Диагностика колесно-моторного блока локомотивов

Российский государственный открытый технический университет путей сообщения Кафедра «Тяговый подвижной состав»

Контрольная работа по дисциплине

«Диагностика и техническое обслуживание локомотивов»

Тема: «Диагностика колесно-моторного блока локомотивов»

0454-п/Т-1133 ДиТОЛ. КР 7 133.00.00

Выполнил Бухтеев В. Ф Студент V-го курса Факультета «Транспортные средства»

Воронеж — 2008 г.

Введение

Одной из важнейших задач железнодорожного транспорта на современном этапе является повышение надежности работы тягового подвижного состава, снижение трудоемкости ремонта и как результат этого — снижение эксплутационных расходов. Основным методом повышения надёжности подвижного состава является система планово-предупредительного ремонта и обслуживания (ППР), которая представляет собой комплекс мероприятий по поддержанию работоспособности и исправности подвижного состава, которые осуществляются как при производстве плановых видах ремонта, так и непосредственно в процессе эксплуатации и ожидании работы, а также при нахождении в резерве или запасе.

Анализ показывает, что из общего количества операций технического обслуживания более 50% приходится на контрольные работы, около 30% - на крепёжные, около 15% - на регулировочные и до 5% - на смазочные операции. В тоже время около 25% времени ТО затрачивается на локализацию дефектной области (выявление неисправности узла или агрегата), около 40% - на поиск дефекта внутри этой области и только 35% - на восстановление (ремонт) отказавшего элемента. Поэтому столь актуальна разработка совершенных методов и средств контроля технического состояния деталей узлов и агрегатов локомотивов. Требуется и соответствующая организация технического обслуживания, совмещаемого с контрольно-диагностическими операциями, выполняемыми с помощью специальных средств диагностирования.

Система плановопредупредительного ремонта и обслуживания подвижного состава за более чем 50-летний срок хорошо зарекомендовала себя и позволила увеличить межремонтные пробеги локомотивов в 2−3 раза. В то же время существующая система плановопредупредительного ремонта и обслуживания подвижного состава в ее нынешнем виде не отвечает требованиям сегодняшнего дня.

Она не учитывает климатические и эксплуатационные условия полигона работы локомотивов, физический износ подвижного состава, интенсивность его использования, конструктивные особенности каждой серии локомотивов. Поэтому все более актуальными становятся задачи, связанные с переходом на систему ремонта по техническому состоянию. Опыт показывает, что переход на новую систему ремонта возможен только с одновременным внедрением современных диагностических комплексов.

1. Обзор технических систем технической диагностики На локомотивах сосредоточены узлы и агрегаты, имеющие различные конструкционные исполнения и большой разброс по остаточному ресурсу. Мероприятия по поддержанию их работоспособности проводятся как на этапе эксплуатации в виде технического обслуживания (ТО) или текущего ремонта (ТР), так и при проведении средних и капитальных ремонтов (СР, КР).

Имеются три основных системных подхода при определении необходимости технических мероприятий по восстановлению ресурса.

Ремонт по отказу предусматривает восстановление только в случае перехода системы или её элементов из работоспособного состояния в неработоспособное. Это, как правило, применяется к узлам и элементам, состояние которых оценивается визуально или с помощью простых линейных измерений, а ремонт осуществляется в случае повреждения (опоры дизеля лобовые и боковые стекла, обшивка кузова, фундаменты силовых агрегатов). Преимущества такой системы заключается в оптимизации затрат. Однако такая система имеет и существенный недостаток. Она не обеспечивает высокую надежность и не дает гарантии безаварийной работы. Такую систему целесообразно применять там, где заложена высокая конструктивная надежность и гарантия безаварийной работы, а выход из строя не повлечет за собой катастрофических последствий для всей технической системы.

Планово-предупредительная система заключается в том, что ремонт выполняется в строго регламентированном порядке в зависимости от календарного срока службы или линейного пробега. В данном случае обязательна разборка всех элементов независимо от их работоспособности с регламентированной заменой или восстановлением отдельных, наиболее ответственных узлов и деталей, узлов и агрегатов. По этой системе ремонтируются узлы и агрегаты, связанные с обеспечением безопасности движения поездов. Преимущества системы заключаются в возможности гарантировать ресурс и безопасную эксплуатацию наиболее ответственных узлов и деталей. Основной недостаток — высокий уровень затрат на регламентированный объем работ, необходимость полной разборки и принудительной замены деталей независимо от их работоспособности.

Ремонт по техническому состоянию предполагает определение объемов восстановления на основе данных технической диагностики, проводимой с установленной периодичностью. По результатам диагностики принимаются решения об исправном и неисправном состоянии, определяют остаточный ресурс работоспособности, обеспечивающей должную надежность в эксплуатации. Преимущества данной системы в адресности ремонта, что позволяет существенно снизить затраты на поддержание работоспособности. Система позволяет прогнозировать прогнозирование без разборки узлов и агрегатов, гарантированную надежность при повторном использовании деталей с узлов и агрегатов, выработавших ресурс по другим элементам.

В настоящее время на железнодорожном транспорте используется довольно широкая номенклатура диагностической техники, что создает условия для ввода элементов ремонта по техническому состоянию и снижению затрат на ремонт и технического обслуживание повышению надежности эксплуатации тягового в рамках действующей системы планово-предупредительного ремонта.

Широкое применение в локомотивном хозяйстве нашли комплексы диагностики подшипниковых узлов тягового подвижного состава на основе ряда методик, что связано с тем, что они относятся к числу элементов, от технического состояния которых непосредственно зависят надежность локомотива и безопасность движения.

Акустический метод, суть которого заключается в оценке интенсивности звукового давления (CjB), генерируемого диагностируемым узлом в процессе его работы. При этом в качестве критерия степени развития дефекта принимаются нормативные значения звукового давления, устанавливаемые для конкретного узла. Метод реализован в приборе ПИК-1М, ИРП-12.

Диагностика по общему уровню вибрации, основанная на непосредственном измерении параметров вибросмещения, виброскорости или виброускорения исследуемого узла. Критерием наличия и степени развития дефекта по данному методу служат нормативные уровни вибрации, принятые для исследуемого механизма. Дефектным считается такой подшипник, величины вибрации которого превысили установленную норму для агрегата.

Данный способ диагностики по своему принципу входит в широко распространенную простейшую оценку технического состояния оборудования по общему уровню вибросигнала, выполняется оперативным обслуживающим персоналом без специальной подготовки. Для проведения такой диагностики дефектов подшипников качения вполне достаточно иметь простейший виброметр (например, LV-2, К-4102). Однако метод диагностики по общему уровню вибрации позволяет определять дефекты лишь на самой последней стадии их развития, когда они уже приводят или уже привели к разрушению узлов.

Диагностика по спектрам вибросигналов, построенная на анализе спектральных составляющих вибросигнала диагностируемого узла. Критерием наличия и степени развития дефекта служат характерные составляющие спектра на несущих частотах элементов узла («пики»), их интенсивность и периодичность.

Данный метод диагностики используется в приборе ПРИЗ-110М.

Диагностика по спектрам огибающих, в основу которой положен спектральный анализ огибающей вибропараметров диагностируемого узла. Метод получил широкое распространение благодаря возможности выявления им дефектов на сравнительно ранней стадии развития, а также прогнозирования остаточного ресурса узла. Однако его реализация требует применения достаточно сложных и дорогих сборщиков данных и анализирующих пакетов прикладных программ. В итоге диагностический прибор превращается в комплекс, содержащий отдельно сборщик данных и персональный компьютер с анализирующей программой. Для обслуживания такого комплекса нужен обученный персонал.

Следует также отметить, что для каждого конкретного подшипникового узла уровни порогов сильного дефекта реально приходится подбирать и постоянно корректировать, исходя из практического опыта и фактического состояния. Уровень не рассчитывают средствами программного комплекса, хотя такая функция присутствует, а именно подбирают. Изложенный метод реализован в диагностических комплексах «Прогноз-1» (Россия, 4ВНТиТ МПС, г. Омск), «Вектор-2000», КПА-1 В (Россия, Ассоциация «ВАСТ», г. Санкт-Петербург), «Спектр-07» (Россия, ЗАО «ТСТ», г. Санкт-Петербург).

тепловоз подшипник дефект вибродиагностика

2. Использование средств технической диагностики колесно-моторного блока В настоящее время широкое распространение при диагностике колесно-моторного блока получили виброакустические методы диагностики.

2.1 Использование методов вибродиагностики Задачи диагностики подшипников качения локомотивов в процессе эксплуатации решаются, как правило, одним из трех основных способов. Первый использует алгоритмы обнаружения дефектов по росту температуры подшипникового узла, второй — по появлению в смазке продуктов износа, а третий — по изменению свойств вибрации (шума). Наиболее полная и детальная диагностика подшипников с обнаружением и идентификацией дефектов на ранней стадии развития выполняется по сигналу вибрации подшипника, в основном, высокочастотной.

2.1.1 Принципы вибродиагностики Вибрация и шум — естественные процессы, протекающие в машинах и оборудовании, и возбуждаются они теми же динамическими силами, которые являются причинами износа и разных видов дефектов.

Динамические силы в машинах возбуждают вибрацию либо непосредственно, либо силы возбуждают шум, а шум — вибрацию корпуса.

Вибрация, в зависимости от природы возбуждающих ее сил, может быть либо детерминированной (чаще периодической), либо случайной.

Один из простейших примеров детерминированного сигнала вибрации гармоническое колебание (рис 2.1.).

Рис. 2.1 Простейшее гармоническое колебание Оно характеризуется амплитудой (пиковое значение Хпик, среднеквадратичное значение Хскз или среднее значение Хср продетектированного сигнала), частотой f=1/T и начальной фазой.

Случайный сигнал (рис. 2.2.) может принимать любое значение в определенном диапазоне, поэтому его характеризуют не амплитудой, частотой и фазой, а пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением (продетектированного сигнала) и значением от пика до пика.

Рис. 2.2 Случайный сигнал вибрации Периодическая вибрация может быть представлена в виде спектра. В нем может быть одна составляющая (гармонический сигнал) (рис. 2.3.а или рис. 2.3. б), или многократных (рис 2.5)

Рис. 2.3 Временные сигналы вибрации и их спектры Если сигнал представляет собой комбинацию (рис.4в) двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами, то его спектр имеет вид (рис. 2.3. в, справа), где явно видно наличие именно этих двух гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами.

Временная развертка сигнала вибрации Спектр

Рис. 2.4 Сложный периодический сигнал вибрации и его спектр

Поскольку периодические составляющие отображают спектром, случайные тоже следует так же отображать, но спектр — сплошной (рис. 2.5).

Рис. 2.5 Спектр случайных составляющих вибрации

Спектр удобен тем, что он делит вибрацию на компоненты с разными свойствами, а достаточно часто и разной природы.

Типовой спектр (см. рис. 2.6) характеризуется, как правило, большим количеством гармонических составляющих в области низких частот. По мере увеличения частоты гармонических составляющих становится меньше и они практически отсутствуют в области высоких частот.

Рис. 2.6 Типовой спектр сигнала вибрации

Для диагностики машин и оборудования при выборе частотной области вибрации следует учитывать свойства вибрации разной частоты.

Так, в области инфранизких частот вибрация может возбуждаться даже не самой контролируемой машиной, а, например, работающими рядом другими машинами и, в том числе, проходящим на сравнительно большом расстоянии транспортом.

Особенность вибрации на низких частотах состоит в том, что она слабо затухает в пространстве, а следовательно, в точку установки датчика доходит вибрация от всех узлов контролируемой машины, от сопряженных с ней других машин и от соседнего оборудования. Поэтому при анализе вибрации на низких частотах возникает проблема локализации дефектного узла и проблема помехоустойчивости. На этих частотах (в диапазоне частот до 3−5 гармоники частоты вращения) машина колеблется как единое целое, поэтому нужны большие силы и большие дефекты, чтобы раскачать всю машину.

На средних частотах в любой точке контроля вибрация возбуждается, в основном, колебательными силами, действующими в ближайших к ней узлах машины. В спектре вибрации наблюдается большое количество гармонических составляющих разной частоты, но из-за многочисленных резонансов соотношения амплитуд этих составляющих сильно отличаются от соотношений величин возбуждающих их колебательных сил. Как следствие — искажения информации о дефектах — источниках этих колебательных сил и отсутствие повторяемости результатов при малейшем изменении частоты вращения машины.

На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер, в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но для возбуждения вибрации достаточно даже малых сил .

Вибрация ультразвуковых частот возбуждается, в основном, микроударами, но распространяется только по однородной среде (металл без болтов, сварных швов). До оптимальной точки ее измерения, если это не сосуд или трубопровод, часто трудно или невозможно добраться.

В подшипниках и качения, и скольжения действуют две главные силы — кинематические и силы трения. В дефектных подшипниках качения иногда появляется и третий вид сил — ударного типа. Вибрация, создаваемая подшипником качения, кроме частоты вращения характеризуется следующими основными частотами:

частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу (наличие этой составляющей вибрации определяется тем, что тела качения — это не лучшая дорога, по которой катится вал ротора, т. е. вал «подпрыгивает» на каждом теле качения (2.1)

где — частота вращения ротора, — диаметр сепаратора, т. е. диаметр окружности, проходящей через центры тел качения; здесь — наружный диаметр подшипника; - внутренний диаметр подшипника; - диаметр тела качения; - угол контакта тел качения с дорожками качения; - число тел качения.

частотой перекатывания тел качения по внутреннему кольцу (эта составляющая вибрации появляется, если вал, внутреннее кольцо подшипника) не идеально круглый, а, например, имеет локальный износ. Тогда вал «проваливается» на каждом теле качения, когда последнее попадает в зону износа

всегда .

частотой вращения сепаратора (эта составляющая вибрации появляется, если одно из тел качения имеет меньший или больший) диаметр. Тогда вал «проваливается» или «подпрыгивает», когда это тело оказывается под ним)

Если тело качения не круглое, а имеет гранность, то с частотой его вращения вал либо «подпрыгивает», либо «проваливается» .

В вибрации проявляются обычно четные гармоники этой частоты.

Если подшипник новый, и все поверхности качения «круглые», то можно ожидать только вибрацию на частотах кfн (неровная «дорога»). Если есть дефекты, и достаточно большие, то вал будет «подпрыгивать» с частотами, связанными со всеми имеющимися дефектами. Если это «подпрыгивание» сильное, то он может продавить смазку, и возникнут «сухие» удары, которые возбуждают высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко «рвется» .

В подшипнике действуют еще и силы трения. Они возбуждают высокочастотную вибрацию, и при дефектах, сопровождающих даже частичное «продавливание» смазки, величина сил трения и мощность вибрации будет меняться. Для обнаружения дефектов по этому признаку необходимо измерять спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника.

Суть метода огибающей состоит в следующем. Силы трения, возбуждающие высокочастотную случайную вибрацию, стационарны только при отсутствии дефектов. В бездефектных узлах трения стационарна и случайная высокочастотная вибрация. Ее мощность постоянна во времени. При появлении дефектов, приводящих даже к частичному «продавливанию» смазки, изменяются периодически во времени силы трения или возникают удары, возбуждающие высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко «рвется» .

Рис. 2.7 Высокочастотный случайный амплитудно-модулированный сигнал

Таким образом, при наличии дефектов величина сил трения и мощность вибрации изменяется во времени, т. е. появляется модуляция мощности высокочастотной вибрации (рис 2.7.).

Глубину модуляции m случайного амплитудно-модулированного сигнала вибрации x (t) можно определить в процентах, используя среднее значение огибающей ,

где , — максимальное и минимальное значение огибающей сигнала, соответственно.

При изменении вида дефекта частота модуляции изменяется. Чем больше степень развития дефекта, тем больше становится глубина модуляции. Следовательно, частота модуляции определяет вид дефекта, а глубина модуляции — степень его развития. В качестве примера на рис. 2.8. (слева) приведены временные сигналы вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в). Таким образом, наиболее полная информация содержится в огибающей высокочастотного сигнала. Спектры огибающей вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в) представлены на правой стороне рисунка 2.8.

Рис. 2.8 Временные сигналы высокочастотной вибрации подшипника качения и спектры ее огибающей а) исправный подшипник, б) подшипник с износом поверхности трения, в) подшипник с раковиной на поверхности качения

Как видно из рисунка, в спектре огибающей случайной вибрации бездефектного подшипника отсутствуют гармонические составляющие. В спектре огибающей вибрации подшипника с износом видна одна сильная гармоническая составляющая, указывающая на плавное и периодическое изменение мощности сигнала вибрации. В подшипнике с ударными импульсами мощность высокочастотной вибрации изменяется скачками и в спектре ее огибающей присутствует уже ряд кратных по частоте гармонических составляющих.

В спектре огибающей высокочастотной вибрации можно наблюдать за развитием одновременно всех имеющихся дефектов по величинам превышения гармонических составляющих на определенных частотах над фоном. Таким образом, появляется возможность определения парциальных глубин модуляции, т. е. глубин модуляции для каждого из имеющихся дефектов. Это позволяет определять степень развития всех дефектов и идентифицировать их вид. Следовательно, имеется возможность прогнозировать состояние диагностируемого узла, т.к. каждый вид дефекта имеет свою скорость развития.

Глубина модуляции m связана с разностью уровней гармонической и случайной составляющей спектра огибающей выражением:

где: fA — ширина полосы спектра огибающей;

fф — ширина полосы фильтра, выделяющего высокочастотную вибрацию.

На результаты диагностики подшипников качения по спектру огибающей вибрации сильное влияние оказывает качество смазки. Так, например, из-за плохой смазки могут происходить разрывы масляной пленки, которые по своим признакам похожи на признаки раковин на дорожках или телах качения. Поэтому в тех случаях, когда диагностика подшипников производится по однократному измерению, целесообразно контролировать и спектр вибрации подшипникового узла с использованием эталона по группе одинаковых машин.

В этом случае по совокупности результатов измерений спектра вибрации и спектра огибающей удается простыми методами исключить возможные ошибки в идентификации дефектов при однократных измерениях вибрации любого подшипника качения на любом этапе его жизненного цикла.

2.1.2 Стратегия мониторинга и вибродиагностики

Технические средства и программное обеспечения для мониторинга и диагностики, разработанные АО ВАСТ, рассчитаны на решение основных задач мониторинга, глубокой диагностики и прогноза состояния узлов вращающегося оборудования.

Рассматриваемая система мониторинга и диагностики позволяет проводить три разных вида мониторинга. Первым является вибрационный мониторинг машин (оборудования) в целом. Это традиционный вид мониторинга с измерением преимущественно низкочастотной и среднечастотной (до 1−2 кГц) вибрации в точках машин, выбранных пользователем в соответствии с действующими на предприятии нормами на вибрацию оборудования и с учетом собственного оборудования. Второй вид мониторинга — это вибрационный мониторинг аварийно опасных узлов, выполняемых по правилам, отработанным создателями настоящей системы. В нем значительное внимание уделяется анализу высокочастотной вибрации, для возбуждения которой не требуется значительных колебательных сил, и которая изменяется на ранней стадии развития дефектов. Третий вид мониторинга — это технический мониторинг, представляющий собой наблюдение за развитием имеющихся дефектов, состоянием узлов оборудования и прогноз их остаточного ресурса.

Вибрационный мониторинг машин или их узлов основан на сравнении данных измерений вибрации исследуемой машины (узла) с результатами периодических измерений вибрации той же машины (узла) или совокупности измерений вибрации группы однотипных машин (узлов), и предназначен для обнаружения изменений вибрационного состояния.

Составной частью вибрационного мониторинга является сравнение результатов измерений спектров вибрации с пороговыми значениями, устанавливаемые либо пользователем, либо автоматически, по данным предшествующих или групповых измерений, с возможностью последующей корректировки.

Мониторинг технического состояния по результатам диагностики выполняется программой DREAM DOS для таких узлов роторных машин, как ротор с подшипниками качения или скольжения, зубчатые передачи и так далее.

Периодичность измерений при вибрационном мониторинге и диагностике задается пользователем, который вводит в программу величину временного интервала между измерениями для бездефектной машины или оборудования. При обнаружении отклонений параметров вибрации от эталонных значений интервал между значениями для дефектной машины или оборудования. При обнаружении отклонений параметров вибрации от эталонных значений интервал между измерениями автоматически сокращается. Эталонные значения параметров вибрации автоматически определяются либо по первым трем измерениям вибрации в каждой точке, либо по пяти измерениям вибрации идентичных узлов, а после каждого из последующих измерений автоматически адаптируются.

Так, для обнаружения дефекта износа в подшипниках качения задействовано три главных признака, которые могут появляться как независимо друг от друга, так и совместно. Это появление ударных импульсов, рост мощности высокочастотной вибрации и периодическое изменение мощности высокочастотной вибрации. Для однозначного обнаружения этих признаков достаточно измерять только спектр огибающей высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами трения в подшипниках качения. Но для контроля качества сборки машины и возможности обнаружения основных дефектов изготовления подшипника дополнительно может анализироваться и узкополосный спектр низкочастотной и среднечастотной вибрации подшипникового узла.

Для обнаружения дефектов износа в шестернях задействовано два основных признака, оба из которых связаны с появлением ударных нагрузок в точке зацепления шестерен. Первый — появление «положительной» ударной нагрузки, когда контакт дефектных узлов сохраняется, но точка контакта смещается, а второй — появление «отрицательной» ударной нагрузки, когда контакт уменьшается или пропадает, если, например, зуб отсутствует или в нем появляется трещина. Для однозначного обнаружения этих признаков также достаточно измерять только спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла, на который передается «положительная» или «отрицательная» нагрузка. Но для более надежной идентификации вида дефекта, а также для надежного разделения дефектов шестерен и особенно подшипника, дополнительно могут анализироваться и узкополосные спектры вибрации подшипникового узла.

Режим графической обработки данных может использоваться для получения дополнительной диагностической информации. Кроме того, он имеет самостоятельное значение при диагностики тех машин и их узлов, особенности, вибрации которых или отсутствие отработанных алгоритмов диагностики не позволяют проводить его в автоматическом режиме.

2.1.3 Используемые параметры вибрации

Система мониторинга и диагностики выполнена на основе пакета программ, разработанного для диагностики роторных машин по спектрам вибрации и ее огибающей.

Для автоматического обнаружения и идентификации дефектов используется результаты узкополосного спектрального анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации диагностируемых узлов машин, а также огибающей их высокочастотных огибающих. Спектральный анализ обеспечивает получение исчерпывающей диагностической информации из периодических сигналов, а появление дефектов в роторных машинах сопровождается действием именно периодических колебательных сил, в том числе в виде периодических ударных импульсов и периодических изменяющихся сил трения, возбуждающих случайную вибрацию с периодически изменяющейся мощностью.

Поскольку для диагностики используются не только параметры низкочастотной и среднечастотной вибрации, а еще и высокочастотной, программа автоматической диагностики основана на анализе виброускорения, а не виброскорости или вибросмещения, во многих практических случаях не содержащих высокочастотных составляющих.

Обработка спектров вибрации и ее огибающей производится программой DREAM DOS автоматически, но предусмотрена возможность их анализа в неавтоматическом графическом режиме.

Спектральный анализ является основным видом анализа периодических процессов, а сигналы вибрации любого узла роторных машин содержат в себе много периодических составляющих.

Периодические составляющие в спектре описываются в рядом гармонических составляющих, каждая из которых несет в себе диагностическую информацию. Обычно информацию о виде дефекта содержат в себе частоты этих составляющих, а о величине — их амплитуды и, иногда, фазы. При измерениях спектра вибрации информация, содержащаяся в фазе каждой составляющей, обычно не используется.

В результате автоматической обработки спектров вибрации пакет программ DREAM DOS находит гармонические составляющие в спектре, определяет их частоты и амплитуды, а, кроме того, по специальным алгоритмам определяет узлы и дефекты, являющиеся источником большинства из обнаруженных составляющих. Пример спектра, показан на рис. 2.9. Пример результата анализа узкополосного спектра вибрации приведен на рис. 2.10. На графике показаны обнаруженные гармонические составляющие, а в таблицах — их частоты, амплитуды и возможная преднадлежность каждой составляющей к характерным частотам узла (верхняя таблица) и дефектам (нижняя таблица).

При анализе нескольких спектров вибрации, последовательно измеренных в точке контроля вибрации, последовательно измеренных в точке контроля вибрации, автоматически рассчитывается и рост отдельных составляющих групп составляющих спектра. Этот рост определяет величину обнаруживаемых дефектов.

Под спектром огибающей вибрации понимается узкополосный спектр огибающей высокочастотных случайно составляющих вибрации, предварительно выделенных из полного сигнала с помощью полосового, например, третьоктавного, фильтра. По параметрам спектра огибающей, а именно по частотам и амплитудам гармонически составляющих, определяются свойства случайной вибрации, приобретающей из-за дефектов в узлах трения амплитудную модуляцию.

В бездефектных узлах трения силы трения и уровень возбуждаемой ими случайной вибрации стабилен во времени. Гармонические составляющие в спектре огибающей вибрации таких узлов отсутствуют. Если же силы трения и вибрации приобретают амплитудную модуляцию из-за дефекта, то частота модуляции определяет вид, а глубина модуляции — величину дефекта. В спектре огибающей они однозначно определяются частотами и амплитудами появившихся гармонических составляющих. Метод диагностики узлов трения по спектру огибающей случайной вибрации предложен специалистами Санкт-Петербурга в 1980 году и с тех пор широко используется в различных диагностических системах производства ведущих фирм.

Типичный спектр огибающей случайной вибрации при раковине на наружнем кольце, приведен на рис 2.11. При отсутствии дефектов спектр огибающей имеет только фоновые (случайные) составляющие с близкими по величине уровнями, так как в выбираемой третьоктавной полосе сигнал вибрации является случайным стационарным процессом.

Дефект поверхности трения приводит к модуляции вибрации определенной частоты fi, и в спектре появляется ряд гармонических составляющих на частотах kfi, причем k может иметь как одно значение, например k=1, так и группу k=1,2,3,…

Вид дефекта определяется частотой модуляции fi и числом k обнаруженных гармонических составляющих.

Величина дефекта определяется разностью уровней L максимальной из гармоник Lkfi и фона Lф.

Рис 2.9. Узкополосный спектр вибрации редуктора

Рис 2.10. Результат анализа спектра вибрации

Рис. 2.11. Спектр огибающей вибрации при раковине на наружном кольце подшипника

2.1.4 Диагностический комплекс «Вектор 2000»

В локомотивных депо широко используется диагностический комплекс «Вектор 2000». Его основное назначение — диагностика и долгосрочный прогноз состояния узлов вращения, таких как подшипники качения и скольжения, роторы, соединительные муфты, шестерни, ремни, рабочие колеса потокосоздающих агрегатов, электромагнитные системы электрических машин.

В депо «Вектор 2000 «они применяются для контроля и прогноза состояния колесно-моторных (КМБ) и колесно-редукторных блоков (КРБ) тепловозов ЧМЭ 3 с тяговыми двигателями постоянного тока.

Комплекс (внешний вид представлен на рис 2.12.) включают в себя прибор, обеспечивающий измерение и анализ вибрации, а также программное обеспечение для персонального компьютера, предназначенное для автоматической постановки диагноза и прогноза состояния диагностируемых узлов. В «Векторе-2000» используется автономный прибор, сборщик данных — анализатор СД-11

Рис 2.12 Система глубокой диагностики вращающегося оборудования

«Вектор 2000» а) — сборщик данных — анализатор СД-11; б) — персональный компьютер типа Notebook; в) — интерфейсный кабель для обеспечения связи между СД-11 и компьютером; г) — датчик вибрации.

Блок схема измерительной системы, осуществляющей весь комплекс диагностических измерений и обеспечение функционирования программы DREAM, представлена на рис. Сборщик данных СД-11 — это прибор, обеспечивающий измерение и хранение в энергонезависимой памяти спектров вибрации и огибающих вибрации, которые вводятся в компьютер и используются программой DREAM для мониторинга и диагностики.

Сборщик данных СД -11 укомплектован таходатчиком для измерения частоты вращения механизмов.

В качестве датчика вибрации используется пьезоэлектрический акселерометр с встроенным усилителем напряжения АР-57

Рис 2.13. Блоксхема измерительной системы ДВ — датчик вибрации, СУ — согласующий усилитель СД — сборщик данных

2.2 Диагностика колесно-моторного блока методом акустической эмиссии Подшипники качения при работе генерируют тепло, вибрацию в широкой полосе частот, акустико-эмиссионные сигналы в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот и образуют продукты износа от дорожек качения и тел качения, продукты деструкции и коксования масел. При этом скорость деструкции масел значительно возрастает в зонах местного разогрева дорожек, тел качения и в случаях общего перегрева подшипникового узла.

Основными источниками формирования акустико-эмиссионного сигнала в ультразвуковом диапазоне частот эксплуатируемого подшипникового узла являются:

— упругие волны от нормальных и касательных напряжений пятен контакта в приповерхностных слоях тел и дорожек качения при вращении от действующих нагрузок и чисел оборотов;

— микроудары вследствие шероховатости поверхности тел и дорожек качения, усиливающиеся вследствие коксования масла и наличием продуктов износа;

— гидродинамические эффекты от смазки в зоне контактных апряжений тел качения с дорожками качения;

— импульсный сигнал от образования трещин в металле тел качения;

— микроудары и удары от перекатывания дефектных поверхностей

(шелушение, развитые трещины, сколы, раковины);

— микроперемещения наружного кольца в гнезде корпуса;

— износ посадочных мест подшипника, сопровождаемый скользящими перемещениями поверхности колец относительно посадочных мест;

— микропроскальзывания тел вращения по дорожкам качения.

Подшипниковый узел генерирует акустико-эмиссионный сигнал в широкой полосе частот — до нескольких мегагерц с различными амплитудами, возрастающими по мере разрушения подшипника, нарушения условий смазки, износа посадочных мест, дефектов монтажа.

Наиболее информативным диапазоном частот для целей диагностики подшипников являются частоты 30 — 300 кГц. На этих частотах влияние шумов от работающих узлов минимально, что позволяет осуществлять диагностику с достаточно высокой надежностью надежностью. Амплитуды в амnлитудно — частотных характеристиках сигнала возрастают с возрастанием нагрузок и числа оборотов.

Влияние незакоксованной смазки на амплитуду в амплитудно-частотных характеристиках двояко:

— отсутствие смазки увеличивает амплитуду;

— подбивка консистентной смазки или восстановление режима жидкостной смазки уменьшает амплитуду.

Зависимость между техническим состоянием (степенью износа подшипника) и показанием дисплея D прибора ИРП-12 от времени работы при номинальной нагрузке подшипника, на рис. 2.14.

Рис 2.14 зависимость между техническим состоянием (степенью износа подшипника) и показанием дисплея D прибора ИРП-12 от времени работы Кривая Dm — А — В — С — D — Е в координатах D (показания дисплея) и Т (суммарное время работы в часах с момента установки подшипника при рабочей нагрузке оборудования) называется «трендом».

Точки тренда соответствуют следующим состояниям подшипника (если дефекты смазки и монтажа отсутствуют):

Dm — качество монтажа подшипника и конструктивных элементов подшипникового узла

Dm 0,3 + 0,4 DА;

А — накопленные усталостные микротрещины в поверхностном и приповерхностном слоях тел и дорожек качения приводят к появлению микровыкрашиваний;

Участок, А — В — развитие поверхностных трещин, мелких выкрашиваний, зарождение пятен выкрашивания на телах и дорожках качения;

Участок В — С — развитие трещин на телах и дорожках качения, приводящих в дальнейшем к выкрашиванию металла с образованием раковин, начало интенсивного износа сепаратора, рост пятен выкрашивания;

Участок С — D — образование мелких раковин, возможен усталостный износ сепаратора с по явлением на нем, в зависимости от материала и конструкции, небольших трещин;

Участок D — Е — образование значительных и крупных раковин, развитие трещин до сквозных на кольцах подшипника;

Далее Е — работа подшипника с крупными раковинами, трещинами, генерация значительной вибрации, до заклинивания с большим тепловыделением.

В точке D имеется вероятность разрушения сепаратора.

В зависимости от норм отбраковки подшипников устанавливается по тренду предельное значение показаний дисплея D.

Техническое состояние подшипникового узла на участке тренда:

Dm — А характеризуется устойчивой работой (зеленая зона) А — С допустимая эксплуатация (желтая зона).

С — Е недопустимая эксплуатация (красная зона).

При износах колец, тел качения и сепаратора по схемам истирания:

— точка, А соответствует наличию допустимых дефектов (без исправления) по «Инструкции по техническому обслуживанию и ремонту узлов с подшипниками качения локомотивов и мотор вагонов подвижного состава» ЦТ 330/95г.;

— на участке, А — С кривой происходит наработка дефектов износа допустимых к эксплуатации с их исправлением или их развитие до допустимой величины по инструкции ЦТ 330, потерю смазки и наличие в ней допустимых количеств продуктов износа, а также недопустимого обводнения;

— точка С кривой и далее соответствует наличию недопустимых для дальнейшей эксплуатации дефектов подшипника по инструкции ЦТ 330, работу в режиме масляного голодания, недопустимого обводнения смазки или наличия недопустимого количества металлических продуктов износа в смазке.

Для подшипниковых узлов колесно-моторных блоков локомотивов и подвижного состава рекомендуется замену подшипников производить при уровне сигнала (0,9−1,0) Dc (конец желтой зоны), имея резерв времени по остаточному ресурсу работы до точки D, при значениях сигнала более 1,0 Dс необходимо производить ремонт узла. Численные значения зон технического состояния подшипниковых узлов локомотивов ЧМЭ -3 приписного парка депо Мичуринск приведены в таблице Конструктивно прибор ИРП-12 (рис. 2.15) состоит из следующих узлов и блоков Рис 2.15 Узлы и блоки прибора ИРП-12

1 — пьезокерамический датчик с разъемом, прикладываемый торцом к корпусу подшипникового узла и снимающий акустико — эмиссионный сигнал от работающего подшипникового узла; 2 — соединительный кабель с разъемами; 3 — корпус, содержащий измерительный блок; 4 — гнездо подключения соединительного кабеля; 5 — кнопка включения — выключения прибора; 6 — кнопка «ПИК» при нажатии показывает максимальные значения числа; 7 — окно дисплея; 8 — аккумуляторный отсек Оценка спектра акустико — эмиссионного сигнала от диагностируемого подшипникового узла, позволяющая оценить его состояние, высвечивается на дисплее в цифровой форме.

Расчет значения конца зоны технического состояния «N» при частоте вращения колесной пары на момент диагностики «ш> от 200 до 300 об/lмин. производится по формуле

N = Т К где: N — определяемое значение конца зоны технического состояния, Т — табличное значение зоны технического состояния (табл. 2.1.), К — коэффициент пересчета определяемый как К= n /150, n — частота вращения колесной пары в об./мин. на момент диагностики Практика использования диагностического прибора ИРП-12 в локомотивном депо Мичуринск показала, что индикатор остаточного ресурса подшипников с достаточной степенью достоверности выявляет дефекты и недостаточное количество смазки, дефекты монтажа подшипников. В то же время по ряду позиций (необходимость обработки результатов диагностирования производимых оператором вручную, более низкий коэффициент достоверности по сравнению с комплексом вибродиагностики «Вектор 2000») ИРП-12 уступает комплексу «Вектор 2000». В локомотивном депо Мичуринск индикатор ресурса подшипников ИРП-12 используется в основном для подтверждения результатов испытания методом вибродиагностики, например при недостаточном количестве или некачественной смазки в буксовом узле.

3. Методика диагностирования колесно-моторного блока тепловоза ЧМЭ3 диагностическим комплексом «Вектор-2000»

3.1 Технические средства и вспомогательные устройства, применяемые при технической диагностики колесно-моторного блока (КМБ) тепловоза ЧМЭ 3

Диагностика тепловоза производится в два этапа:

? этап — снятие диагностических параметров КМБ тепловоза

?? этап — обработка данных на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ «DREAM-DOS».

Для производства диагностики КМБ тепловозов серии ЧМЭ-3 вибродиагностическим комплексом «Вектор-2000» применяются следующие средства измерения и вспомогательные устройства:

Сборщик данных СД-11

Датчик АР-54

ПЭВМ

Пакет прикладных программ «DREAM-DOS»

Цифровой тахометр DT-2234B

Узлы колесно моторного блока тепловозов серии ЧМЭ-3 подвергаемые диагностике вибродиагностическим комплексом «Вектор-2000»:

Букса левая (подшипник качения вала)

Букса правая (подшипник качения вала)

Моторно-якорный подшипник коллекторный (подшипник качения вала)

Моторно-якорный подшипник противоколлекторный (подшипник качения редуктора)

3.2 Порядок диагностики КМБ тепловозов серии ЧМЭ-3 вибро-диагностическим комплексом «Вектор-2000»

3.2.1? этап. Снятие диагностических параметров КМБ тепловозов серии ЧМЭ 3 вибродиагностическим комплексом «Вектор-2000»

3.2.1.1. Работник цеха электроники создает на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ «DREAM-DOS» карту измерений на диагностируемый тепловоз и производит загрузку карты измерений в сборщик данных СД-11, подготавливая тем самым прибор СД-11 к работе

3.2.1.2. Перед началом диагностирования КМБ тепловоза прекращаются все работы на локомотиве. Удаляются с тепловоза и из смотровой канавы люди

3.2.1.3. Соблюдая правила техники безопасности, правила использования технологического оборудования (гидравлические домкраты, специальные подставки, источник питания 110 В) вывешивается диагностируемый КМБ тепловоза и подключается питание 110 В к тяговым двигателям Не вывешенные КМБ диагностируемого тепловоза забашмачиваются с обоих сторон на случай аварийной ситуации.

3.2.1.4 Выбор точек контроля вибрации. Контрольные точки для измерения вибрации выбираются исходя из следующих условий:

· путь прохождения сигнала от неподвижной обоймы подшипника до точки измерения должен быть как можно более прямым и коротким;

· путь прохождения сигнала не должен пересекать прокладки и стыки деталей;

· место измерения выбрать в наиболее нагруженной зоне подшипника.

3.2.1.5. На бандажи колесных пар диагностируемого тепловоза наносятся мелом метки для измерения частоты вращения цифровым тахометром. Подготавливаются места для установки датчика, методом зачистки специальным скребком и нанесения смазка типа ЖРО для увеличения площади прилегания

3.2.1.6 В базу данных комплекса вносится тип проверяемых подшипников, максимальная и минимальная частоты вращения оси колёсной пары, число зубьев шестерён редуктора, допустимая погрешность частоты вращения, пороги вибрации и её огибающей для сильных дефектов, количество усреднений спектров вибрации (не менее 6 и не менее 8 для спектров огибающей)

3.2.1.7 Производится установка датчиков вибрации (датчик АР-54 устанавливается на приливе нижней части корпуса буксы, на подшипниковых щитах ТЭД и на редукторе в местах непосредственного контакта с неподвижным кольцом подшипника, площадь контакта датчика с поверхностью не менее 0,5 см2).

3.2.1.8 Подается питание от источника пониженного напряжения на тяговый двигатель (ТЭД). Обязательным условием является измерение вибрации в контрольных точках колесно-редукторного блока в установившемся режиме его работы.

Питание КРБ осуществляется от автономного стабилизатора напряжения. Требования по нагрузке к КРБ не предъявляются, но частота вращения колесной пары должна быть выше 250 об/мин.

В этом случае время диагностических измерений вибрации минимально, а достоверность получаемых результатов приближается к предельно достижимой.

3.2.1.9 Измерение частоты вращения и параметры вибрации. Измерения вибрации подшипникового узла выполняются в установленном режиме работы механизма с частотой вращения 2,5−4 Гц (150−260 об/мин). При периодическом диагностировании эта частота должна быть с точностью не хуже 20%. Во время измерений спектра вибрации частота должна быть стабильной с точностью не хуже 1%. При измерении не должно быть посторонних шумов от трения колодок и других деталей об вращающиеся детали. Частоту вращения измеряем для каждой точки измерения, направив луч фототахометра на светоотражающую полосу.

Измерение спектров вибрации производится по следующим характеристикам:

Спектр огибающей (СО):

Ширина полосы 100 Гц, количество линий 400,

количество усреднений 8.

Прямой спектр (ПС):

Ширина полосы 800 Гц, количество линий -1600,

количество усреднений -4.

3.2.10 После проведения диагностики одного КМБ производится его остановка, снятие с подставок и поочередное диагностирование остальных КМБ тепловоза

3.2.11 Отключение тепловоза от источника питания 110 В и снятие КМБ с подставок

3.2.2 I? этап — Обработка данных диагностики тепловоза на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ «DREAM-DOS»

3.2.2.1. Данные диагностики тепловоза переносятся из сборщика данных СД-11 на ПЭВМ для обработки данных и получения прогноза состояния тепловоза

3.2.2.2 Ввод данных диагностики в базу данных и их последующая обработка состоит из этапов:

1. Корректировка частоты вращения диагностируемых узлов.

2. Установка порогов вибрации.

3. Анализ спектров вибраций.

4. Просмотр и корректировка Lst-файлов.

5. Печать заключения по результатам измерений

6. Результаты диагностики тепловоза вибро-диагностическим комплексом «Вектор-2000» заносятся в журнал специальной формы и в экран состояния.

3.3 Обработка результатов диагностики подшипников качения

3.3.1 Типовые диагностические признаки дефектов В таблице 3.1. приведен перечень типовых диагностических признаков дефектов, обнаруживаемых и идентифицируемых при диагностике подшипников качения по однократным измерениям спектра огибающей вибрации. Эти признаки можно использовать для распознавания дефекта в случае, если этот дефект единичен, т. е., при условии отсутствия в данное время развитых дефектов в других узлах диагностируемого объекта, например дефектов вала соединительной муфты, зубчатой передачи и т. д.

Перечень типовых диагностических признаков дефектов, обнаруживаемых и идентифицируемых при диагностике подшипников качения

Таблица 3.1

Где: fврчастота вращения вала;

Fвчастота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу;

Fнчастота перекатывания тел качения по наружному кольцу;

Fткчастота вращения тел качения;

Fсчастота вращения сепаратора;

ВЧвысокочастотная область спектра вибрации;

k=1,2,3,4,…; k1=1,2,3,4,…; k2=1,2,3,4,… (коэффициент кратности).

Бой вала или обкатывание наружного (неподвижного) кольца подшипника не является дефектом собственно подшипника, а свидетельствует лишь о режиме его работы с повышенной вращающейся нагрузкой на подшипник, снижающем его ресурс. В машинах с горизонтальным валом этот дефект указывает либо на сильную неуравновешенность ротора, либо на бой вала. В машинах с вертикальным валом обкатывание является естественным режимом работы подшипника, не снижающим его ресурс. Признаком этого режима работы подшипника является появление в спектре огибающей вибрации небольшого (до трех-четырех) числа гармонических составляющих вибрации с частотами kfвр, из которых максимальные амплитуды приходятся на 1−3 гармонику.

Неоднородный радиальный натяг подшипника является обычно дефектом его сборки, в частности, следствием посадки подшипника на вал, диаметр которого больше допустимого, перекоса вращающегося кольца, повышенной осевой нагрузки на подшипник. Признаком этого дефекта является рост гармонических составляющих в спектре огибающей вибрации на четных и, прежде всего, на второй гармонике частоты вращения вала, (рис. 3.1.). Проявляется этот дефект обычно сразу после установки нового подшипника, сопровождается ростом вращающейся нагрузки в двух противоположных точках внутреннего кольца подшипника и приводит к ускоренному износу из-за перегрузок, действующих на поверхности качения. По мере износа эти перегрузки снижаются, и признаки неоднородного натяга могут исчезнуть, однако ускоренный износ подшипника продолжится.

Рис. 3.1 Спектр огибающей вибрации при обкатывании наружного (неподвижного) кольца подшипника Рис 3.2 Спектр огибающей вибрации при неоднородном радиальном натяге подшипника Перекос наружного кольца подшипника возникает обычно при монтаже подшипника из-за дефектов посадочного места. Он проявляется сразу после монтажа и признаком его является рост составляющих спектра огибающей на частотах kfн, преимущественно при четных k и, особенно, на второй гармонике 2fн, рис. 3.3. Причиной этого роста является повышенная статическая нагрузка на поверхности трения в двух противоположных точках наружного кольца. В результате ускоренного износа признаки перекоса могут исчезнуть, однако ускоренный износ наружного кольца продолжится.

Рис. 3.3 Спектр огибающей при перекосе наружного кольца Износ наружного кольца подшипника практически всегда происходит локально, изменяя коэффициент трения качения на отдельных участках поверхности наружного кольца. В результате появляется плавная модуляция высокочастотной вибрации частотой fн и в спектре огибающей вибрации растут гармонические составляющие на частотах kfн, причем наибольший рост происходит на первой гармонике fн, а амплитуда кратных гармоник в спектре огибающей быстро падает, как это показано на рис. 4.4. Если нагрузка на подшипник не является статической, а, например, вращается с частотой fвр, у составляющих спектра огибающей с частотами kfн могут появиться боковые составляющие, отличающиеся на частоты +k1fвр.

Раковины (трещины) на наружном кольце подшипника приводят к появлению коротких ударных импульсов при контакте каждого тела качения с раковиной (трещиной). В результате появляется ряд гармоник с частотами kfн в спектре огибающей высокочастотной вибрации, причем число этих гармоник достаточно велико, а их амплитуда слабо снижается с ростом k, рис. 3.5.

Рис. 3.4 Спектр огибающей вибрации при износе наружного кольца подшипника Рис. 3.5 Спектр огибающей вибрации при раковине (трещине) на наружном кольце Разделить признаки раковины и трещины по результатам анализа спектра огибающей удается крайне редко и, в основном, за счет более быстрого развития дефекта в случае, если в подшипнике есть трещина. Признаки раковины могут со временем переходить в признаки износа наружного кольца, а признаки трещины стабильны и, более того, растут при каждом последующем измерении.