ДАТЧИК ВИБРАЦИИ
VIBRATION SENSOR

Датчик вибрации относится к железнодорожному транспорту и может быть использован при контроле машин и устройств роторного действия, например, буксовых узлов, электрических машин, трубопроводов различного назначения и др.
В нижеприведенном заявочном материале предпринята попытка рассмотреть суть изобретения на примере виброакустического контроля наиболее уязвимых по дефектообразованию элементов подвижного состава, в частности, комплекта подшипников с лабиринтным кольцом, помещенных в корпус буксового узла. Неисправности буксовых узлов являются одной из главных причин срыва графика движения поездов.
Предлагаемое решение является универсальным, так как может быть применено по своему назначению в различных областях техники, где широко используют роторные машины.
Известно, что дефектообразование, в частности, роликовых подшипников в сборе с буксовым узлом, может быть своевременно выявлено применением вибрационных методов и средств неразрушающего контроля в процессе ремонта или в эксплуатации, см., например, патенты РФ №1716354, №1742732, №1747938, где основной функциональной частью являются вибропреобразователи, для которых необходимый акустический контакт обеспечивают соединением их с объектом шпильками или магнитами.
Контроль буксовых узлов обычно проводят в ремонтных депо в сборе с колесными парами при их принудительном вращении. Но применение в поточном ремонта подвижного состава вибропреобразователей с таким соединением является не технологичным, так как приводит к потерям времени на остановы ремонтного конвейера. При этом источники вибрационных помех, не связанных с объектом контроля, при этом не устраняются.
Определенный прогресс в диагностике технического состояния буксовых узлов достигнут к настоящему времени применением пьезоэлектрических вибропреобразователей, например, типа ДН3-М1 или ВД06А. Отметим, что в паспорте производителя ООО НТФ «МИКРОНИКС» вибропреобразователь типа ВД06А обозначен как датчик вибрации (см. Приложение) В нем контролируемые вибрации преобразуют в электрические колебания непосредственно, и его выходной сигнал пропорционален виброускорению.
В предлагаемом изобретении датчик вибрации типа ВДО6А принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Он содержит усилитель, встроенный в корпус, который, кроме того, обеспечивает согласование высокого выходного сопротивления пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с низким входным сопротивлением соединительного кабеля и потому увеличивает дальность размещения последнего от ПЭП.
Однако закрепление датчика вибрации - прототипа, например, на корпусе буксового узла в условиях поточного ремонта колесных пар, остается такой же нетехнологичной операцией, как и в устройствах - аналогах. При этом элементы конструкции датчика вибрации так или иначе остаются механически связанными с узлами пространственной рамы, где колесная пара фиксируется, и случайные, не связанные с объектом контроля вибрации от элементов рамы будут беспрепятственно проходить к датчику вибрации и возбуждать его вибропреобразователь. Устранения их мешающего влияния можно достичь постановкой протектора (болванки) между объектом контроля и вибропреобразователем с трансформацией свободной поверхности протектора в «игольчатую конфигурацию» и исключения любого контакта типа «металл - металл» на пути передачи (акустического тракта) упомянутых вибраций к вибропреобразователю. Это позволит уйти от завертывания шпилек непосредственно в объект контроля и оснастить датчик вибрации узлом демпфирования случайных помех от внешних источников вибраций.
Таким образом, целью изобретения является повышение технологичности и помехоустойчивости датчика вибрации.
Цель достигается тем, что датчик вибрации, содержащий вибропреобразователь, присоединенный к протектору, дополнен приводом, например, пневматическим, и демпфером, содержащим короткую, например, полиамидную, длинную металлическую и полиуретановую втулки, имеющие бурты, и твердосплавной иглой, выполненной в рабочей части конусообразной с углом в вершине примерно 90 градусов и запрессованной своей хвостовой цилиндрической частью осесимметрично в протектор, который, охваченный буртом в средней части, оперт через бурт короткой втулки на бурт длинной, причем зазоры между цилиндрическими смежными поверхностями протектора и короткой втулки, а также длинной и короткой втулками уплотнены первым и вторым резиновыми кольцами соответственно, при этом длинная втулка посажена в полиуретановую втулку с опорой нижним торцом последней на внешний бурт удлинителя штока, цилиндрическая оконечность которого, введенная во внутреннюю полость полиуретановой втулки, охватывает оконечность длинной втулки, и зазор между смежными поверхностями последней и оконечности удлинителя штока уплотнен третьим резиновым кольцом, при этом данный удлинитель на свободном конце жестко соединен со штоком пневмоцилиндра упомянутого привода и с платформой соосно, на последней диаметрально смонтированы две направляющие, помещенные в сверления, выполненные в корпусе пневмоцилиндра, который смонтирован торцом на основании, прикрепленном с помощью стоек к плите пространственной рамы.
Также
- рабочая часть твердосплавной иглы выполнена конусообразной с углом в вершине примерно 90 градусов;
- привод датчика вибрации снабжен пневмораспределителем, выполненным четырехканальным двухпозиционным с управлением от кнопки «Выкл» - «Вкл», при этом в первом ее положении штоковая полость пневмораспределителя и штоковая полость пневмоцилиндра сообщены с пневмосетью, а поршневая полость пневмоцилиндра с атмосферой, во втором положении - наоборот.
На фигуре показан чертеж датчика вибрации.
Датчик вибрации содержит вибропреобразователь 1, имеющий шпилечное соединение с протектором 2, твердосплавную иглу 3, выполненную в рабочей части конусообразной с углом в вершине примерно 90 градусов и запрессованную своей цилиндрической частью в охваченный буртом протектор 2, демпфер, состоящий из короткой полиамидной втулки 4, длинной металлической втулки 5 и полиуретановой втулки 6, а также уплотнительных первого 7 и второго 8 резиновых колец, размещенных в зазорах между сопряженными поверхностью хвостовой части протектора 2 и внутренней поверхностью короткой втулки 4, ее внешней поверхностью и поверхностью длинной втулки 5, а также состоящей из удлинителя штока 9, имеющего наружный бурт 10 на его цилиндрической поверхности, служащей опорой полиуретановой втулке 5. Протектор 2 и втулки 4, 5 и 6 снабжены буртами, которые создают опоры для сопряжений: протектора 2 с короткой втулкой 4, короткой втулки 4 с длинной втулкой 5 и последней с полиуретановой втулкой 6. Удлинитель штока 9 имеет внутреннюю полость, в которой размещена оконечность длинной втулки 5, при этом данный удлинитель 9 своей цилиндрической оконечностью посажен в полость полиуретановой втулки 6 (приблизительно на одну треть ее длины) между внутренней ее стенкой и наружной стенкой длинной втулки 5 с возможностью уплотнения зазора между их смежными поверхностями третьим резиновым кольцом 11. Охват концевой части длинной втулки 5 внутренней цилиндрической частью удлинителя штока 9 выполнен на длину, достаточную для размещения уплотняющего резинового кольца 11 и с возможностью углового поворота (смещения) в этом сечении оси удлинителя штока 9 относительно оси вибропреобразователя 1. Это позволяет устранить возможное защемление его корпуса внутренней стенкой длинной втулки 5 при поперечных деформациях датчика вибрации,
Упомянутый удлинитель 9 на другом конце жестко соединен со штоком 12 пневмоцилиндра 13 и соосно с платформой 14, на которой диаметрально, с возможностью устранения проворота последнего, закреплены две направляющие 15, помещенные в сверлениях 16, выполненные в корпусе пневмоцилиндра 13, закрепленного торцом на основании 17. Полость пневмоцилиндра 13 со стороны штока и поршня сообщена пневмоканалами 18 через фитинги 19 с пневморукавами 20, присоединенными к четырехканальному двухпозиционному пневмораспределителю 21, имеющему кнопку 22 с положениями «Выкл» и «Вкл». Последняя объединена с пневмосетью 23 через с регулятор давления 24 и клапан 25. Датчик вибрации своим основанием 17 с помощью стоек 26 смонтирован на плите 27 рамы с обеспечением достаточного зазора между твердосплавной иглой 3 и поверхностью объекта контроля 28. Работа датчика вибрации состоит в следующем.
Исходное состояние: колесная пара с буксовыми узлами, предварительно подкатанная по рельсовой колее, закреплена на контрольной позиции, оборудованной рамной конструкцией, датчик вибрации ориентирован вертикально с возможностью движения твердосплавной иглы 3 снизу - вверх, клапан 25 подачи сжатого воздуха закрыт, кнопка 22 установлена в положении «Выкл», шток 12 с поршнем занимает в полости пневмоцилиндра 13 нижнюю позицию с возможностью установления технологически необходимого зазора между твердосплавной иглой 3 и поверхностью корпуса буксового узла контроля 28.
Включают привод (на фигуре не показан) вращения колесной пары с буксовыми узлами 28, и включением клапана 25 подают сжатый воздух в пневмоцилиндр 13. Переводят кнопку 22 в положение «Вкл», поршневая полость последнего заполняется воздухом, и шток 12 поршня вместе с удлинителем штока 9 перемещается вверх (условно по фигуре). Протектор 2 с твердосплавной иглой 3 и вибропреобразователем 1 приближают к поверхности контролируемого буксового узла 28, заставляя данную иглу 3 войти с ним в механический контакт и «прошивая» возможный слой грязи, краски и других покрытий. Предварительно регулятором 24 подбирают значение давления (в пределах 2…3 Бар) в пневморукавах 20 с возможностью создания достаточной силы давления твердосплавной иглы 3 на металл корпуса буксового узла 28 с тем, чтобы, «сминая» микронеровности от шероховатости в «точке» их взаимодействия, образовать «гладкую площадку» для акустического контакта и, следовательно, акустический тракт прохождения волн вибрации, возникающих при вращении колесной пары от элементов подшипников буксового узла 28 к вибропреобразователю 1. Последний, возбуждаясь, формирует на своем выходе электрический сигнал, поступающий через кабель 29 в измерительный блок (на фигуре не показан), в котором производят спектральный анализ результата контроля.
Виброизоляция датчика вибрации обеспечена узлом демпфирования: более 99% энергии поступивших в протектор 2 волн вибрации идет на возбуждение вибропреобразователя 1. Расчеты показывают, что коэффициент проникновения волн вибрации через граничный слой от протектора 2 к втулке 4 составляет менее 1% за счет резкого падения акустических сопротивления второго относительно первого. Проникновение в упомянутый акустический тракт вибрационных помех со стороны металлической длинной втулки 5 и полиуретановой втулки 6 от вибраций пространственной рамы, окружающего воздуха и других факторов так же исчезающе мало по тем же причинам. В итоге работу датчика вибрации можно охарактеризовать следующим образом: твердосплавная игла 3, играя роль чувствительного элемента, в полном «объеме» воспринимает волны вибрации, чему наилучшим образом способствует прямой угол при ее вершине; протектор 2, являясь основным звеном помехозащищенного акустического тракта, обеспечивает без потерь прохождение волн к корпусу вибропреобразователя 1, который, возбуждаясь, формирует электрический сигнал для обработки в измерительном блоке.
Работу датчика вибрации завершают в обратной последовательности: переводят кнопку 22 в положение «Выкл», в результате пневмораспределитель 21 соединяет поршневую полость пневмоцилиндра 13 с атмосферой, а штоковую - с пневмосетью, протектор 2 с твердосплавной иглой 3 и удлинителем штока 9 вместе с поршнем занимают исходное положение, клапан 25 отключают.
Технический эффект проявляется
1) в повышении технологичности обеспечения акустического контакта датчика вибрации с объектом контроля, в результате отпадает необходимость шпилечного соединения вибропреобразователя непосредственно с «телом» объекта контроля; соединение согласно настоящему изобретению реализовано «внутри» датчика вибрации;
2) в повышении уровня виброизоляции акустического тракта прохождения контролируемых волн вибрации от объекта контроля к вибропреобразователю.