СИСТЕМА РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ БУКСОВЫХ УЗЛОВ КОЛЕСНЫХ ПАР ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОЕЗДА "АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПАК"

Полезная модель относится к системам для диагностики подшипников движущихся объектов и может быть использована на железнодорожном транспорте для ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося грузового поезда.
Известен стенд для ультразвукового контроля колесных пар вагонов, содержащий опорную эстакаду с участком рельсов, подъемное устройство с кареткой вращения колесной пары вокруг оси, портал, на котором установлен первый модуль контроля, состоящий из первого сканирующего устройства, закрепленной на нем первой акустической системы для контроля диска колеса и механизма его перемещения, устройство контроля угла поворота колесной пары, устройство подачи контактирующей жидкости под преобразователи, второй модуль контроля, состоящий из второго сканирующего устройства, закрепленной на нем второй акустической системы для контроля оси колесной пары по цилиндрической поверхности и механизма его перемещения, при этом второй модуль контроля также установлен на портале, а подъемное устройство с кареткой вращения колесной пары вокруг оси дополнительно снабжено приводом ее разворота на 180° (RU 39954U1, 20.08.2004)
Данное устройство используется для ультразвукового контроля колесных пар в камеральных условиях и не предназначено для контроля буксовых подшипников в процессе движения поезда. Для проведения диагностических измерений требуется специальная контактирующая жидкость и устройство для ее подачи Известно устройство для контроля качества работы подшипника, реализующее известный способ контроля качества работы подшипников скольжения, содержащее соединенные последовательно датчик вибрации, фильтр, демодулятор, блок выделения диагностических параметров, блок вычислений, пороговое устройств и индикатор. Известное устройство осуществляет измерение амплитуды огибающей высокочастотной части вибрации подшипника, с последующим разложением ее в ряд по базису функций, описывающих дефекты подшипника, вычисляет коэффициенты разложения и путем сравнения их с пороговыми значениями определяет качество подшипников (RU 868416, 30.09.81).
Известное устройство предназначено для определения дефектов подшипника в процессе их изготовления и работы за счет измерения его случайных вибраций и не предназначено для ранней диагностики в условиях посторонних шумов и дополнительных механических воздействий.
Известна система ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося поезда, содержащая приемники акустических сигналов, выходы которых соединены с входами блока усиления, блок обработки, включающий полосовой фильтр, амплитудный детектор и аналого-цифровой преобразователь, блок анализа в виде последовательно соединенных блока вычисления диагностических параметров, блока сравнения и блока принятия решения, а также блок задаваемых диагностических параметров, подключенный ко второму. входу блока сравнения, блок определения скорости поезда, счетчик колесных пар и магнитные датчики (US 4,790,190А, 13.12.1988).
Известная система позволяет обнаружить дефекты подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося поезда путем регистрации акустических волн, возникающих при появлении неисправностей в подшипнике в процессе его эксплуатации, их обработки и последующего анализа.
Однако известная система не учитывает весь спектр акустических сигналов, возникающих при вращении подшипника колесной пары вокруг своей оси, а также типов движущихся вагонов при определении места положения колесной пары с дефектным подшипником, что снижает достоверность диагностики подшипников буксового узла движущегося поезда в условиях интенсивного движения на железнодорожном транспорте.
Задачей полезной модели является создание системы диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося поезда, позволяющей обнаружить повреждения подшипника на ранней стадии его развития, а, следовательно, осуществить перевозку без принудительной остановки поезда и срыва графика движения поездов на железной дороге.
Технический результат заключается в повышении достоверности ранней диагностики подшипников буксового узла тележки вагона движущегося железнодорожного поезда за счет учета при обработке измеренного сигнала всего спектра акустических сигналов, возникающих при вращении подшипника колесной пары вокруг своей оси, а также в возможности определения различных типов движущихся вагонов в составе поезда при принятии решения о местоположении колесной пары с дефектным подшипником.
Технический результат достигается тем, что система ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося поезда содержит, по меньшей мере, двенадцать приемников акустических сигналов, выход каждого из которых соединен с соответствующим входом блока усиления, блок обработки, включающий последовательно соединенные полосовой фильтр, формирователь сигнала, аналого-цифровой преобразователь и амплитудный детектор, блок анализа, содержащий блок вычисления диагностических параметров, входы которого подключены к выходам амплитудного детектора, блок принятия решения и блок сравнения, включенный между блоком вычисления диагностических параметров и блоком принятия решения, блок задаваемых диагностических параметров, подключенный к третьему входу блока сравнения, блок памяти, блок выдачи информации, блок определения скорости поезда, выходом, подключенный к соответствующему входу блока вычисления диагностических параметров и блока принятия решений, выходом соединенного с входом блока памяти и блока выдачи информации, последовательно соединенные база типов подвижного состава, блок определения типа подвижной единицы и счетчик подвижных единиц, выходом подключенный к соответствующему входу блока принятия решений, три магнитных датчика, счетчик колесных пар, при этом каждый из приемников акустического сигнала размещен в отдельном боксе, его чувствительный элемент установлен на высоте расположения буксового узла колесной пары вагона движущегося поезда, боксы установлены равномерно вдоль полотна железной дороги на заданном участке пути, по меньшей мере, по шесть с каждой стороны железнодорожной колеи напротив друг друга, одна из сторон каждого бокса, обращенная к железнодорожному полотну, снабжена шторкой, механизм открывания которой расположен в самом боксе и подключен управляющим входом к выходу блока управления шторками боксов, в каждом боксе установлена система термостатирования, вход/выход которой соединены с выходом/входом блока управления системами термостатирования, причем первый и второй магнитные датчики установлены на рельсах напротив первого и последнего приемника соответственно и выходами подключены к соответствующим входам блока определения типа подвижной единицы и счетчика колесных пар, выходом соединенного с соответствующими входами блока вычисления диагностических параметров, блока принятия решения, блока определения типа подвижной единицы и блока определения скорости движения поезда, третий магнитный датчик размещен на заданном расстоянии от последнего приемника акустического сигнала непосредственно на рельсе и выходом подключен к входу блока управления шторками боксов.
Приемник акустического сигнала выполнен в виде микрофона с предусилителем.
Кроме того, усилитель, блок обработки, блок анализа, счетчик колесных пар, блок задаваемых диагностических параметров, блок определения скорости, блок определения скорости поезда, счетчик подвижных единиц, блок определения типа подвижной единицы, база типов подвижного состава размещены в аппаратном помещении, представляющим собой измерительный пост.
Система может дополнительно включать блок определения номера вагона, выходом подключенный к дополнительному входу счетчика подвижных единиц.
Сущность предлагаемой системы ранней диагностики буксовых подшипников тележек вагонов движущегося поезда поясняется чертежами на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлен вариант выполнения системы ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар вагонов движущегося поезда в части регистрации, обработки и анализа акустических сигналов подшипников буксовых узлов. На фиг.2 - вариант выполнения системы ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесной пары вагонов движущегося поезда в части управления температурным режимом в боксах и открытием шторок боксов.
Система ранней диагностики буксовых подшипников буксового узла колесной пары движущегося поезда включает установленный вдоль железнодорожной колеи 1 двенадцать боксов 2, по шесть с каждой стороны. Боксы 2 установлены напротив друг друга на каждой стороне железнодорожной колеи 1 на равном расстоянии друг от друга на отрезке пути, равном двум оборотам колеса вагонной тележки.
В каждом боксе 2 размещены приемник акустического сигнала в виде микрофона 3 с предусилителем и система 4 термостатирования. Боксы 2 выполнены таким образом, что позволяют разместить чувствительные элементы микрофонов 3 на уровне подшипников буксового узла колесной пары вагонов движущегося поезда. Сторона каждого бокса 2, обращенная к железнодорожной колее 1, снабжена шторкой (на чертеже не показана), выполненной с возможностью открытия с помощью механизма 5 открывания шторки. Механизм 5 открывания шторки также размещен в боксе 2. Причем шторка размещена на уровне размещения чувствительного элемента микрофона 3.
Размещенные указанным образом боксы 2 с микрофонами 3 представляют собой измерительный пост ПАК.
Выход каждого микрофона 3 соединен с соответствующим входом блока усиления, выполненного в виде, по меньшей мере, одного многоканального усилителя 6.
Система включает блок 7 обработки, состоящий из последовательно соединенных полосового фильтра 8, формирователя 9 сигнала, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10 и амплитудного детектора 11. Входы полосового фильтра 8 подключены к соответствующим входам многоканального усилителя 6.
Блок 12 анализа включает последовательно соединенные блок 13 вычисления диагностических параметров, блок 14 сравнения и блок 15 принятия решения, выходом подключенного к входам блока 16 памяти и блока 17 выдачи информации. При этом входы блока 13 вычисления диагностических параметров подключены к выходу амплитудного детектора 11, а другой вход блока 14 сравнения - к выходу блока 18 задаваемых диагностических параметров.
Система содержит также три магнитных датчика 19, 20, 21.
Первый и второй магнитные датчики 19 и 20 установлены на рельсах колеи 1 напротив первого и последнего боксов 2 соответственно. Выходы датчиков 19 и 20 и подключены к соответствующим входам блока 22 определения типа подвижной единицы и счетчика 23 колесных пар. Выход счетчика 23 соединен с соответствующими входами блока 13 вычисления диагностических параметров, блока 15 принятия решения, блока 22 определения типа подвижной единицы и блока 24 определения скорости движения поезда. Другой вход блока 22 определения типа подвижной единицы подключен к выходу базы 25 типов подвижного состава, а выход - к счетчику 26 подвижных единиц, выход которого соединен с соответствующим входом блока 15 принятия решения.
Третий магнитный датчик 21 размещен на рельсе с его внутренней стороны на расстоянии 100 м до первого бокса 2 и выходом подключен к входу блока 27 управления шторками боксов, выход которого соединен с входом питания механизма 5 открывания шторок боксов 2.
Система 4 термостатирования каждого бокса 2 входом/выходом подключена к выходу/входу блока 28 управления системами термостатирования боксов. Выходы блока 29 питания соединены с соответствующими входами блоков 27 и 28.
Система ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар вагонов движущегося поезда работает следующим образом.
Магнитный датчик 21 при накатывании на него первой колесной пары движущегося грузового поезда формирует электрический сигнал, который поступает на вход блока 27 управления шторками боксов. Механизм 5 открытия шторок каждого бокса включает электромеханический привод шторки и систему управления приводом. Блок 27 управления шторками при поступлении сигнала с выхода магнитного датчика 21 формирует управляющий сигнал, который подключает питающее напряжение 12 В к системе управления приводом каждого бокса, привод приходит в движение, осуществляя открытие шторки.
При прохождении первых колесных пар пути, на котором размещены боксы, чувствительные элементы микрофонов 3 улавливают акустические шумы, в том числе, и выделяемые работающими подшипниками буксовых узлов колесных пар, и преобразуют их в электрический сигнал. Система позволяет одновременно осуществлять измерение акустических шумов выделяемых вращающимися деталями подшипников буксовых узлов колесных пар, расположенных по обеим сторонам вагона. Поскольку измерения проводят при движении поезда, то каждый из расположенных по одну сторону колеи микрофонов 3 улавливает шумы при разном радиальном положении подшипника буксового узла диагностируемой колесной пары.
Акустические сигналы, преобразованные в электрические, усиливаются предусилителем микрофона 3. После чего сигналы с выхода микрофонов 3 поступают на вход многоканального усилителя 6, в котором каждый из сигналов усиливают в полосе частот, содержащей преимущественно составляющие от вибраций подшипника, модулированные по амплитуде, и передают их в полосовой фильтр 8. Полосовой фильтр 8 выделяет каждый электрический сигнал в этой полосе частот, подавляя, одновременно с этим, «боковые лепестки» диаграммы направленности. С выхода фильтра 8 сигналы поступают на формирователь 9 сигнала, который осуществляет «сшивку» сигналов в один общий сигнал, в наибольшей степени характеризующий акустические шумы подшипника буксового узла колесной пары при его перемещении.
Для дальнейшего анализа акустических шумов аналоговый электрический сигнал преобразуют в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя 10 с последующим выделением в амплитудном детекторе 11 огибающей.
В блоке 13 вычисления диагностических параметров осуществляют преобразование Фурье сигнала огибающей с целью представления амплитудно-частотного спектра измеренного сигнала с последующим его анализом. Диагностическим параметрами являются как частотная, так и амплитудная характеристики спектра сигнала.
Частотная характеристика пиков 1-ой и последующих кратных ей гармоник определяет элемент подшипника, предположительно имеющий дефект - наружное, внутреннее кольцо или тела качения.
Уровень амплитудной характеристики пика 1-ой гармоники спектра огибающей акустического сигнала определяет вероятность наличия либо отсутствие какого-либо дефекта в элементе подшипника. Подтверждение наличия дефекта происходит в результате анализа пик-факторов кратных гармоник высокого порядка.
В случае получения подтверждения о наличии дефекта в элементе подшипника, все амплитудно-частотные характеристики дефекта передаются в блок сравнения 14, где происходит сравнение полученных параметров дефекта с заранее заданными параметрами уровней развития того либо иного дефекта.
По результатам сравнения в блоке 15 поступает информация о типе дефекта и уровне его развития в подшипнике.
Одновременно сигналы с выхода магнитных датчиков 19 и 20 поступают на вход счетчика 23 колесных пар. Поскольку датчики 19 и 20 расположены на заданном расстоянии друг от друга, то по времени прохождения колесной пары этого расстояния блок 24 определения скорости вычисляет скорость прохождения поезда.
Кроме того, в соответствии с периодичностью прохождения тележек и колесных пар вагонов сигналы с выхода датчиков 19 и 20 используются в блоке 22 для определения типа подвижной единицы. Из базы 25 выбирают соответствующий этой периодичности тип подвижной единицы, в соответствии с которыми в счетчике 26 для каждого поезда определяют количество подвижных единиц в поезде, тип и местоположение в составе поезда каждого из них.
В блоке 15 принятия решения по результатам диагностики подшипника буксового узла колесной пары, конкретного места нахождения колесной пары, а также типа подвижной единицы формируется заключение о состоянии подшипников буксовых узлов колесных пар вагонов поезда в виде протокола. Указанное заключение хранится в блоке 16 памяти. Блок 17 выдачи информации выдает информацию о состоянии поезда. Дальнейшее следование поезда осуществляется с учетом протокола состояния подшипников буксовых узлов колесных пар, например, следование с установленным графиком движения, остановка на ближайшей станции для перегрузки и замены вагона, проследование до ближайшего депо для замены колесной пары.
В блоке 16 памяти формируют информационную базу данных о состоянии ходовой части подвижного состава. Информационная база ранней диагностики ходовой части подвижного состава используют для прогнозирующего планирования работ по техническому обслуживанию подвижного состава.
После прохода последней подвижной единицы поезда на выходе магнитного датчика 21 формируется нулевой сигнал, который подается на вход блока 27 управления шторками боксов. Если в течение 30 сек нулевой сигнал с выхода датчика 21 не меняется, блок 27 управления формирует сигнал закрытия шторок боксов 2.
В каждом боксе 2 установлена система 5 термостатирования, обеспечивающая наиболее благоприятный температурный режим работы микрофонов. Информация о температуре внутри боксов 2 поступает в блок 28 управления системами термостатирования боксов, сравнивается с диапазоном температур, наиболее благоприятных для эффективной работы микрофонов, и при отличии фактической температуры от задаваемой из блока 42 подается сигнал на включение систем 5 термостатирования. Питание систем 4, 5 управления шторками и управления термостатированием осуществляется от блока 29 питания.
Система ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар включает блок определения номера вагона (на чертежах не показан), выходом подключенный к дополнительному входу счетчика поездных единиц. Указанный блок может быть выполнен в виде, например, фотосчитывающего устройства. Информация о номере вагона через счетчик поездных единиц поступает в блок принятия решения и отображается в протоколе диагностики колесной пары.
Испытания предлагаемой системы ранней диагностики подшипников буксовых колесных пар на Российской железной дороге показали, что при движении грузового поезда мимо измерительного поста его скорость должна быть в диапазоне от 30 км/час до 90 км/час
Предлагаемая система акустического контроля подшипников буксового узла колес движущегося поезда «Акустическая система ПАК» позволяет прогнозировать отказы в работе ходовой части поезда и осуществлять планирование профилактических осмотров и ремонта подвижного состава до того, как он получит серьезные повреждения и создаст нагрузки для пути и сооружений.