Совершенствование системы вибродиагностики колесно-моторных блоков локомотивов

УДК 629.4

В. Ю. Тэттэр

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ КОЛЕСНО-МОТОРНЫХ БЛОКОВ ЛОКОМОТИВОВ

Дата поступления: 14.01.2016 Решение о публикации: 18.01.2016

Цель: Показать возможные направления развития систем (программно-аппаратного диагностического комплекса, специалиста, нормативной базы) вибродиагностики колесномоторных блоков локомотивов. Выделить и обосновать наиболее значимые и приоритетные направления совершенствования системы вибродиагностики. Методы: Рассмотрены возможные методы решения обозначенных проблем - организационные, технические, научные. Организационные методы предполагают пересмотр и обновление нормативной базы по вибродиагностике, организацию и осуществление программы модернизации или замены устаревшего оборудования, изменение технологии диагностики, внедрение в практику виртуальных эталонов дефектов. Технические методы предполагают улучшение характеристик аппаратной части комплексов, совершенствование алгоритмов распознавания дефектов. К научным методам относятся применение одновременно нескольких методов диагностики, создание моделей развития дефектов, поиск новых диагностических признаков дефектов с использованием математического аппарата нечетких множеств, нейронных сетей, вейвлет-преобразования. Результаты: Выбраны и обоснованы наиболее значимые направления развития вибродиагностического оборудования. Предложены технические и организационные решения по совершенствованию системы вибродиагностики. Практическая значимость: Реализация предложенных мер позволит улучшить качественные и количественные показатели вибродиагностики, сократить затраты на внеплановый ремонт локомотивов, повысить показатели безопасности движения.

Вибродиагностика, локомотив, модели дефектов, виртуальный эталон, спектральный анализ, алгоритм.

Vladimir Yu. Tetter, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, scientific research department head, tetterv@mail.ru (NPK Energoservis-Rezerv LLC, Omsk) IMPROVING THE VIBRATION-BASED DIAGNOSTICS SYSTEM FOR LOCOMOTIVES' WHEEL AND MOTOR BLOCKS

Objective: To present possible directions for development of systems (hardware and software diagnostics complex, specialist, regulatory framework) for vibration-based diagnostics of locomotives' wheel and motor blocks. To identify and substantiate the most relevant and high-priority directions for improving the vibration-based diagnostics system. Methods: Possible organisational, technical and scientific methods for solving specified problems are considered. Organisational methods suggest reviewing and updating regulatory framework of vibration-based diagnostics, organisation and implementation of a programme for modernisation or replacement

68

of outdated equipment, amending the diagnostics technology, practical introduction of virtual defect samples. Technical methods envision improving characteristics of the hardware components of the complexes, improving defect detection algorithms. Scientific methods include simultaneous application of several diagnostics methods, creating defect development models, searching for new diagnostic indicators of defects using mathematical tools of fuzzy sets, neural networks, wavelet tranform. Results: Most relevant directions for development of vibration diagnostics equipment were selected and substantiated. Technical and organisational solutions for improving the vibration-based diagnostics system are proposed. Practical importance: Implementation of the proposed measures will allow for improvements in qualitative and quantitative indicators of vibration-based diagnostics, cut expenses on unscheduled repairs of locomotives, improve operation safety indicators.

Vibration-based diagnostics, locomotive, defect models, virtual sample, spectral analysis, algorithm.

Повышение эффективности эксплуатации локомотивов, снижение затрат на их ремонт и обслуживание, улучшение показателей безопасности движения в значительной степени зависят от совершенствования системы безразборной вибродиагностикия колесно-моторных блоков (КМБ).

Основные направления развития вибродиагностического оборудования

Система вибродиагностики в ОАО «РЖД», в ремонтных и обслуживающих организациях совершенствуется по следующим основным направлениям:

1) пересмотр и обновление нормативной базы вибродиагностики;

2) скорейшая замена или модернизация вибродиагностического оборудования (ВДО), которое выработало свой ресурс, физически и морально устарело;

3) улучшение характеристик (надежности, метрологических и других) аппаратной части ВДО;

4) совершенствование алгоритмов диагностики на основе поиска новых диагностических признаков дефектов, использования современных методов обработки и анализа вибросигналов;

5) использование одновременно нескольких методов диагностирования;

6) упрощение и улучшение пользовательского интерфейса ВДО;

7) улучшение технологии диагностики;

8) составление моделей развития дефектов подшипников и зубчатых зацеплений;

9) внедрение в практику виртуальных (электронных) эталонов дефектов.

Рассмотрим основные направления совершенствования более подробно.

69

Нормативная база

В настоящий момент в локомотивном хозяйстве определяющим документом по вибродиагностике является Технологическая инструкция ПКБ ЦТ.25.0142. Инструкция подписана руководителями Центральной дирекции по ремонту тягового подвижного состава (ЦДРТ) и Проектноконструкторского бюро локомотивного хозяйства (ПКБ ЦТ), но разработана заинтересованной стороной - одним из предприятий - изготовителем ВДО, и по этой инструкции предприятие-разработчик где-то в явной, а где-то в неявной форме обеспечило себе преференции в условиях поставок ВДО в локомотивное хозяйство. Ранее на совещаниях по вибродиагностике в локомотивном хозяйстве принимали решения о создании рабочей группы для разработки подобного документа, но не выполнили их. Несмотря на полноту разделов инструкции, в ней много ошибок, например, даны собственные определения понятий, а ссылки сделаны на ГОСТ.

Было бы целесообразно пересмотреть и доработать инструкцию с учетом мнения всех основных разработчиков ВДО для нужд локомотивного хозяйства.

Модернизация и замена

В настоящий момент большая часть эксплуатируемого ВДО давно выработало свой ресурс, устарело морально и физически и требует скорейшей замены или модернизации. Ситуация осложняется тем, что значительная часть ремонта локомотивов, а вместе с этим и ВДО перешли в структуры вне ОАО «РЖД» - ООО «СТМ-сервис» и ООО «ТМХ-сервис» - и принять общую согласованную программу замены сейчас невозможно.

Аппаратная часть

Улучшение характеристик аппаратной части ВДО - важный момент, который может повысить подтверждаемость диагноза (его не совсем правильно называют достоверностью диагностики), уменьшить время диагностики, увеличить срок службы и периодичность технического обслуживания.

Алгоритмы

Совершенствование алгоритмов диагностики также направлено на улучшение показателей, в том числе глубины диагностики. В настоящее

70

время ВДО, эксплуатирующееся в локомотивном хозяйстве, использует следующие методы анализа вибросигналов:

• по параметрам временного сигнала;

• спектральный анализ широкополосного спектра;

• спектральный анализ прямого спектра;

• спектральный анализ спектра огибающей сигнала.

Перспективными методами обработки вибросигнала можно считать:

• использование вейвлет-преобразования, которое позволяет отследить изменение спектра во времени (или получить трехмерное спектральное поле);

• использование искусственных нейронных сетей, позволяющих обучать диагностическое оборудование;

• использование аппарата нечетких множеств;

• использование теории распознавания образов;

• фрактальный анализ.

Методы

Новые методы внедряются в практику очень медленно. Как правило, исследования заканчиваются на уровне моделирования, в основном на уровне обзорных дипломных работ и (реже) кандидатских диссертаций. Так, по первому направлению автору известны только три кандидатские диссертации, результаты которых пока не нашли применения на практике. Такое положение можно объяснить как общей экономической ситуацией, в которой снижается финансирование исследовательских работ, так и политикой руководящих органов ОАО «РЖД» в области разработки и внедрения средств диагностики подвижного состава.

Использование одновременно нескольких методов диагностирования -очевидный путь к улучшению качественных показателей вибродиагностики. Ведущие разработчики ВДО идут в этом направлении. Так, в новой разработке «Эксперт М» частотный диапазон входных сигналов расширен настолько, что дополнительно позволяет использовать акустико-эмиссионные методы.

Пользовательский интерфейс

Упрощение и улучшение пользовательского интерфейса тоже вполне понятно и вытекает из стремления улучшить потребительские свойства ВДО, затрачивая меньше времени на первоначальную подготовку персонала.

71

Технология диагностирования

Улучшение технологии диагностики. В настоящее время традиционной технологией диагностирования КМБ под локомотивом стало их вывешивание и прокрутка на холостом ходу. При этом из виду упускаются два момента, которые можно отнести к ограничениям такой технологии, а именно:

• при прокрутке КМБ на холостом ходу (без нагрузки), как правило, не обнаруживается такой опасный дефект, как проворот внутренней обоймы буксового подшипника;

• при вывешивании КМБ, верхние - наиболее нагруженные в эксплуатации - сегменты внешней обоймы подшипников, выпадают из поля зрения ВДО, так как по ним не перекатываются тела качения.

Предлагались и были опробованы технологии диагностики на катковых станциях, но они себя не оправдали, так как 100 %-ная нагрузка на колесо и трение соскальзывания «бесконечного рельса» вызывали вибрационные шумы, которые заглушали все диагностические признаки дефектов. В то же время руководству локомотивного хозяйства предлагалось техническое решение с помощью передвижной катковой станции, при котором бы частично подгружались КМБ. Средств на реализацию этого предложения не нашлось.

Модели дефектов

Составление моделей развития дефектов в эксплуатации. Одна из задач диагностики - прогнозирование остаточного ресурса изделия [1] или времени безаварийной работы после диагностики. Это одна из самых сложных задач, которая может успешно решаться только при соблюдении двух условий [4]:

• наличия глубокой диагностики, при которой определяется вид дефекта и степень его развития;

• наличия моделей развития дефектов в эксплуатации.

Если первое условие в некоторых типах ВДО соблюдается, то о втором приходится только догадываться. В открытых источниках нет сведений ни о расчетных, ни об эмпирических моделях развития дефектов подшипников и зубчатых зацеплений подвижного состава. Также нет сведений о работах в этом направлении.

Виртуальные эталоны

В последнее время в периодических научно-технических изданиях появились публикации, касающиеся создания виртуальных эталонов [2, 3]. Эта

72

проблема представляет значительный практический интерес, особенно в части создания виртуальных вибрационных эталонов дефектных подшипников подвижного состава железных дорог. Наличие таких виртуальных эталонов позволит:

• объективно оценивать заявляемые свойства ВДО и на основе этого делать его оптимальный выбор, например для централизованных поставок на сеть железных дорог;

• более рационально строить технологию диагностики при техническом обслуживании и ремонте локомотивов;

• проверять правильность функционирования средств диагностики до работы (в начале смены);

• во многих случаях заменять трудоемкую процедуру калибровки (по отдельным метрологическим параметрам) комплексной проверкой с помощью упомянутых эталонов (или увеличить интервал между калибровками).

Вопросы реализации таких эталонов можно найти в источниках

[5-7].

Выводы

Указанные проблемы и пути совершенствования системы вибродиагностики в локомотивном хозяйстве имеют решение, но требуют финансирования и принятия организационных мер заинтересованными сторонами. Реализация предложенных мер позволит улучшить качественные и количественные показатели вибродиагностики, сократить затраты на внеплановые ремонты локомотивов, повысить показатели безопасности движения.

Библиографический список

1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. - М. : Стан-дартинформ, 2009.

2. Ермишин С. М. Возможности создания виртуальных эталонов / С. М. Ерми-шин // Измерительная техника. - 2002. - № 10. С. 10-13.

3. Кузнецов А. А. Дополнение теории спектрального анализа материалов элементами оценки физико-механических свойств и использования виртуальных эталонов : ав-тореф. дисс. ... д-ра техн. наук : 05.11.13 / А. А. Кузнецов. - Омск, 2007.

4. Русов В. А. Спектральная вибродиагностика / Русов В. А.; ПВФ «ВИБРОЦЕНТР». - Пермь, 1996.

5. Тэттэр В. Ю. Прикладные вопросы диагностирования роторных узлов по вибрации / В. Ю. Тэттэр, А. Ю. Тэттэр. - Lap Lambert Acad. Publ. Saarbrucken, 2013. - 131 с.

6. Tetter V. Yu. Evaluating the Possibility of Realizing Vibration Standards of Defects in Rotary Mechanical Components / V. Yu. Tetter // Meas. Tech. - 2013. - Vol. 56, Is. 5. - P. 492-496.

73

7. Tetter V. Modeling of virtual standards of vibration of defective bearing units / V. Tetter, E. N. Sidorov, E.A. Sidorova // Meas. Tech. - 2013. - Vol. 56, Is. 3. - P. 278-282.

References

1. GOST 20911-89. Tekhnicheskaya diagnostika. Terminy i opredeleniya. [Technical diagnostics. Terms and definitions]. Moscow, Standartinform, 2009.

2. Yermishin S. M. Izmeritelnaya tekhnika - Meas. tech., 2002, no. 10, pp. 10-13.

3. Kuznetsov A. A. Dopolneniye teorii spektralnogo analiza materialov elementami otsenki fiziko-mekhanicheskikh svoystv i ispolzovaniya virtualnykh etalonov: avtoreferat diss. d-ra tech. nauk: 05.11.13 [Augmentation of spectral analysis theory of materials with elements of evaluation of physical and mechanical properties and use of virtual samples]. Omsk, 2007.

4. Rusov V. A. Spektralnaya vibrodiagnostika [Spectral vibration-based diagnostics]. Perm, PFV Vibro-Tsentr, 1996.

5. Tetter V. Yu. & Tetter A.Yu. Prikladnyye voprosy diagnostirovaniya rotornykh uzlov po vibratsii. [Applied issues in rotor assembly diagnostics by vibration]. Lap Lambert Acad. Publ. Saarbrucken, 2013. 131 p.

6. Tetter V. Yu. Meas. Tech., 2013, Vol. 56, Is. 5, pp. 492-496.

7. Tetter V., Sidorov E. N. & Sidorova E.A. Meas. Tech., 2013, Vol. 56, Is. 3, pp. 278-282.

ТЭТТЭР Владимир Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, начальник научно-исследовательского отдела, tetterv@mail.ru (ООО «НПК «Энергосервис-Резерв», г. Омск).

©Тэттер. В. Ю., 2015

74