СПОСОБ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ИЗНОСА ТЕЛЕЖКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА
METHOD OF ASSESSING DEGREE OF WEAR OF RAILWAY WAGON BOGIE

Изобретение относится к неразрушающему методу контроля степени износа тележки железнодорожного вагона.
Известна универсальная акустико-эмиссионная (АЭ) система диагностирования состояния (СДС1008) для регистрации и измерения параметров акустической эмиссии (www.sds.ru).
АЭ система СДС1008 - это аппаратно-программный комплекс для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров АЭ сигналов при проведении научных исследований, а также технической диагностики промышленных объектов акустико-эмиссионным методом неразрушающего контроля (НК).
АЭ система СДС1008 включает в себя системный блок и персональный компьютер (PC) с программным обеспечением (ПО «Maestro»), посредством которого осуществляется управление системой, а также регистрация, обработка, анализ и графическое отображение всей поступающей информации об испытуемом объекте.
АЭ система СДС1008 построена по принципу параллельной многоканальной цифровой регистрации параметров АЭ сигналов. Каналы регистрации АЭ сигналов включают:
- преобразователь (датчик) АЭ сигналов;
- предварительный усилитель АЭ сигналов;
- блок цифровой регистрации АЭ сигналов.
Программное обеспечение системы СДС1008 позволяет отображать комплекс параметров АЭ испытаний в реальном времени, а также обеспечивает широкие возможности для последующей обработки полученной информации в режиме «последующего анализа».
Применение метода акустической эмиссии для диагностики отдельных элементов подвижного состава известно (RU №2267122, RU №2337030). В данных технических решениях используются аппаратно-программные комплексы для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров АЭ сигналов, адаптированных для конкретных целей.
Диагностика отдельных элементов вагонной тележки с целью выявления отдельных критических дефектов, безусловно, важная задача, и она решается (RU №2296320, RU №2381935). Однако не менее важно иметь информацию о степени изношенности тележки железнодорожного вагона в целом или ее отдельных узлов, которые не имеют других дефектов кроме износа. Правильно принятое решение о необходимости проведения ремонта или замене отдельных узлов вагонной тележки может принести значительную экономию средств, сделать движение более безопасным, особенно это актуально при перемещении крупногабаритных и взрывоопасных материалов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ диагностирования конструкций (RU №2240551, МПК 6 G01N 29/14), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения мостовой металлической конструкции, например, проходящим поездом, оцифровку акустических сигналов, вычисление по ней спектра акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат развивающихся дефектов, при этом одновременно с регистрацией сигналов с акустических преобразователей осуществляют регистрацию динамической деформации, а регистрацию основных параметров акустических сигналов, координат развивающихся дефектов и их спектральных характеристик осуществляют в момент достижения максимума механических деформаций конструкции.
К достоинству данного способа следует отнести то, что параметры сигналов акустической эмиссии об исследуемом объекте получают при нагружении объекта реальными нагрузками (прохождение поезда) в реальном режиме времени, что позволяет судить о полученных результатах как более достоверных.
К недостаткам данного способа следует отнести ограниченность применения известного способа, которое не позволяет оценить степень износа тележки железнодорожного вагона в целом и ее отдельных узлов.
При разработке заявляемого способа оценки степени износа тележки железнодорожного выгона методом акустической эмиссии была поставлена задача, заключающаяся в повышения безопасности движения подвижного железнодорожного состава.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в получении достоверной информации о степени износа тележки железнодорожного вагона или ее отдельных узлов, что позволяет сделать своевременные выводы о необходимости ремонта или замены элементов вагонной тележки, а также о возможности использования тележки для перевоза крупногабаритных и взрывоопасных грузов.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе оценки степени износа тележки железнодорожного выгона, включающем прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в процессе движения тележки железнодорожного вагона, проведение оцифровки акустических сигналов, анализ спектра акустических сигналов, их обработку, при этом, преобразователи акустической эмиссии системы СДС1008 устанавливают на предварительно зачищенные неподвижные элементы тележки железнодорожного вагона, имеющей предельную степень износа в целом или ее отдельных узлов, с «правой» и «левой» стороны по два с каждой стороны, подключают преобразователи акустической эмиссии к предварительным усилителям, которые располагают рядом с преобразователями, подключают предварительные усилители к системному блоку системы СДС1008 и портативному компьютеру, прогоняют тележку железнодорожного вагона на различных скоростях и режимах движения с различной степенью загрузки вагона по кольцевому и прямолинейному железнодорожным участкам, являющимся «эталонными участками», регистрируют спектральные параметры акустической эмиссии от преобразователей акустической эмиссии, полученные данные считают «эталонными», прогоняют на тех же режимах по «эталонным участкам» исследуемую тележку железнодорожного вагона, регистрируют параметры акустической эмиссии с исследуемой тележки, проводят анализ и сравннение полученных результатов с «эталонными» данными, по результатам анализа и сравнения судят о степени износа исследуемой тележки железнодорожного вагона в целом или ее отдельных узлов.
Кроме этого, в качестве изношенных узлов выбирают буксовый узел, и/или колесную пару, и/или боковую раму, а в качестве элемента тележки железнодорожного вагона принимают корпус колесной буксы, преобразователи акустической эмиссии прижимают к корпусу колесной буксы с помощью магнитов через акустическую смазку, питание системы СДС1008 и портативного компьютера осуществляют от отдельного источника, состоящего из аккумулятора и преобразователя, тележку железнодорожного вагона прогоняют по кольцевому и прямолинейным участкам железнодорожного пути на скорости 40, 60 и 80 км/час, режиме торможения и разгона, режим нагружения определяют в зависимости от типа вагона, системный блок системы СДС1008 и портативный компьютер располагают в отдельной кабине на подвижном составе, а «эталонные участки» имеют рельсы первой группы годности.
Достаточным условием для суждения, что тележке железнодорожного вагона необходим ремонт или замена отдельных узлов, является равенство параметров акустической эмиссии, полученных с исследуемой тележки железнодорожного вагона, и параметров акустической эмиссии, считающихся «эталонными».
Условием пригодности тележки железнодорожного вагона для перевоза крупногабаритных и взрывоопасных грузов является равномерный износ узлов тележки с «правой» и «левой» стороны, что определяется равенством параметров АЭ с «левой» и «правой» стороны, полученных при движении вагона по кольцевому участку в двух противоположных направлениях, когда «левая» и «правая» стороны находятся поочередно в одинаковых максимальных условиях нагружения.
Способ осуществлялся следующим образом.
На вагонные тележки крепятся широкополосные преобразователи (датчики) акустической эмиссии (ПАЭ) GT300 с полосой регистрации 50-1000 кГц. Преобразователи АЭ сигнала GT300 выполнены на основе пьезокерамического элемента и имеют коррозионностойкий корпус из титанового сплава, плоскую керамическую рабочую поверхность и кабельный вывод со специальным разъемом (тип SMA) для подключения к усилителю АЭ. На «правой» и «левой» буксах вагонной тележки устанавливаются по два преобразователя АЭ. Металлическую поверхность колесной буксы предварительно шлифуют для обеспечения надежного акустического контакта с ПАЭ, которые прижимаются к поверхности буксы с помощью магнитных держателей через специальную акустическую смазку. ПАЭ подключаются к предварительным усилителям, которые располагают в непосредственной близости к ПАЭ.
ПАЭ сигналов подключаются к системному блоку СДС1008 с помощью ВЧ кабелей РК50. По ВЧ кабельным линиям обеспечивается электропитание усилителей и передача высокочастотных сигналов АЭ. Измерительный комплекс (системный блок и портативный компьютер) располагаются в задней кабине электровоза. Электропитание измерительного комплекса осуществляется от автономного источника, состоящего из аккумулятора (12V, 55Ah) и преобразователя (+12V-220V) ASTRA.
В качестве контрольного элемента была выбрана передняя пара корпусов колесной буксы вагонной тележки железнодорожного вагона. Железнодорожный (грузовой) вагон был частично загружен металлическими слитками. Испытательный поезд состоял из электровоза, одного грузового вагона, имевшего предельную степень износа вагонной тележки, и одного грузового вагона, степень износа вагонной тележки которого следовало оценить. «Эталонная» база данных формировалась по параметрам АЭ, полученным с тележки грузового вагона, имевшего предельную степень износа вагонной тележки.
В соответствии с предлагаемым способом оценки степени износа тележки железнодорожного вагона испытания проводились на различных режимах движения испытательного поезда:
- равномерное движение по испытательному кругу при скорости движения 40, 60, 80 км/час;
- равномерное движение по испытательному прямолинейному участку при скорости движения 40, 60, 80 км/час;
- ускоренное движение по испытательному кругу и прямолинейному участку;
- движение по испытательному кругу и прямолинейному участку с торможением.
Банк данных «эталонных» значений формировался в виде графиков, гистограмм, числовых значений параметров АЭ.
В таблице приведена часть результатов «эталонных» («Эт») числовых значений параметров АЭ и часть результатов, полученных при исследовании (Иссл) степени износа вагонной тележки, находящейся в эксплуатации, при движении поезда на скорости 60 км/час на круговом участке железной дороги. Регистрация АЭ проводилась в течение 2 минут. Испытания проводились на испытательном полигоне по кольцевому железнодорожному полотну, имеющему наклонный профиль. При движении поезда по часовой стрелке и наклоне полотна внутрь испытательного кольца режимы нагружения внутренних («правых») и внешних («левых») колес вагонной тележки существенно различались. Колесная кромка внешних колес была разгружена, а колесная кромка (внутренних) колес была полностью загружена и находилась в постоянном контакте с рельсом. При движении в обратном направлении происходила смена режимов нагружения колес.
Параметры АЭ
Всего событий
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 0-50 кГц
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 51-300 кГц
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 301-00 кГц
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 601-1200 кГц
Место установки датчика
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Левая» букса, движение колеса по внешнему рельсу
4400
2100
12-52
20-42
44-77
37-55
29-62
32-42
25-55
32-45
«Правая» букса, движение колеса по внутреннему рельсу
9300
3200
20-52
20-32
47-75
50-60
22-67
27-50
15-47
28-32
Различие в загрузке «левой» и «правой» сторон вагонной тележки, вызванное наклоном профиля железнодорожного полотна, находит отражение в различиях в параметрах АЭ. Характер распределения амплитудного и энергетического спектров свидетельствует об устойчивом движении правого колеса с большой постоянной нагрузкой и неустойчивом движении левого колеса. «Эталонные» значения характеризуются большим разбросом энергии в различных диапазонах частот.
Различный характер поведения «левого» и «правого» колеса колесной пары, «эталонной» и исследуемой тележки, вызванный наклоном дорожного полотна внутрь кольца (загрузка и постоянный контакт кромки «правого» колеса и нестационарное взаимодействие кромки «левого» колеса с рельсом, носящее характер рысканья), свидетельствует о различной степени износа вагонных тележек.
Наибольшее различие в поведении «правого» и «левого» колеса тележек иллюстрируется различием в распределении энергии сигналов АЭ в диапазоне частот 300-600 кГц.
Акустико-эмиссионные данные, полученные при испытании в режиме резкого торможения и ускорения (в таблице не представлены), позволили дополнительно получить информацию о различиях параметров «эталонной» и исследуемой тележек и сделать вывод о степени износа элементов вагонной тележки. Проведенный анализ параметров АЭ, полученных с исследуемой вагонной тележки, и сравнение их с «эталонными» параметрами позволили сделать вывод о том, что степень износа исследуемой тележки не достигла своего критического значения и нет необходимости ремонта данной вагонной тележки. Однако некоторые параметры АЭ информируют о том, что имеется износ отдельных узлов тележки, приближающийся к критическим значениям. Данную тележку не следует использовать для перевоза крупногабаритных и взрывоопасных грузов.
Предлагаемый способ оценки степени износа тележки железнодорожного вагона позволяет получить достоверную информацию о степени износа тележки железнодорожного вагона или ее отдельных узлов и сделать соответствующие выводы о ремонте или выводе из эксплуатации тележки.