Способ диагностики технического состояния пассажирского вагона
METHOD FOR DIAGNOSING THE TECHNICAL CONDITION OF A PASSENGER CAR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для мониторинга и диагностики технического состояния, оценки остаточного ресурса подшипниковых узлов, зубчатых передач, генераторов, вспомогательных приводов экипажной части пассажирских вагонов, вращающихся частей систем вентиляции, отопления и кондиционирования, а также других подвижных нагруженных узлов пассажирских вагонов железных дорог.
Из уровня техники известен способ диагностики подшипников, включающий постановку их на измерительное устройство, обеспечивающее вращение, выявление и измерение сигналов от датчиков с контролируемой поверхности, их усиление, детектирование, преобразование, в том числе быстрое преобразование Фурье, спектрирование и сравнение с нормативными данными, заложенными в памяти ЭВМ, при этом обеспечивают процесс сканирования контролируемых поверхностей, сигнал формируют с помощью возбуждения в поверхностном слое изделия вихревых токов, устанавливают частотные полосы с пороговыми значениями для каждого вида дефектов, после фильтрации, преобразований и спектрирования сигнал последовательно, многократно сравнивают с заданными пороговыми значениями и судят о состоянии контролируемых параметров изделий, выбраковывая их на каждом этапе сравнения (см. Патент RU 2138032, опубл. 20.09.1999).
Недостатком известного способа является необходимость постановки контролируемого узла на измерительное устройство, отсутствие возможности диагностики непосредственно в процессе эксплуатации изделия.
Наиболее близким решением является способ диагностики технического состояния подшипников, осуществляемый с помощью устройства для диагностики подшипников. Способ заключается в том, что на наружной стороне корпуса подшипника устанавливают акустико-эмиссионный датчик. Сигналы с датчика отправляют на блок обработки информации, где происходит расчет и обработка результатов технического состояния подшипника с выводом ряда параметров на дисплей и в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство для передачи в персональный компьютер. При осуществлении способа определяют параметр, характеризующий распределение амплитуд сигналов акустической эмиссии по уровням, но в процентной форме. По численному значению такого параметра можно судить о степени изношенности подшипника. Данный способ реализуется в условиях ремонтных предприятий на стационарных диагностических позициях (см. Патент RU 2240527, опубл. 20.11.2004).
Недостатками наиболее близкого решения являются: наличие только одного канала диагностики, т.е. возможность одномоментного контроля лишь одного узла вагона; необходимость установки подвижного состава на специализированную домкратную позицию, т.е. отвлечение вагона от эксплуатационной работы; отсутствие постоянной связи устройства для диагностики с программным обеспечением и аналитической программой, что не позволяет выполнять детальную классификацию дефекта. Кроме того, диагностирование выполняется в условиях отсутствия реальной эксплуатационной нагрузки на подшипниковые узлы и зубчатые передачи вагона, т.е. является тестовым.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение достоверности и оперативности диагностики состояния подшипниковых узлов и зубчатых передач пассажирских вагонов, адаптивное прогнозирование остаточного ресурса на основе анализа акустико-эмиссионных сигналов, снятых с контролируемых узлов в условиях реальных эксплуатационных нагрузок, возможность локализации и определения геометрических размеров дефектов, повышение уровня безопасности движения на железнодорожном транспорте.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности диагностики и контроля подшипниковых узлов и зубчатых передач пассажирского вагона в процессе его эксплуатации без необходимости вывода из эксплуатации пассажирского вагона и постановки его на проверочные линии, обеспечение возможности своевременного выявления дефектов подшипниковых узлов и зубчатых передач пассажирского вагона.
Технический результат изобретения достигается благодаря реализации способа мониторинга технического состояния пассажирского вагона, заключающегося в том, что в процессе эксплуатации пассажирского вагона при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени с помощью акустико-эмиссионного датчика, установленного на корпусе каждого диагностируемого узла пассажирского вагона, осуществляют непрерывное измерение значений сигналов акустической эмиссии, измеренные значения сигналов посредством каналов связи передают по меньшей мере на один промежуточный аналитический блок, установленный в пассажирском вагоне, с помощью по меньшей мере одного промежуточного аналитического блока осуществляют обработку принятых сигналов и отправку их посредством каналов связи на центральный аналитический блок, расположенный на рабочем месте проводника пассажирского вагона, с помощью центрального аналитического блока осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование о техническом состоянии каждого диагностируемого узла пассажирского вагона.
Кроме того, могут использовать акустико-эмиссионные датчики и промежуточные аналитические блоки, соединенные измерительными каналами связи в виде кабелей, уложенных в защитные рукава и закрепленных к раме тележки и/или кузова пассажирского вагона.
Кроме того, могут использовать промежуточные аналитические блоки связанные друг с другом посредством информационных каналов связи, при этом промежуточные аналитические блоки могут осуществлять анализ всех измерительных каналов связи одновременно в режиме постоянной синхронизации.
Кроме того, диагностируемые узлы представляют собой подшипниковый узел и/или зубчатую передачу, и/или вращающуюся часть системы вентиляции и/или отопления, и/или кондиционирования.
Кроме того, непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии могут осуществлять в полосе частот от 20 кГц до 300 кГц.
Кроме того, при обработке на по меньшей мере одном промежуточном аналитическом блоке принятых сигналов могут осуществлять их усиление с помощью усилителя, фильтрацию с помощью широкополосного фильтра, преобразование в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя и отправку оцифрованного сигнала на центральный процессор.
Кроме того, с помощью центрального процессора могут осуществлять хранение обработанных сигналов, привязку их к скорости движения пассажирского вагона и расчет ресурса диагностируемого узла.
Кроме того, с помощью центрального аналитического блока могут осуществлять обобщение диагностической информации от всех промежуточных аналитических блоков, хранение диагностической информации, ее привязку к скорости движения пассажирского вагона.
Кроме того, информирование могут осуществлять посредством дисплея, установленного на рабочем месте проводника пассажирского вагона и связанного с центральным аналитическим блоком.
Кроме того, информацию о рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла могут отправлять в сервисное предприятие посредством беспроводных каналов связи.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема установки комплексной многоканальной бортовой системы, с помощью которой осуществляется диагностика подвижных узлов пассажирского вагона; на фиг. 2 представлена фотография варианта установки акустико-эмиссионного датчика на одном из диагностируемых узлов пассажирского вагона; на фиг. 3 показан вариант крепления измерительных каналов в защитных рукавах к раме тележки пассажирского вагона; на фиг. 4 представлена фотография варианта размещения и крепления промежуточного аналитического блока на раме тележки пассажирского вагона; на фиг. 5 схематично показана функциональная схема комплексной многоканальной бортовой системы диагностики пассажирского вагона, с помощью которой осуществляется обработка акустико-эмиссионного сигала по одному измерительному каналу; на фиг.6 показаны параметры оцениваемого акустико-эмиссионного диагностического сигнала, например, подшипникового узла вагона.
Предложенный способ диагностики технического состояния нагруженных узлов пассажирского вагона осуществляется с помощью комплексной многоканальной бортовой системы диагностики пассажирского вагона (фиг. 1), выполненной в виде блочно-модульной структуры с линиями связи, и которая включает следующую совокупность технических средств (но не ограничиваясь): акустико-эмиссионные датчики 1; промежуточные аналитические блоки 2; центральный аналитический блок 3; дисплей 4; блок 5 питания; блок 6 контроля скорости; датчик 7 скорости; измерительные каналы 8 связи (измерительные кабели 8), соединяющие выходы акустико-эмиссионных датчиков 1 с входами промежуточных аналитических блоков 2; информационные каналы 9 связи (информационные кабели 9), соединяющие промежуточные аналитические блоки 2 между собой, выходы промежуточных аналитических блоков 2 с входами центрального аналитического блока 3, а также выход датчика 7 скорости с входом блока 6 контроля скорости, и выход центрального аналитического блока 3 с входом дисплея 4; каналы 10 питания (кабели 10 питания), соединяющие блок 5 питания с промежуточными аналитическими блоками 2, с центральным аналитическим блоком 3, с дисплеем 4 и с блоком 6 контроля скорости.
Перед осуществлением диагностики технического состояния пассажирских вагонов датчики 1 устанавливают (монтируют) на корпусы диагностируемых (контролируемых) узлов в постоянном техническом исполнении (фиг. 2). Диагностируемые узлы представляют собой подшипниковые узлы, зубчатые передачи, генераторы, вспомогательные приводы экипажной части пассажирского вагона, вращающиеся части систем вентиляции, отопления и кондиционирования, а также другие подвижные (вращающиеся) нагруженные узлы пассажирских вагонов железных дорог, от которых зависит надежная работа систем безопасности и жизнеобеспечения пассажирских вагонов. Количество датчиков 1 в используемой для осуществления способа системе соответствует числу диагностируемых узлов оборудования пассажирских вагонов, при этом на корпус каждого диагностируемого узла устанавливают, преимущественно, один датчик 1 (однако, в случае необходимости на корпусе одного диагностируемого узла может быть установлено и большее количество датчиков 1).
Промежуточные аналитические блоки 2 (АРП-11/N) представляют собой блоки обработки и анализа сигналов акустической эмиссии, которые осуществляют обработку и анализ акустико-эмиссионных сигналов, поступающих от датчиков 1 диагностируемых узлов. Количество блоков 2 в используемой системе может быть любым от одного и более в зависимости от количества осей пассажирского вагона, вспомогательных приводов, а также от количества оборудования жизнеобеспечения, снабжения пассажирских вагонов и их диагностируемых узлов. Каждый блок 2 устанавливают в пассажирском вагоне, преимущественно, закрепляют на раме тележки 14 вагона (фиг. 4) или на корпусе вагона. При этом каждый датчик 1 соединяют с соответствующим блоком 2 измерительным кабелем 8. Кабели 8 укладывают в защитные рукава 11 (металлорукава), которые с помощью хомутов 12 закрепляют к раме тележки 14 пассажирского вагона и/или к корпусу вагона, например, с использованием базовой скобы 13, привариваемой к раме тележки 14 вагона или к корпусу вагона (фиг. 3).
Центральный аналитический блок 3 располагают на рабочем месте проводника пассажирского вагона, например, в купе 15 проводника. Количество блоков 3 может быть также любым от одного и более в зависимости от необходимости. При этом либо часть блоков 3, либо все блоки 3 могут быть соединены с одним дисплеем 4, который также располагают на рабочем месте проводника, либо возможен вариант, когда каждый блок 3 соединен со своим дисплеем 4. Центральные аналитические блоки 3 соединяют с промежуточными аналитическими блоками 2 с помощью информационных кабелей 9. Центральные аналитические блоки 3 осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных блоков 2, хранение, привязку к скорости движения и расчет ресурса с выдачей информации проводнику (или иному контролирующему лицу) посредством графического дисплея 4.
Электрическое питание всей системы осуществляется от специализированного блока 5 питания.
Полный цикл обработки акустико-эмиссионного сигнала от каждого датчика 1 по одному измерительному каналу 8 схематично представлен на фиг. 5. Обработка сигнала осуществляются с помощью усилителя 16, полосового фильтра 17, аналогово-цифрового преобразователя 18, центрального блока 3, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 19, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 20, временного таймера 21, информационного дисплея 4, системы внешнего интерфейса 22. Временной таймер 22 необходим для фиксации временного периода поступления акустико-эмиссионных сигналов с целью дальнейшей обработки и анализа сигналов во временном промежутке до 0,1 мкс.
Предложенный способ диагностики технического состояния пассажирского вагона осуществляется в процессе эксплуатации вагона при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени. Т.е. в процессе эксплуатации пассажирского вагона, когда нагружены его ходовые узлы, когда работают генераторы, системы отопления, вентиляции и т.п., с помощью каждого акустико-эмиссионного датчика 1, установленного на корпусе соответствующего диагностируемого узла оборудования пассажирского вагона, одновременно осуществляют непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии в полосе частот, преимущественно, от 20 кГц до 300 кГц. Измеренные значения сигналов посредством измерительных каналов 8 связи передают от датчиков 1 на соответствующие блоки 2. Таким образом, акустико-эмиссионные сигналы, излучаемые работающим нагруженным подшипниковым узлом или зубчатой передачей, или иной нагруженной вращающейся частью, преобразуются в датчике 1 в электрические непрерывные импульсы, которые поступают на блоки 2. С помощью блоков 2 осуществляют обработку принятых от датчиков 1 аналоговых сигналов. При этом в процессе обработки сигналов каждым блоком 2, на блоке 2 с помощью усилителя 16 осуществляют усиление принятых от датчиков 1 сигналов. Далее усиленные сигналы поступают в широкополосный фильтр 17, с помощью которого осуществляют фильтрацию усиленных сигналов. Далее выделенные после фильтрации сигналы поступают на вход в аналого-цифровой преобразователь 18, с помощью которого осуществляют преобразование аналоговых сигналов в цифровой сигнал. После АЦП значения электрических сигналов в цифровом формате поступают на вход центрального процессора, который является основной (базовой) микросхемой промежуточного аналитического блока 2 обработки информации. Центральный процессор каждого блока 2 осуществляет хранение обработанных сигналов от датчиков 1, привязку их к скорости движения пассажирского вагона и расчет ресурса соответствующего диагностируемого узла. Промежуточные аналитические блоки 2 обеспечивают анализ всех измерительных каналов 8 связи одновременно в режиме постоянной синхронизации. Контроль скорости движения пассажирского вагона, а следовательно и частоты вращения диагностируемых узлов выполняется посредством датчика 7 скорости и блока 6 контроля скорости.
После обработки блоками 2 принятых от датчиков 1 сигналов, все обработанные сигналы со всех блоков 2 отправляют с помощью информационных каналов 9 связи на центральный аналитический блок 3. С помощью блока 3 осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных блоков 2, хранение диагностической информации и ее привязку к скорости движения пассажирского вагона. Также с помощью блока 3 осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование проводника (или иного контролирующего лица) с помощью дисплея 4 о техническом состоянии каждого диагностируемого узла оборудования пассажирского вагона. При этом значения измеренных величин, характеризующих техническое состояние подшипниковых узлов, зубчатых передач или иных контролируемых вращающихся частей, поступают в оперативное запоминающее устройство 19 блока 3, а все расчетные данные, характеризующие техническое состояние диагностируемых узлов, сохраняются в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве 20 блока 3.
Рассчитанные значения анализируют и сопоставляют с нормативными значениями для оценки технического состояния и ресурса каждого вращающегося контролируемого нагруженного узла.
Состояние каждого диагностируемого узла оценивается по следующим параметрам (фиг. 6):
ед
А - значение единичной амплитуды акустико-эмиссионного сигнала за время анализа, ед (мкВ);
D - среднее значение величины всех амплитуд акустико-эмиссионных сигналов за время анализа, ед (мкВ);
мах
А - значение максимальной амплитуды акустико-эмиссионного сигнала за время анализа, ед (мкВ);
а
Т - время анализа амплитуд акустико-эмиссионного сигнала, соответствующее времени совершения подшипником (зубчатой передачей) не менее одного полного оборота, мкс;
ед
а
Для оценки степени развития единичного дефекта используется параметр А - коэффициент амплитуды измеренного акустико-эмиссионного сигнала за время анализа Т, который выражается в процентной форме и определяется следующим выражением:
Для оценки остаточного ресурса диагностируемого узла используется зависимость:
где
Р - значение остаточного ресурса диагностируемого узла, %;
доп
а
D - значение максимально допустимой величины амплитуд акустико-эмиссионных сигналов за период времени Т (цифровое значение, ед.);
Все данные о текущем состоянии подшипниковых узлов, зубчатых передач и иных контролируемых вращающихся частей накапливаются в энергонезависимой памяти используемой системы. Информация о техническом состоянии и ресурсе узла отображается на информационном дисплее 4, размещенном в купе 15 проводника, на котором в режиме реального времени отображается диагностическая панель состояния с информацией о допустимой или не допустимой эксплуатации соответствующего узла или ограничении его ресурса.
Информацию о техническом состоянии и рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла, о допустимой или не допустимой эксплуатации или ограничении ресурса с центрального аналитического блока 3 отправляют посредством беспроводной связи в сервисное предприятие для организации обслуживания и обеспечения безопасности движения.
Модульный принцип построения и применение универсальной платформы программного обеспечения позволяет расширить функциональные возможности системы, путем включения в объекты мониторинга вспомогательных машин, электромашинных преобразователей, мотор-компрессоров, мотор-вентиляторов, генераторов управления, насосов охлаждения, а также другого вращающегося оборудования пассажирского вагона, требующего контроля приводов. Датчики 1 могут устанавливаться на буксовых узлах пассажирского вагона, на генераторах электроснабжения, на подшипниковых узлах мотор-компрессоров (моторно-осевые подшипники скольжения и качения), на подшипниковых узлах вентиляторов холодильника, вентиляторов охлаждения, на подшипниковых узлах маслонасосов, на подшипниковых узлах и зубчатых передачах вспомогательных приводов экипажной части пассажирского вагона, на вращающихся частях систем вентиляции, отопления и кондиционирования, а также иных требующих контроля узлах.
Благодаря осуществлению предложенного способа с использованием описанной системы, обеспечивается возможность контроля и диагностики любого нагруженного узла (подшипникового узла, зубчатой передачи или иной нагруженной вращающейся части) пассажирского вагона в процессе его эксплуатации без необходимости временного вывода вагона из эксплуатации и его переноса на специальные проверочные стенды. Исключается необходимость остановки пассажирского вагона для контроля его узлов, и соответственно его простоя, поскольку весь контроль нагруженных узлов осуществляется в режиме реального времени при эксплуатации пассажирского вагона. Благодаря этому имеется возможность своевременно выявить дефекты диагностируемых узлов и точно определить их ресурсы. Отображение информации о состоянии диагностируемых узлов на дисплее 4, а также отправка этой информации в сервисные предприятия позволяет оперативно диагностировать узлы и принимать решения о дальнейшем использовании, ремонте или замене того или иного диагностируемого узла. Благодаря установке на каждом диагностируемом узле отдельного датчика 1, соединенного с блоком 2 обработки, существенно повышается достоверность и оперативность диагностики состояния соответствующих нагруженных узлов, а также возможность максимально точного определения геометрических размеров появляющихся дефектов в диагностируемых узлах, в результате чего повышается уровень безопасности на железнодорожном транспорте. Применение способа с системой диагностики позволяет формировать базу данных диагностируемых узлов с информацией об их ресурсе, а также формировать рекомендации по эксплуатационным режимам и сервисному обслуживанию.