Вібродіагностування підшипників кочення рухомого складу методом обвідної Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 629.4.06:621.822.614

Мартинов I.E., д. т. н.(ХИИТ) Равлюк В.Г., ст. викл. (ХИИТ)

В1БРОД1АГНОСТУВАННЯ П1ДШИПНИК1В КОЧЕННЯ РУХОМОГО СКЛАДУ МЕТОДОМ ОБВ1ДНО1

Вступ. Шдшипники кочення широко застосовуються у вузлах рухомого складу, тому питання ощнки техшчного стану i дiагностики !х дефектiв займають важливе мiсце в роботi вiбродiагностичних служб.

Практичш завдання дiагностики пiдшипникiв кочення в процес експлуатацii вирiшуються, як правило, одним з трьох основних способiв. Перший використовуе алгоритми виявлення дефеклв по зростанню температури тдшипникового вузла, другий - по появi в мастилi продуктiв зносу, а третш - по змiнi властивостей вiбрацii (шуму) [1 - 3]. Найповшша i детальна дiагностика шдшипниюв з виявленням й щентифшащею дефеклв на раннiй стадii розвитку виконуеться по високочастотному сигналу вiбрацii тдшипника.

Аналiз останмх до^джень. Широкого поширення у всьому свiтi набули методи контролю й дiагностики пiдшипникiв кочення, що базуються на вимiрюваннi параметрiв вiбрацii. Обумовлено це тим, що вiбрацiйнi сигнали несуть в собi iнформацiю про стан механiзму та шдшипниюв зокрема. При цьому теорiя й практика аналiзу вiбросигналiв до тепершнього часу така вiдпрацьована, що можна отримати достовiрну iнформацiю про поточний техшчний стан не тшьки пiдшипника, але i його елеменлв [2,4].

В даний час на практищ використовуються чотири методи ощнки технiчного стану пiдшипникiв кочення: метод П1К-фактора, метод прямого спектру, метод спектру обвiдноi та метод ударних iмпульсiв [7].

Мета статт1. Розглянути основш методи визначення оцiнки техшчного стану шдшипниюв кочення й дiагностики 1'х дефектiв.

Викладення основного матерiалу. При робот пiдшипника з внутршшми дефектами в тимчасовому вiбросигналi з'являються характернi складовi, гармонiки iз власними частотами, по яких можна

достатньо коректно виявити мюце знаходження дефекту. Чисельш значення частот цих складових залежать вiд стввщношення геометричних розмiрiв пiдшипника i оборотно! частоти обертання осi [3, 5].

У навантаженому пiдшипнику можна диференцшвати чотири основнi, вживанi для дiагностики частоти - зовнiшнього та внутршнього кiльця пiдшипника, частоти сепаратора i частоти тiл кочення. Розглянемо без виведення формули для розрахунку цих частот.

Частота перекочування тш кочення по зовшшньому кiльцi (часто в лiтературi позначаеться BPFO):

N

Р _1УТК . К Н ~ 1 1

1 -■

D.

ТК

DC • cos ф

(1)

де ЫТК - кшьюсть тiл кочення в одному шдшипнику; К - оборотна частота обертання осц ЯТК - дiаметр тiла кочення; Яс - середнш дiаметр сепаратора; ф - кут контакту тша кочення з кшьцем.

Частота перекочування тiл кочення по внутршньому кiльцi (BPFI):

К _

N.

- К

1 + ■

А,

Л

Яс •соб ф

(2)

Частота сепаратора (РТТ):

К _1 • К

с 2 1

( В ^

1 — ТК

Вс • СОБф

(3)

у

Частота перекочування тш кочення (BSF):

К _ 1 • К • ЯТК

± ту ± 1

ТК

2 1

1 — ■

Я,

Л

ТК

Яс •соб ф

(4)

Данi формули розрахунку характерних тдшипникових частот е простими, але не завжди зручними для практики. Складшсть полягае в тому, що вони включають кут контакту тш кочення з кшьцями. Цей параметр не завжди вщомий точно i в процесi роботи шдшипника може змiнювати свое значення [4, 6].

У практищ зручшше використовувати простiшi формули, що не включають цей кут, в результат^ природно, менш точш. Наведенi й цi формули:

Частота перекочування тш кочення по зовнiшньому кшьцю (BPFO):

Fн «F¡

Г N.

тк

V 2 -1,2,

(5)

Частота перекочування тш кочення по внутршньому кшьцю (BPFI):

К -К

Г N

тк

2 +1,2

Частота сепаратора (РТТ):

К

1,2 Л

2 N

V тк У

(6)

(7)

Частота перекочування тш кочення (BSF):

К

тк

N

1,2

N

(8)

тк у

Формули для розрахунку шдшипникових частот зручш i корисш для використання в дiагностицi, але завжди слiд пам'ятати, що користуватися ними потрiбно дуже обережно, достовiрнiсть дiагностики з 1'х використанням може бути не високою. Досить часто навпъ за наявностi в шдшипнику явного дефекту у вiбросигналi характерш частоти можуть бути повнiстю вщсутшми, мати зрушення по частотi, або мати дуже малий рiвень.

Аналiз обвiдних спектрiв у районi окремих джерел дозволяе видшити частоту модулящшш, властиву окремому k - му джерелу.

На цш частот спектра обвщна частка С[ в припущенш про незв'язанiсть процесiв, що модулюють, може бути визначена за формулою:

с{ И

V

Ч К )

К

(9)

)

де т^ (а>т), т^ (а>т) - коефщенти глибини модуляцii в районi ^того джерела i на контрольнiй поверхш пiдшипника, вiдповiдно.

Для того, щоб за наявност явного дефекту в тимчасовому вiбросигналi, а отже i на отриманому в результат його обробки спектрi, були достовiрно виявленi гармонiки з цими характерними частотами, необхщне виконання цшого ряду рiзних вимог [6].

Основш з цих вимог наступнi:

- тдшипник повинен бути навантажений достатшм зусиллям, близьким до номiнального;

- дефектна зона повинна перюдично проходити через зону навантаження тдшипника;

- у механiзмi не повинно бути тших джерел вiбросигналiв з частотою, рiвнiй частотi дефектiв;

- вiбродатчик повинен бути розташований достатньо близько до навантажено! зони пiдшипника;

- частотш параметри датчика повиннi вщповщати робочим параметрам механiзму;

- реестратор вiбросигналiв повинен забезпечувати пiсля обробки отримання спектру вiбросигналу з дозволом не менше 1600 - 3200 лтш.

Ц вимоги вiдносяться до вшх методiв дiагностики пiдшипникiв кочення по спектрах i спектрах обвщно!, якi базуються на використаннi вищенаведених формул розрахунку пiдшипникових частот.

Тшьки при виконаннi цих умов роботи тдшипника i установки датчика можна достатньо упевнено i на раншх стадiях дiагностувати дефекти пiдшипника [1, 5, 6, 7]. 1накше висока вiрогiднiсть або «пропуску» дефектiв або ж «помилкового визначення» дефектiв там, де !х немае.

Складним так само е питання визначення рiвня розвитку зареестрованого дефекту по ампл^удах або iнших параметрах гармонiк характерних тдшипникових частот. У значнiй мiрi воно залежить вiд типу апаратури, що використовуеться i мiсця установлення вiбродатчика. Кажучи iншими словами, рiвень дефекту пiдшипника в кожному механiзмi свiй, унiкальний. На величину порогу кожного дефекту так само позначаеться видалення дефектного елементу вщ вiбродатчика - дефект внутрiшнього кiльця менш помггний, чим дефект зовнiшнього кшьця.

Визначення дiйсного рiвня неприпустимого дефекту кожного тдшипника, точтше кажучи дтсному ступеню розвитку кожного дефекту кожного тдшипника, значно збшьшуе трудомiсткiсть використання таких методiв дiагностики [6].

Метод дiагностики стану буксових вузлiв за допомогою спектрiв обвщно! вiбросигналу отримав максимальний прикладний розвиток завдяки його застосуванню саме для ранньо! дiагностики пiдшипникiв кочення. Тому придiлимо цьому методу найбшьшу увагу.

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 iнформацiя про стан тдшипника. Видiлення й оброблення ще!' шформацп й становлять основу цього методу [1]. Експериментально було встановлено, що найкрашд результати цей метод дае в тому випадку, якщо аналiзувати модуляцiю не широкосмугового сигналу, що отримуеться вiд акселерометра, а попередньо здшснити смугову фшьтрацш вiбросигналу в дiапазонi приблизно 6 - 10 кГц i аналiзувати модуляцiю цього сигналу. Для цього вщфшьтрований сигнал детектуеться, тобто видшяеться модулюючий сигнал (або ще його називають «обвщна сигналу»), що подаеться на вузькосмуговий спектроаналiзатор i ми отримуемо спектр модулюючого сигналу, або спектр обвiдноi [6]. Що в свою чергу дало назву цьому методу. Описана послщовнють обробки сигналу представлена для наочност на рисунку 1.

Рисунок 1. - Обробка сигналу по методу спектра обвщно!'

Видно, що обробка сигналу досить складна, але сам результат вартуе того. Справа в тому, що, як уже говорилося вище, невелик дефекти тдшипника не в змозi викликати помпш вiбрацii в област низьких i середнiх частот, що генеруються пiдшипником. У той же час для модуляцп високочастотних вiбрацiйних шумiв енергii виникаючих ударш виявляеться цщком достатньо тобто цей метод мае дуже високу чутливють [6].

Сам спектр обвiдноi мае завжди дуже характерний специфiчний вигляд. При вщсутност дефектiв вiн являе собою майже горизонтальну,

злегка хвилясту лшш. З появою дефеклв над рiвнем ще1 досить гладко!' лiнii суцiльного фону починають пiднiматися дискретнi складовi, частоти яких однозначно прораховуються по кшематищ й обертанню пiдшипника [5 - 7]. Частотний склад спектра обвщно" дозволяе iдентифiкувати наявнiсть дефектiв, а перевищення вiдповiдних складових над фоном однозначно характеризуе глибину кожного дефекту.

В таблиц 1 наведений перелж дiагностичних ознак пошкоджень, що щентифшуються пiд час дiагностування пiдшипникiв кочення за одноразовими вимiрюваннями спектра обвщно" вiбрацii. Цi ознаки можна використовувати для розтзнавання пошкодження у випадку, якщо воно е одиничним, тобто за умови вiдсутностi розвинених пошкоджень в шших вузлах дiагностуючого об'екту [5].

Таблиця 1. - Перелш дiагностичних ознак пошкоджень елеменпв пiдшипникiв кочення буксових вузлiв

Вид пошкодження Спектр вiбрацii Спектр обвщно!'

основнi додата^ основш додата^

1 Биття ос к/об немае зростання ВЧ к<10 немае зростання ВЧ

2 Зношування зовнiшнього кшьця fзовн / к<3 ¿зовт и 1 зростання ВЧ /зовн /зовн, к<3, зростання ВЧ

3 Раковини, трiщини на зовшшньому кiльцi к/З, к>3 зростання ВЧ к/З, к>3 зростання ВЧ

4 Зношення внутрiшнього кшьця К/об к/об, зростання ВЧ к/об к/об, зростання ВЧ

5 Раковини, трщини на внутршньому кiльцi ¥в к/об, зростання ВЧ к/в к/об, зростання ВЧ

6 Зношення тiл кочення й сепаратора /с, (/об - /с) ¥с, к/об - а зростання ВЧ ^ (/об -/с) к/с, к(/об -а зростання ВЧ

7 Раковини, вщколи на тшах кочення 2к/тк 2к/тк, зростання ВЧ 2к/тк 2к/тк, зростання ВЧ

8 Проблеми змащування зростання ВЧ

де /о6 - частота обертання осц / - частота перекочування тш кочення по внутрiшньому кiльцi; /зовн - частота перекочування тш кочення по зовшшньому кiльцi; /ТК - частота обертання тш кочення; /с - частота обертання сепаратора; ВЧ - високочастотна область спектра вiбрацii.

Ниш, фахiвцями кафедри «Вагони» проводяться дослщження з видiлення й уточнення дiагностичних ознак технiчного стану елеменлв пiдшипникiв кочення буксових вузлiв вантажних вагонiв у вагонному депо «Основа» Швденно!' залiзницi.

Висновки. Складний характер зареестровано!' вiбрацii буксових вузлiв рухомого складу 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 тдвишувати безпеку руху по'здв е проведення грунтовних дослiджень з метою штерпретацп та класифiкацii отриманих дискретних частотних складових на спектрах о6вщно!' вiбрацii, що ототожнюються з техшчним станом пiдшипникiв кочення буксових вузлiв рухомого складу.

Переваги методу обвiдноi висока чутливють, iнформативнiсть i захишенiсть вщ завад. Основний недолiк - висока вартють i складнiсть реалiзацii. Як правило, алгоритм обробки й аналiзу реалiзуеться з використанням комп'ютерноi техшки. Метод широко використовуеться в середовишд професiоналiв i в стацiонарних системах мошторингу технiчного стану буксових вузлiв рухомого складу.

Список лШератури

1. Косенко Г. Д. Техническая диагностика машин [Текст] : учеб. / Г. Д. Косенко, З. Г. Гиоев, В. П. Бабаков - М.: Машиностроение, 1988. - 322 с.

2. Заболотний О.В. В1брод1агностика тдшипниюв кочення методами перюдично корельованих випадкових процеав [Текст] // О. В. Заболотний, В. Ю. Михайлинин // Вщб1р 1 обробка шформацп. - 2002. - №14(90). - С. 53 - 58.

3. Павлов Б. В. Акустическая диагностика механизмов [Текст] : учеб. / Б. В. Павлов. -М.: Машиностроение, 1971. - 427 с.

4. Борзилов I. Д., Визначення д1агносгичних ознак техшчного стану елеменпв тдшипниюв кочення буксових вузл1в рухомого складу [Текст] / I. Д. Борзилов, В. Г. Равлюк // Зб. наук. праць. - Донецьк: ДонГЗТ, 2008. - Вип. 15 - С. 100-105.

5. Кравченко В. М. Техшчне д1агностування мехашчного обладнання [Текст] : пщруч. / В. М. Кравченко, В. А. Сидоров, В. Я. Седуш. - Донецьк: ТОВ „Юго-Восток, Лтд", 2007. - 447 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.

7. Равлюк В. Г. В1брод1агностика та методи д1агностування тдшипниюв кочення буксових вузл1в вагошв [Текст] / В. Г. Равлюк // Зб. наук. праць Дон1ЗТ. -Донецьк: -2010. - Вип. 21. -258 с.