Виброакустическая диагностика буксовых подшипников подвижного состава

Одной из главных задач, стоящих перед тяговым подвижным составом (локомотивы, вагоны и т. д.) Российских железных дорог, является повышение их эксплуатационной надежности в целях обеспечения безопасности движения поездов с учетом реализации необходимых тяговых характеристик, улучшение габаритно-массовых и эксплуатационных показателей в широком диапазоне нагрузок и скоростей движения, в сложных климатических условиях /1/.

Из опыта эксплуатации тягового подвижного состава известно, что при существующем методе эксплуатации и ремонта железнодорожной техники, когда замена узлов и механизмов происходит после отработки назначенного ресурса, не учитывается фактическое техническое состояние отработавших изделий. При этом значительная их часть имеет допустимое по ТУ /2/ техническое состояние, позволяющее производить дальнейшую эксплуатацию. В то же время, имеют место случаи преждевременного выхода элементов агрегатов и механизмов из строя. Повышение экономической эффективности применяемого метода эксплуатации локомотивов и вагонов может быть достигнуто за счет внедрения нового, свободного от недостатков методаметода замены узлов и агрегатов по их фактическому техническому состоянию. Этот метод предусматривает после отработки агрегатами «гарантированного» ресурса, начиная с момента первой переборки, проведение непрерывного или периодического контроля и диагностики параметров, определяющих техническое состояние агрегатов с целью поддержания заданного уровня их надежности в эксплуатации на период до следующей проверки или ремонта при достижении ими предотказного состояния на основе диагностики /3/.

Целью данной диссертационной работы является поддержание заданного уровня надежности агрегатов и узлов тягового подвижного состава в эксплуатации на период до следующей проверки или ремонта их при достижении ими предотказного состояния с использованием методов технической диагностики.

Для внедрения нового метода необходимо разработать методики и создать средства диагностики, позволяющие штатным работникам депо непосредственно на локомотиве или вагоне без демонтажа узла определять неисправные узлы и агрегаты, затрачивая при этом минимальное количество времени.

Как известно, агрегаты и механизмы тягового подвижного состава построены на различных принципах, т. е. диагностические сигналы, несущие информацию о техническом состоянии указанных механизмов также имеют неодинаковую физическую природу. Это обстоятельство затрудняет создание универсальной методики безразборной технической диагностики.

В настоящее время в локомотивном и вагонном хозяйствах МПС РФ, в том числе в Транспортной Компании «ЛУКойл-Транс», Волгоградский филиал, разрабатываются методы безразборного определения технического состояния агрегатов и узлов подвижного состава.

Одним из основных факторов, ограничивающих надежность тягового подвижного состава (локомотива и вагона), а, следовательно, амортизационные сроки службы, является несовершенство методов технического обслуживания (ТО) и технического ремонта (ТР) агрегатов и узлов, а также методов диагностики агрегатов подвижного состава в целом, без разборки.

К настоящему времени отечественными и зарубежными учеными разработан целый ряд методов диагностики и контроля агрегатов и узлов /4,5,6,7,8,9/.

Внедрение в практику эксплуатации таких методов и средств позволяет осуществлять оперативную диагностику параметров технического состояния, способствует принятию своевременных объективных решений о сроках и содержании ТО и ТР. При этом весьма часто возникает необходимость контроля и диагностики технического состояния подшипников качения, входящих в состав многих агрегатов и механизмов ПС, и в значительной мере определяющих их работоспособность.

Данная работа, являющаяся частью проводимых в РГУПС-РИИЖТ исследований по разработке методики и созданию средств безразборной виброакустической диагностики технического состояния агрегатов и узлов ПС, посвящена проблеме диагностики подшипников качения буксового узла нефтеналивного подвижного состава.

Техническое состояние механизма или агрегата ПС в каждый момент времени определяется значениями ряда независимых величин, характеризующих внутренние свойства объекта диагностики (зазоры, натяги в кинематических парах и элементах). Непосредственное измерение их не всегда возможно. Поэтому, в безразборной диагностике осуществляется измерение лишь таких физических величин, которые доступны непосредственному измерению и связаны с параметрами технического состояния, определенными функциональными зависимостями. Эти физические величины называются диагностическими сигналами.

В качестве диагностического сигнала в настоящем исследовании используются упругие колебания, возбуждаемые динамическими процессами, протекающими в объектах исследования. Природа этих колебаний тождественна акустическим явлениям, связанным с распространением звуковых волн в сплошных средах. В связи с этим упругие колебания, возникающие в процессе работы машины, механизма или агрегата, получили название виброакустического сигнала.

Объектом исследования выбраны подшипники качения (ПК) букс колесных пар ПС (локомотивов, вагонов и т. д.). Такой выбор обусловлен тем, что, согласно статистическим данным /10/ разрушение подшипника качения в буксах вагона происходит в самом начале эксплуатации. Обычно причинами этого могут быть низкое качество его изготовления или нарушение технологии монтажа после ремонта. Поэтому, сделан вывод о том, что причиной внезапного усталостного разрушения цилиндрического подшипника является неудовлетворительное качество его изготовления, что приводит к отцепкам грузовых вагонов.

Нарушения технологии монтажа проявляются в ослаблении внутренних колец на шейке оси из-за неудовлетворительного подбора величины натяга, а также в ослаблении торцового крепления буксы, что составляет & 35,5%.

Неисправности в ПК буксового узла приводят к понижению безопасности движения поездов и к увеличению затрат на ТО и ТР вагонов.

Эти обстоятельства побуждают к поиску таких методов и средств, которые позволили бы с наименьшими затратами времени и с необходимой точностью осуществлять оперативную диагностику эффективных показателей работы и технического состояния элементов буксовых подшипников колесных пар подвижного состава (локомотивов, вагонов и т. д.).

Настоящую работу, посвященную взаимосвязи упругих корпусных колебаний (виброакустического сигнала) корпуса буксы с параметрами технического состояния ПК для целей диагностики, можно рассматривать как попытку решения некоторых сторон данной актуальной проблемы.

Диссертационная работа содержит разработку одного из возможных вариантов безразборной виброакустической диагностики технического состояния ПК в буксовых узлах подвижного состава. Применение предлагаемого метода обработки виброакустического сигнала, поступающего с вибропреобразователя, установленного на корпусе объекта диагностики, позволяет, по мнению автора, решать поставленную задачу диагностики. Поэтому, одним из показателей надежной работы агрегатов и узлов ПС в эксплуатации являются величины и характер собственной корпусной вибрации (СКВ). Многие неполадки в элементах и узлах ПС возникают из-за чрезмерного износа его деталей, что естественно вызывает рост параметров корпусной вибрации букс.

Состояние вопроса и задачи исследования.

Для диагностики параметров функционирования буксовых подшипников.

ГТС в свободном их состоянии и на собранной колесной паре были разработаны специальные устройства — станок эталонного вращения для диагностики ПК и стенд для вывешивания и вращения колесной пары при виброакустической диагностике элементов буксового узла. /11,12/.

Анализ условий их применения показывает, что они предназначены для заводского производства и деповского ремонта ПК подвижного состава.

На универсальном стенде можно диагностировать техническое состояние буксовых подшипников без выкатки из-под вагона. Он также позволяет обкатывать ПК с реверсированием колесной пары и с электрическим торможением.

Как известно из практики и анализа работ /13, 14, 15, 16, 17/, измерение параметров СКВ буксы позволяет определить механические усилия, действующие на буксовый узел ПС, оценить эксплуатационное состояние буксовых подшипников и запас их прочности.

В буксовых узлах ПС определяющими наработку на отказ и ресурс до заводского ремонта являются подшипники качения различных типов: 42 726ЛМ- 232 726Л1МЗН32 532Л1- 2Н42 536Г- 2Н52 536Г. Поэтому, разработка метода измерения величины радиального зазора в подшипниках качения ПС является актуальной задачей.

Уровень и характер СКВ работающей буксы являются основным показателем технического состояния её элементов, т. е. подшипника качения и служат обобщающей характеристикой и степенью изношенности деталей ПК буксового узла.

Следовательно, изучение закономерностей СКВ буксовых узлов ПС в зависимости от технического состояния её элементов является первостепенной задачей при разработке методики виброакустического диагностирования технического состояния ПК буксового узла ПС.

Разработка и создание безразборной технической диагностики представляет сложную задачу, которая может быть решена объединенными усилиями специалистов разных областей науки и техники. К наиболее значительным работам в этой области можно отнести исследования ученых: A.M. Авдеева, А. И. Беляева, И. В. Бирюкова, J1.B. Балона, Н. Г. Балицкого, А. Б. Баркова, И. И. Галиева, М. Д. Генкина, З. Г. Гиоева, Ю. А. Евдокимова, A.B. Лосева, В. Н. Лисунова, H.A. Малоземова, Б. В. Павлова, Э. А. Пахомова, В. В. Привалова, В. М. Приходько, Э. Э. Риделя, B.C. Руднева, Е. К. Рыбникова, Т. А. Тибилова, В. Н. Цуренко, В. А. Петрова, Б. С. Цыпкина, М. В. Орлова, А. Ф. Тагирова, В. Н. Кашникова, В. .П.Феоктистова, В. А. Четвергова, K.M. Рагульскиса, C.B. Иванова, Д. Г. Евсеева, В. Г. Козубенко, В. И. Киселева, В. В. Стрекопытова, В. Ф. Девяткова и многих других.

Целью данной работы является разработка методики безразборной виброакустической диагностики технического состояния подшипников качения в собранной буксе на колесной паре под вагоном или вне его.

Решение поставленных задач снижения отказов в буксовых подшипниках ПС в условиях их работы в Транспортной Компании «ЛУКойл-Транс» на стадии ремонта и эксплуатации потребовало проведения комплексного теоретического и экспериментального исследования и привело к разработке ряда основных положений, к которым относятся:

— создание единой детерминированной виброакустической модели буксовых подшипников подвижного состава;

— создание вибрационных норм буксовых подшипников в зависимости от их технического состояния, т. е. в зависимости от радиальных зазоров;

— разработка технологии определения дефектов на базе однотретьоктавного спектрального анализа в реальном масштабе времени и её внедрение в производство.

Теоретические разработки подтверждены результатами экспериментальных исследований, проведенных на вагоноремонтном депо Транспортной Компании «ЛУКойл-Транс», г. Волгоград.

Экспериментальный фонд включает следующие материалы:

— значительное количество записей виброосциллограмм СКВ в различных контрольных точках буксового узла колесных пар вагонов, установленных на универсальном стенде для вывешивания и вращения колесной пары на диагностической станции депо;

— усредненные однотретьоктавные спектры СКВ буксового узла колесных пар типа РУ-1 в реальном масштабе времени на различных частотах вращения и при различных технических состояниях ПК в буксе;

— зависимости общих уровней ускорений СКВ буксового узла в зависимости от технического состояния ПК;

— экспериментально полученные вибрационные нормы СКВ буксового узла в зависимости от технического состояния ПК;

По результатам работы в депо внедрена вибродиагностическая станция с методикой диагностирования буксовых подшипников качения.

Работа состоит из пяти глав. Первая глава посвящена обзору опубликованных работ и состоянию вопроса. Во второй главе описаны теоретические вопросы СКВ букс ПС и выполнен анализ существующих методов диагностики машин и механизмов.

В третьей главе изложены теоретические вопросы динамических сил, действующих на элементы колесной пары и задачи исследования, методика проведения и результаты эксперимента. В четвертой главе дана методика оценки технического состояния ПК в собранной буксе. В пятой главе приводятся краткое технико-экономическое обоснование результатов использования предложенной методики для определения технического состояния ПК в собранной буксе вагона.

14. Результаты исследования внедрены в производство в Волгоградском филиале ЗАО «Транспортная компания «ЛУКойл-Транс». Использование разработок только в Транспортной компании «ЛУКойл-Транс» позволило получить в 2001;2002г.г. экономический эффект в размере 3,5 млн руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

В результате изложенного в диссертации комплексного исследования решена важная народно-хозяйственная проблема по виброакустической диагностике буксовых подшипников подвижного состава.

1. Научно обосновано новое перспективное направление в ремонтном производстве вагонного хозяйства МПС и в Транспортной компании «ЛУКойл-Транс» и даны рекомендации по дифференциальному применению виброакустической диагностики.

2. Статистическим анализом установлено, что основная причина возникновения дефектов заключается в следующем: ослабление торцевого крепления подшипников на шейке осиизлом и разрушение сепаратора по причине механических повреждений, обводнение смазки и недостаточное количество ее между центрирующими поверхностями и бортами подшипников в буксе.

3. Буксовые подшипники работают в тяжелых условиях, которые заключаются в следующем: сравнительно высоки динамические нагрузкибольшие числа оборотов колесных парперекосы зазоров, возникающие вследствие отклонений, допустимых при монтаже и нагреве элементов подшипника. Полное разрушение буксового подшипника происходит преимущественно в начальный период эксплуатации после их ремонта. Более того, примерно 50% общего числа разрушений происходит в пределах пробега до 10 тыс. км, т. е. при обкатке их.

4. Надежность работы буксовых подшипников в эксплуатации в значительной мере зависит от величины радиального зазора (0,09-И), 25 мм). Подшипник с малым зазором имеет в нагруженной зоне больше роликов, чем подшипник, имеющий больший зазор и меньший угол зоны нагружения, т. е. чем больше роликов участвует в восприятии радиальной нагрузки, тем выше долговечность подшипника.

5. По данным Транспортной компании «ЛУКойл-Транс», буксовые подшипники должны подвергаться ревизии в деповских условиях через Ь = 560 000 км пробега вагона.

6. В процессе эксплуатации колесной пары в сопряжении цапфа-подшипник растет динамическая нагрузка на корпусе буксы за счет увеличения радиального зазора.

7. Увеличение динамической нагрузки в сопряжении цапфа оси — подшипник приводит к виброперегрузке корпуса буксы. Следовательно, виброперегрузку можно обнаружить по величине двойной амплитуды собственной корпусной буксы буксового узла колесной пары.

8. Амплитуды гармоник высших порядков виброимпульсов определяются дефектами в сопряжении цапфа оси — подшипник: увеличением радиального зазора, осевого разбега оси колесной пары, микротрещинами на элементах подшипника, волнистостью на кольцах и др.

9. Измеряя ускорения СКВ в контрольных точках на корпусе буксы, можно предсказать техническое состояние буксовых подшипников без разборки, т.к. установлено теоретически и экспериментально, что между радиальными зазорами и динамическим состоянием колебательной системы имеется тесная связь, т. е. вибрационная перегрузка корпуса буксы является одним из важнейших объективных критериев для безразборного определения радиальных зазоров в буксовых подшипниках колесных пар подвижного состава.

10. Разработан и внедрен в производство универсальный стенд для вывешивания и вращения колесной пары совместно с виброизмерительным комплексом типа ВДУ — 2, позволяющие измерять и регистрировать путем записи на бумагу и магнитную ленту параметры ускорения СКВ буксового узла, прослушивать издаваемый диагностируемым объектом шум и вибрацию.

11. Разработаны автором вибрационные нормы на буксовые подшипники на собранной колесной паре. Разработанные нормы дают удовлетворительные результаты при диагностике и могут служить основанием для разработки ГОСТов.

12. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны энергетические спектры для контрольных точек, позволяющие с высокой достоверностью определять технические погрешности (дефекты) в элементах буксовых подшипников колесных пар ПС.

13. Разработанная автором методика виброакустической диагностики позволяет ремонтировать буксовые подшипники колесных пар по необходимости.