - 92.
3. Равлюк, В. Г. Особливосп спектрального методу в1брод1агностування буксових вузл1в вантажних вагошв [Текст] / В. Г. Равлюк // Восточно - Европейский журнал
передовых технологий. - 2008. - Вып. 4/3 (34). - С. 25 - 27.
4. Кравченко, В. М. Техшчне д1агностування мехашчного обладнання [Текст]: тдруч. / В. М. Кравченко, В. А. Сидоров, В. Я. Седуш. - Донецьк: ТОВ „Юго-Восток, Лтд", 2007. - 447 с.
5. Явленский, К. Н. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем [Текст]: учеб. / К. Н. Явленский, А. К. Явленский; - Л.: Машиностроение, 1983. - 239 с.
6. Барков, А. В. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации [Текст]: учеб. / А. В. Барков, Н. А. Баркова; СЗУЦ. - СПб.: СПбГМТУ, 2004. -156 с.
УДК 629.4.083:629.45
Скурiхiн Д.1., астрант (УкрДАЗТ)
ОЦ1НКА ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНО1 НАД1ЙНОСТ1 СУЦ1ЛЬНОКАТАНИХ КОЛ1С ПАСАЖИРСЬКИХ ВАГОН1В
Постановка проблеми. Кожен об'ект в певних умовах експлуатацп при фжсованому напрацюванш мае обмежене число деталей або вузлiв, як найчастше виходять з ладу, вони одержали назву: «лiмiтуючi надшшсть» i в основному визначають величину матерiальних i трудових витрат на шдтримку об'екту в працездатному сташ.
Аналiз бо^бжень i публшацш. Дослщження «ВНИИЖТ» [1,2] показали, що в перюд мiж плановими ремонтами пасажирськi вагони вщчшлюються до 2-х разiв i в бiльшостi випадкiв унаслiдок вщмов колiс (53%). Автори вiдзначають, що проб^ колiсних пар мiж обточуваннями за прокатом в 2 рази менше мiжремонтного пробку вагону. Також безвщмовний пробiг колiсних пар обмежують вщмови колiс гальмiвного i втомного походження. Вщомо, що вiдчеплення вагошв в поточний ремонт значно ускладнюють дiяльнiсть ЗТ. Вони, крiм робгг, пов'язаних з усуненням несправностей, приводять до зриву графтв руху потяпв, зайвим простоям на станцп та ш.
Постановка завбання. Природний знос i пошкодження випадкового характеру колю ютотно обмежують безвiдмовний пробiг пасажирських вагошв, що знижуе економiчну ефектившсть роботи залiзниць. У данiй публжаци проведена оцiнка експлуатацiйноl надiйностi колю в сучасних
