Способ акустического контроля состояния буксовых узлов движущегося поезда
METHOD FOR ACOUSTIC CONTROL OF THE CONDITION OF THE AXLE BOXES OF A MOVING TRAIN

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к постовым системам контроля технического состояния буксовых узлов движущегося поезда.
В связи с ростом грузоперевозок на железнодорожном транспорте, увеличении скоростного режима с одной стороны, и износом подвижного состава, с другой, актуальной становится задача оперативного контроля технического состояния железнодорожного подвижного состава. Наиболее нагруженными узлами железнодорожных вагонов являются буксы колесных пар.
Контактные методы и способы контроля технического состояния букс колесных пар обеспечивают диагностирование объектов (вагонов) находящихся в депо и требуют значительных временных затрат, что существенно увеличивает время доставки коммерческих грузов. Для уменьшения времени простоя и повышения оперативности получения информации о техническом состоянии букс используют бесконтактные методы и способы контроля, реализуемые в соответствующих постах контроля.
Известен дистанционный способ диагностики неисправностей колесных тележек железнодорожных вагонов, использующий размещенные с обеих сторон рельсового пути тепловизионные сканеры, которыми осуществляют съемку букс, по тепловизионному снимку анализируют степень нагрева буксы и сравнивая ее температуру с допустимыми значениями, по результатам сравнения принимают решение о работоспособности буксы (RU 2 260 534 С1, 26.03.2004, B61K 9/06).
Основными недостатками способа является существенная зависимость эффективности диагностики от внешних факторов, таких как теплового излучения, находящихся рядом элементов инфраструктуры; солнечной радиации; направления и скорости ветра, в том числе воздушных потоков от движущегося поезда и др.
Известен способ бесконтактной диагностики подшипников качения букс подвижного состава железнодорожного транспорта и метрополитена, в основу которого положен метод акустической эмиссии. Заключающийся в том, что не менее двух датчиков акустической эмиссии устанавливают на любую поверхность правого и левого рельса, кроме поверхности головки рельса, ориентированные по оси, перпендикулярной направлению железнодорожного пути, для контроля износа подшипника во время прохождения подвижного состава в полосе частот от 30 кГц до 300 кГц определяют с частотой выборки от 50 мкс до 0,1 мкс значение выброса максимальных амплитуд сигналов эмиссии, представляющие собой ударные импульсы, следующие последовательно и непрерывно во времени, определяют время длительности выброса максимальных последовательных и непрерывных во времени сигналов эмиссии и интервал времени между выбросами за время не менее одного оборота подшипника, и рассчитывают размер дефекта подшипника качения в мм вдоль беговой дорожки по заданной формуле (RU 2411150 C1, 07.10.2009, B61K 9/04).
Недостатками способа является низкая чувствительность вследствие высокого уровня шумов акустической эмиссии в месте предлагаемой установки датчиков, а также проблемы локализации обнаруженных дефектов.
Наиболее близким аналогом является способ дистанционной ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося поезда «Акустическая система ПАК», в основу которого положен метод акустической диагностики (RU89053U1, 10.07.2009, B61K9/00).
Известный способ заключается в использовании приемников акустических сигналов, установленных с каждой стороны железнодорожной колеи, длина измерительного участка, на котором осуществляется контроль акустическими приемниками, составляет не менее 2,5 длины поверхности катания колеса, при прохождении поезда на измерительном участке идентифицируют каждый буксовый узел каждой колесной пары, а каждый из акустических приемников улавливает шумы при разном радиальном положении подшипника буксового узла диагностируемой колесной пары и преобразует акустический сигнал в электрический, который затем усиливают, фильтруют, преобразуют аналоговые сигналы в цифровые, накапливают, фильтруют в фиксированной полосе частот, с последующим выделением огибающей путем детектирования, проводят анализ спектра огибающей, на основе которых вычисляют метрики и сравнивают с заранее известными диагностическими признаками известных дефектов подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося поезда, результаты контроля состояния буксовых узлов с указанием идентификатора каждого из них направляют в причастные службы.
Способ позволяет обнаружить дефекты подшипников буксовых узлов колесных пар движущегося поезда путем регистрации акустических волн, возникающих при появлении неисправностей буксового подшипника в процессе его эксплуатации.
В известном способе анализ огибающей акустических шумов проводят в фиксированной полосе частот, что характерно для диагностики стационарно установленных объектов контроля, когда точно известны конструктивные особенности контролируемых механизмов и режимы их работы, в том числе скорость вращения ротора. Только в этом случае можно заранее определить оптимальный частотный диапазон, в котором необходимо проводит анализ. В случае с проезжающим поездом нет возможности точно контролировать ни скорость вращения ротора (колесной оси), ни конструктивные особенности контролируемого буксового узла.
В системе не учитываются пространственные зависимости чувствительности приемников акустических сигналов. По мере износа буксового подшипника в нем появляются дефекты, вследствие чего в акустическом сигнале появляются ударные импульсы с периодичностью определяемой скоростью вращения ротора, по амплитудам которых судят о техническом состоянии объекта контроля. При проходе колесной пары мимо акустического приемника вероятно наступление не большого количества событий генерирования ударных импульсов, которые произойдут при случайном взаимном расположении объекта контроля и акустического приемника, т.е. регистрируемые амплитуды этих импульсов будут определяться пространственной зависимостью чувствительности акустического приемника.
В известном способе при анализе спектра огибающей сигнала не учитывается влияние амплитудно-частотной характеристики электроакустического тракта. Сгенерированный дефектом буксы акустический шум после распространения по акустической трассе принимается акустическим приемником, в котором происходит преобразование акустической энергии в электрическую, и далее после усилителей и фильтров поступает на модуль анализа данных, где принимается решение о техническом состоянии объекта контроля. Каждый элемент указанной цепочки обладает индивидуальными передаточными характеристиками (амплитудно-частотными характеристиками – АЧХ) и, как следствие, сигнал, поступающий на модуль анализа данных, будет искажен относительно исходного, сгенерированного дефектом, что приводит к некорректным результатам диагностики.
Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении достоверности акустической диагностики буксовых узлов колесной пары движущегося поезда за счет увеличения количества анализируемых диагностических признаков, а также компенсации искажений, вносимых электроакустическим трактом.
Технический результат достигается тем, что в способе акустического контроля состояния буксовых узлов колесных пар движущегося поезда при прохождении поезда на измерительном участке протяженностью не менее 2,5 оборота колеса идентифицируют каждый буксовый узел каждой колесной пары и измеряют акустический шум, сгенерированный каждым буксовым узлом, с помощью приемников акустического сигнала, каждый из которых преобразует акустический сигнал в электрический, который предварительно обрабатывают путем соответствующего усиления и фильтрации, преобразуют из аналоговой формы в цифровую и компенсируют искажения, вносимые электроакустическим трактом, затем, используя критерий максимума безразмерного дискриминанта, определяют оптимальный диапазон частот сигнала, в котором выделяют спектр огибающей сигнала, при этом для каждого буксового узла колесной пары вычисляют совокупность диагностических признаков непосредственно из сигнала и из выделенного спектра огибающей сигнала, а контроль состояния буксового узла колесной пары осуществляют на основе анализа совокупности диагностических признаков с использованием полученных на стадии обучения баз знаний, результаты контроля состояния буксовых узлов с указанием идентификатора каждого из них направляют через систему передачи данных в причастные службы.
Дополнительно для уменьшения искажений измеренных акустических шумов от каждого буксового узла каждой колесной пары движущегося поезда компенсируют искажения, вносимые электроакустическим трактом с учетом пространственной зависимости чувствительности акустического приемника.
В качестве диагностических признаков, полученных из выделенного спектра огибающей сигнала, используют амплитудные соотношения гармоник подшипниковых частот буксовых узлов.
В качестве безразмерного дискриминанта при определении оптимального диапазона частот сигнала используют пик-фактор или коэффициент эксцесса.
В качестве диагностических признаков, полученных непосредственно из сигнала, используют мощности сигналов в кратных октавных полосах частот, статистические характеристики, а также безразмерные дискриминанты.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема варианта выполнения системы контроля технического состояния буксового узла колесный пары движущегося поезда, реализующая предлагаемый способ.
Система для акустического контроля состояния буксовых узлов 1(БУ 1) колесной пары движущегося поезда содержит акустические приемники 2, контролирующие измерительный участок протяженностью не менее 2,5 оборота колеса на каждой стороне железнодорожного полотна, расположенные напротив друг друга, выход каждого акустического приемника через последовательно соединенные блок 3 предварительной обработки, аналого-цифровой преобразователь (АЦП 4) и первый блок 5 коррекции подключен к входу второго блока 6 коррекции, блок 7 определения положения буксового узла, выходом подключенный к управляющему входу блока 5 коррекции, при этом выход блока 6 соединен с входами блока 8 вычисления диагностических признаков, блока 9 выделения спектра огибающей и блока 10 определения оптимальной полосы частот, выходом подключенный к управляющему входу блока 9 выделения спектра огибающей, выход которого соединен с другим входом блока 8 вычисления диагностических признаков, выходом подключенный к входу блока 11 контроля состояния буксовых узлов, входы/выходы которого соединены с выходами/входами базы 12 знаний, а другой вход - с выходом блока 13 идентификации буксовых узлов, а выход – к входу блока 14 передачи данных по каналам связи в аппаратно-программное устройство автоматизированного рабочего места оператора диагностического центра диагностический центр.
Система реализует предлагаемый способ следующим образом.
Физическим каналом получения информации о техническом состоянии диагностируемого буксового узла 1 является акустический канал, который анализирует акустические шумы, генерируемые буксовым узлом колесной пары поезда, движущегося мимо измерительного поста. Шумы регистрируют акустические приемники 2, в которых акустическая энергия преобразуется в электрическую. Электрический сигнал с выхода акустического приемника 2 поступает в блок 3 обработки, который осуществляет предварительную обработку сигнала путем соответствующего усиления и фильтрации в рабочем диапазоне частот. С выхода блока 3 обработки аналоговый измерительный сигнал поступает на вход АЦП 4, где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. С выхода АЦП 4 сигнал поступает на вход блока 5 коррекции, на управляющий вход которого блок 7 определения положения буксового узла передает его текущие пространственные координаты. С учетом пространственных координат контролируемого буксового узла 1 блок 5 осуществляет коррекцию сигнала для компенсации пространственной чувствительности акустического приемника 2 в зависимости от положения буксового узла 1.
Компенсация пространственной чувствительности акустического приемника - амплитуды принятого сигнала в зависимости от пространственного расположения объекта контроля (БУ1) относительно акустического приемника 2 накладывает ряд ограничений на используемые акустические приемники, главным из которых является возможность пространственной селекции. В качестве таких приемников могут выступать, например, как пространственно распределенные системы акустических датчиков, так и фазированные антенные решетки.
Для формирования управляющего воздействия с целью коррекции амплитуды сигнала в блоке 7 определяют пространственные координаты объекта контроля (БУ1), используя методы локализации источника акустического сигнала в пространстве, например, на основании методов машинного зрения - локализации объектов контроля по видеоизображению.
С выхода блока 5 сигнал поступает на вход блока 6 коррекции. Используя хранящиеся в блоке 6 передаточные характеристики электроакустического тракта, полученные при градуировке системы, блок 6 компенсирует искажения, вносимые электроакустическим трактом.
С выхода блока 6 сигнал поступает на входы блока 8 вычисления диагностических признаков, блока 9 выделения спектра огибающей и блока 10 определения оптимальной полосы частот.
Блок 10 для контролируемого буксового узла определяет оптимальный диапазон частот, в котором коэффициент эксцесса имеет максимальное значение, и данные о нем направляет на управляющий вход блока 9 выделения спектра огибающей. На основании полученных данных блок 9 осуществляет фильтрацию сигнала в оптимальном диапазоне частот, в котором выделяет огибающую, вычисляет ее спектр и данные о нем передает в блок 8.
Блок 8 осуществляет определение диагностических признаков непосредственно из сигнала и спектра огибающей сигнала в оптимальном диапазоне частот.
Блок 8 из спектра огибающей в качестве диагностических признаков использует амплитудные соотношения гармоник подшипниковых частот буксовых узлов. Непосредственно из сигнала в качестве диагностических признаков вычисляет мощности акустических сигналов в октавных полосах частот, безразмерные дискриминанты (пик-фактор, коэффициент эксцесса, коэффициент асимметрии, коэффициент вариации, коэффициент фона, коэффициент формы и т.п.) и статистические характеристики (среднеквадратичное значение, дисперсия, максимальные и минимальные значения и т.д.).
Значения диагностических признаков блок 8 передает в блок 11 контроля состояния буксовых узлов.
На основании анализа диагностических признаков и данных базы 12 ранее накопленных знаний блок 11 принимается решение о текущем техническом состоянии диагностируемого буксового узла 1.
При этом блок 13 идентификации буксового узла 1 при прохождении поезда вдоль измерительного участка определяет его номер и сторону в поезде, данные о которых направляет в блок 11.
Блок 11 составляет для каждого буксового узла 1 протокол с результатами диагностики с указанием его идентификационного номера и расположения в поезде и передает его в блок 14 передачи данных для последующей передачи через каналы передачи данных в аппаратно-программное устройство автоматизированного рабочего места оператора диагностического центра для оперативного принятия решения по ремонту буксового узла колесной пары поезда или прогнозирования состояния буксового узла.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить достоверность акустической диагностики буксовых узлов колесной пары движущегося поезда за счет увеличения количества анализируемых диагностических признаков, а также компенсации искажений, вносимых электроакустическим трактом.