Техническая диагностика на железнодорожном транспорте

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

Основные понятия и термины технической диагностики

Колесно-моторный блок

Обзор технических систем технической диагностики

Акустический метод

Использование средств технической диагностики КМБ

Принципы вибродиагностики

Фрактальный анализ

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Одной из важнейших задач железнодорожного транспорта на современном этапе является повышение надежности работы тягового подвижного состава, снижение трудоемкости ремонта и как результат этого - снижение эксплуатационных расходов.

Основным методом повышения надёжности подвижного состава является система планово-предупредительного ремонта и обслуживания (ППР), которая представляет собой комплекс мероприятий по поддержанию работоспособности и исправности подвижного состава, которые осуществляются как при производстве плановых видах ремонта, так и непосредственно в процессе эксплуатации и ожидании работы, а также при нахождении в резерве или запасе.

Техническая диагностика - это отрасль знаний, включающих в себя теорию и методы определения технического состояния объекта диагностирования. Диагноз в переводе с греческого "диагнозис" означает распознавание, определение состояния. Техническая диагностика решает три типа задач. К первому типу относится задачи определения состояния объекта в момент его обследования - это установление диагноза. Задачи второго типа направлены на предсказание состояния, в котором объект окажется в некоторый момент времени, - это задачи прогноза. И наконец к третьему типу относятся задачи определения состояния, в котором находился объект в некоторый момент в прошлом, - это задачи генеза. Задачи первого типа формально можно отнести к задачам технической диагностики; второго типа - к прогностике или, как чаще говорят, к техническому прогнозированию); отрасль знания, занимающуюся решением задач третьего типа, можно назвать технической генетикой. Необходимость использования технической генетики возникает чаще всего при расследовании аварий и их причин.

К задачам технической прогностики относятся такие вопросы, как определение срока службы объекта. его остаточного ресурса, периодичности ремонта или осмотра. Решение этих задач связано с установлением возможных или вероятных расчетов состояния объекта, начало которых соответствует данном времени. Таким образом, знание технического состояния в настоящий момент времени является обязательным для генеза и прогноза, поэтому техническая диагностика является основой для технического прогноза и генетики.

Практически все три процесса представляет собой неразрывное диалектическое единство, выражающееся в динамике состояния функционирующего объекта. Интерес к техническому диагностированию тягового подвижного состава связан с тем, что сложность конструкции, интенсивность эксплуатации и повышение требования к надежности и безопасности не позволяют интуитивным и ручным способом определить его техническое состояние. И только применение специализированных средств диагностированию дает возможность достоверно определить техническое состояние локомотива.

К основным задачам диагностирования относятся проверка исправности объекта, его работоспособности, правильности функционирования и поиск неисправностей. Решение всех этих задач возможно только в том случае, когда диагностирование проводится на стадии производства, эксплуатации и ремонта объекта.

Колесно-моторный блок относится к тем узлам, надежность которых непосредственно влияет на безопасность движения поездов. К тому же, контроль за техническим состоянием колесно-моторного блока затруднен из-за его конструктивных особенностей: неудобный доступ ко многим деталям, необходимость разборки, что увеличивает время простоя локомотива в ремонте. Наиболее целесообразно производить диагностирование блоков без разборки, в условиях, близких к эксплуатационным.

Основные понятия и термины технической диагностики

Система технического обслуживания и ремонта предполагает не только использование современных эффективных технологических процессов восстановления работоспособности и исправности узлов и деталей при технических обслуживаниях и ремонтах, но и предупреждение отказов в межремонтные периоды. Такая система должна располагать методами и средствами, с помощью которых можно обоснованно решать вопросы: каково техническое состояние узлов локомотива, что ремонтировать, когда ремонтировать, каков остаточный ресурс. На эти вопросы могут дать ответы соответствующие методы диагностирования. Поэтому важнейшим элементом системы технического обслуживания и ремонта современных локомотивов является комплекс способов и технических средства диагностирования их узлов и агрегатов.

Как любая наука, техническая диагностика оперирует специфическим набором терминов и определений, которые установлены ГОСТ 20911-89 "Техническая диагностика. Термины и определения".

Техническая диагностика - область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.

Техническое диагностирование - определение технического состояния, Задачами технического диагностирования являются:

-контроль технического состояния;

-поиск места и определение причин отказа (неисправности);

-прогнозирование технического состояния.

Иногда допускается некорректное применение этих двух терминов в плане отождествления. Поэтому следует четко определиться, что диагностика - это наука, диагностирование - это процесс.

Колесно-моторный блок

На локомотивах сосредоточены узлы и агрегаты, имеющие различные конструкционные исполнения и большой разброс по остаточному ресурсу. Мероприятия по поддержанию их работоспособности проводятся как на этапе эксплуатации в виде технического обслуживания (ТО) или текущего ремонта (ТР), так и при проведении средних и капитальных ремонтов (СР,КР).

Имеются три основных системных подхода при определении необходимости технических мероприятий по восстановлению ресурса.

Ремонт по отказу предусматривает восстановление только в случае перехода системы или её элементов из работоспособного состояния в неработоспособное. Это, как правило, применяется к узлам и элементам, состояние которых оценивается визуально или с помощью простых линейных измерений а ремонт осуществляется в случае повреждения (опоры дизеля лобовые и боковые стекла, обшивка кузова, фундаменты силовых агрегатов). Преимущества такой системы заключается в оптимизации затрат. Однако такая система имеет и существенный недостаток. Она не обеспечивает высокую надежность и не дает гарантии безаварийной работы. Такую систему целесообразно применять там, где заложена высокая конструктивная надежность и гарантия безаварийной работы, а выход из строя не повлечет за собой катастрофических последствий для всей технической системы.

Планово-предупредительная система заключается в том, что ремонт выполняется в строго регламентированном порядке в зависимости от календарного срока службы или линейного пробега. В данном случае обязательна разборка всех элементов независимо от их работоспособности с регламентированной заменой или восстановлением отдельных, наиболее ответственных узлов и деталей, узлов и агрегатов.

По этой системе ремонтируются узлы и агрегаты, связанные с обеспечением безопасности движения поездов. Преимущества системы заключаются в возможности гарантировать ресурс и безопасную эксплуатацию наиболее ответственных узлов и деталей. Основной недостаток - высокий уровень затрат на регламентированный объем работ, необходимость полной разборки и принудительной замены деталей независимо от их работоспособности.

Ремонт по техническому состоянию предполагает определение объемов восстановления на основе данных технической диагностики, проводимой с установленной периодичностью. По результатам диагностики принимаются решения об исправном и неисправном состоянии, определяют остаточный ресурс работоспособности, обеспечивающей должную надежность в эксплуатации.

Преимущества данной системы в адресности ремонта, что позволяет существенно снизить затраты на поддержание работоспособности. Система позволяет прогнозировать прогнозирование без разборки узлов и агрегатов, гарантированную надежность при повторном использовании деталей с узлов и агрегатов, выработавших ресурс по другим элементам.

В настоящее время на железнодорожном транспорте используется довольно широкая номенклатура диагностической техники, что создает условия для ввода элементов ремонта по техническому состоянию и снижению затрат на ремонт и технического обслуживание повышению надежности эксплуатации тягового в рамках действующей системы планово-предупредительного ремонта.

Широкое применение в локомотивном хозяйстве нашли комплексы диагностики подшипниковых узлов тягового подвижного состава на основе ряда методик, что связано с тем, что они относятся к числу элементов, от технического состояния которых непосредственно зависят надежность локомотива и безопасность движения.

Акустический метод

Акустический метод, суть которого заключается в оценке интенсивности звукового давления (CjB), генерируемого диагностируемым узлом в процессе его работы. При этом в качестве критерия степени развития дефекта принимаются нормативные значения звукового давления, устанавливаемые для конкретного узла. Метод реализован в приборе ПИК-1М, ИРП-12.

Диагностика по общему уровню вибрации, основанная на непосредственном измерении параметров вибросмещения, виброскорости или виброускорения исследуемого узла. Критерием наличия и степени развития дефекта по данному методу служат нормативные уровни вибрации, принятые для исследуемого механизма. Дефектным считается такой подшипник, величины вибрации которого превысили установленную норму для агрегата.

Данный способ диагностики по своему принципу входит в широко распространенную простейшую оценку технического состояния оборудования по общему уровню вибросигнала, выполняется оперативным обслуживающим персоналом без специальной подготовки.

Для проведения такой диагностики дефектов подшипников качения вполне достаточно иметь простейший виброметр (например, LV-2, К-4102). Однако метод диагностики по общему уровню вибрации позволяет определять дефекты лишь на самой последней стадии их развития, когда они уже приводят или уже привели к разрушению узлов.

Диагностика по спектрам вибросигналов, построенная на анализе спектральных составляющих вибросигнала диагностируемого узла. Критерием наличия и степени развития дефекта служат характерные составляющие спектра на несущих частотах элементов узла («пики»), их интенсивность и периодичность.

Данный метод диагностики используется в приборе ПРИЗ-110М.

Диагностика по спектрам огибающих, в основу которой положен спектральный анализ огибающей вибропараметров диагностируемого узла. Метод получил широкое распространение благодаря возможности выявления им дефектов на сравнительно ранней стадии развития, а также прогнозирования остаточного ресурса узла.

Однако его реализация требует применения достаточно сложных и дорогих сборщиков данных и анализирующих пакетов прикладных программ.

В итоге диагностический прибор превращается в комплекс, содержащий отдельно сборщик данных и персональный компьютер с анализирующей программой. Для обслуживания такого комплекса нужен обученный персонал.

Следует также отметить, что для каждого конкретного подшипникового узла уровни порогов сильного дефекта реально приходится подбирать и постоянно корректировать, исходя из практического опыта и фактического состояния.

Уровень не рассчитывают средствами программного комплекса, хотя такая функция присутствует, а именно подбирают. Изложенный метод реализован в диагностических комплексах «Прогноз-1» (Россия, 4ВНТиТ МПС, г. Омск), «Вектор-2000», КПА-1В (Россия, Ассоциация «ВАСТ», г. Санкт-Петербург), «Спектр-07» (Россия, ЗАО «ТСТ», г. Санкт-Петербург).

Использование средств технической диагностики колесно-моторного блока

В настоящее время широкое распространение при диагностике колесно-моторного блока получили виброакустические методы диагностики.

Задачи диагностики подшипников качения локомотивов в процессе эксплуатации решаются ,как правило, одним из трех основных способов.

Первый использует алгоритмы обнаружения дефектов по росту температуры подшипникового узла, второй - по появлению в смазке продуктов износа, а третий - по изменению свойств вибрации (шума).

Наиболее полная и детальная диагностика подшипников с обнаружением и идентификацией дефектов на ранней стадии развития выполняется по сигналу вибрации подшипника, в основном, высокочастотной.

Принципы вибродиагностики

Вибрация и шум - естественные процессы, протекающие в машинах и оборудовании, и возбуждаются они теми же динамическими силами, которые являются причинами износа и разных видов дефектов.

Динамические силы в машинах возбуждают вибрацию либо непосредственно, либо силы возбуждают шум, а шум - вибрацию корпуса.

Вибрация, в зависимости от природы возбуждающих ее сил, может быть либо детерминированной (чаще периодической), либо случайной.

Один из простейших примеров детерминированного сигнала вибрации гармоническое колебание ( рис. 4).

Рис.4 Простейшее гармоническое колебание

Оно характеризуется амплитудой (пиковое значение Хпик, среднеквадратичное значение Хскз или среднее значение Хср продетектированного сигнала), частотой f=1/T и начальной фазой.

Рис.5 Случайный сигнал вибрации

Случайный сигнал (рис. 5) может принимать любое значение в определенном диапазоне, поэтому его характеризуют не амплитудой, частотой и фазой, а пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением (продетектированного сигнала) и значением от пика до пика.

Периодическая вибрация может быть представлена в виде спектра. В нем может быть одна составляющая (гармонический сигнал) ( рис.6.а или рис.6. б), или многократных (рис. 8)

Рис.6 Временные сигналы вибрации и их спектры

Если сигнал представляет собой комбинацию (рис.6, в) двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами, то его спектр имеет вид (рис.6. в, справа), где явно видно наличие именно этих двух гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами.

Рис.7 Сложный периодический сигнал вибрации и его спектр

Поскольку периодические составляющие отображают спектром, случайные тоже следует так же отображать, но спектр - сплошной (рис.8).

Рис.8 Спектр случайных составляющих вибрации

Спектр удобен тем, что он делит вибрацию на компоненты с разными свойствами, а достаточно часто и разной природы.

Типовой спектр (см. рис. 9) характеризуется, как правило, большим количеством гармонических составляющих в области низких частот.

По мере увеличения частоты гармонических составляющих становится меньше и они практически отсутствуют в области высоких частот.

Рис.9 Типовой спектр сигнала вибрации

Для диагностики машин и оборудования при выборе частотной области вибрации следует учитывать свойства вибрации разной частоты.

Так, в области инфранизких частот вибрация может возбуждаться даже не самой контролируемой машиной, а, например, работающими рядом другими машинами и, в том числе, проходящим на сравнительно большом расстоянии транспортом.

Особенность вибрации на низких частотах состоит в том, что она слабо затухает в пространстве, а следовательно, в точку установки датчика доходит вибрация от всех узлов контролируемой машины, от сопряженных с ней других машин и от соседнего оборудования.

Поэтому при анализе вибрации на низких частотах возникает проблема локализации дефектного узла и проблема помехоустойчивости.

На этих частотах (в диапазоне частот до 3-5 гармоники частоты вращения) машина колеблется как единое целое, поэтому нужны большие силы и большие дефекты, чтобы раскачать всю машину.

На средних частотах в любой точке контроля вибрация возбуждается, в основном, колебательными силами, действующими в ближайших к ней узлах машины.

В спектре вибрации наблюдается большое количество гармонических составляющих разной частоты, но из-за многочисленных резонансов соотношения амплитуд этих составляющих сильно отличаются от соотношений величин возбуждающих их колебательных сил.

Как следствие - искажения информации о дефектах - источниках этих колебательных сил и отсутствие повторяемости результатов при малейшем изменении частоты вращения машины.

На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер, в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но для возбуждения вибрации достаточно даже малых сил .

Вибрация ультразвуковых частот возбуждается, в основном, микроударами, но распространяется только по однородной среде (металл без болтов, сварных швов).

До оптимальной точки ее измерения, если это не сосуд или трубопровод, часто трудно или невозможно добраться.

Суть метода огибающей состоит в следующем. Силы трения, возбуждающие высокочастотную случайную вибрацию, стационарны только при отсутствии дефектов. В бездефектных узлах трения стационарна и случайная высокочастотная вибрация.

Ее мощность постоянна во времени. При появлении дефектов, приводящих даже к частичному "продавливанию" смазки, изменяются периодически во времени силы трения или возникают удары, возбуждающие высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко "рвется".

Рис.10 Высокочастотный случайный амплитудно-модулированный сигнал

Таким образом, при наличии дефектов величина сил трения и мощность вибрации изменяется во времени, т.е. появляется модуляция мощности высокочастотной вибрации (рис 10.).

При изменении вида дефекта частота модуляции изменяется. Чем больше степень развития дефекта, тем больше становится глубина модуляции. Следовательно, частота модуляции определяет вид дефекта, а глубина модуляции - степень его развития.

В качестве примера на рис. 11. (слева) приведены временные сигналы вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в).

Таким образом, наиболее полная информация содержится в огибающей высокочастотного сигнала.

Спектры огибающей вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в) представлены на правой стороне рисунка 11.

.

Рис.11 Временные сигналы высокочастотной вибрации подшипника качения и спектры ее огибающей а) исправный подшипник, б) подшипник с износом поверхности трения, в) подшипник с раковиной на поверхности качения

Как видно из рисунка, в спектре огибающей случайной вибрации бездефектного подшипника отсутствуют гармонические составляющие.

В спектре огибающей вибрации подшипника с износом видна одна сильная гармоническая составляющая, указывающая на плавное и периодическое изменение мощности сигнала вибрации.

В подшипнике с ударными импульсами мощность высокочастотной вибрации изменяется скачками и в спектре ее огибающей присутствует уже ряд кратных по частоте гармонических составляющих.

В спектре огибающей высокочастотной вибрации можно наблюдать за развитием одновременно всех имеющихся дефектов по величинам превышения гармонических составляющих на определенных частотах над фоном.

Таким образом, появляется возможность определения парциальных глубин модуляции, т.е. глубин модуляции для каждого из имеющихся дефектов. Это позволяет определять степень развития всех дефектов и идентифицировать их вид.

Следовательно, имеется возможность прогнозировать состояние диагностируемого узла, т.к. каждый вид дефекта имеет свою скорость развития.

Фрактальный анализ

Теория фракталов является одним из перспективных направлений математической обработки вибросигналов.

Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. В вибродиагностике задача фрактального анализа заключается в том, чтобы сигнал вибрации, полученный с подшипниковых и редукторных узлов колесно-моторного блока (КМБ) локомотива, обработать таким методом, в результате которого полученная фрактальная размерность отражала бы отсутствие или присутствие дефектов, а также степень их развития.

Для установления возможности применения теории фракталов, к задаче идентификации дефектов КМБ, в частности подшипников качения, за основу были взяты фрактальные методы, предназначенные для анализа одномерных временных рядов.

Рис. 12. Фрактальный анализ

Заключение

1. Диагностические комплексы электроподвижного состава: учебн. Пособие / Я. Ю. Бобровников, А. Е. Стецюк. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012. - 94 с. : ил.

2. Техническая диагностика локомотивов: учебное пособие / Под ред. В. А. Четвергова. - М.: ФГБОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2004.-371 с.

3. Техническое диагностирование и неразрушающий контроль деталей и узлов локомотивов: Учебное пособие для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта/Под ред. В. И. Бервинова. - М.: ГОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2007-332 с.

4. http://megapredmet.ru/1-72845.html

5. https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-metody-vibroakusticheskogo-diagnostirovaniya

6. https://studopedia.ru/8_157196_kolesno-motorniy-blok.html

Размещено на Allbest.ru