Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов автоматизированного контроля качества деталей подшипников колесной пары вагона 9
1.1.Мониторинг подшипника качения как элемента системы обеспечения надёжности подвижного железнодорожного состава. 10
1.1.1.Основные требования к буксовым подшипникам качения колесных пар 11
1.1.2. Дефекты колец подшипников 14
1.1.3.Восстановление колец подшипников в условиях малых ремонтных предприятий 23
1.2.Методы контроля колец подшипников 25
1.3.Автоматизированные виброакустические методы контроля. Постановка задач исследования 32
Глава 2. Метод автоматизированного выявления локальных дефектов на основе анализа виброакустических колебаний при импульсном воздействии 39
2.1. Физическое обоснование виброакустического метода контроля при импульсном воздействии для колец подшипников 40
2.1.1. Колебания в упругой среде кольца... 40
2.1.2. Определение параметров колебаний при импульсном воздействии 44
2.2. Идентификация математической модели кольца подшипника как динамической системы при импульсном воздействии 47
2.2.1. Идентификация модели кольца без дефекта 48
2.2.2. Идентификация модели кольца с дефектом 49
2.3. Методика определения добротности кольца подшипника . 53
2.3.1Алгоритмизация процесса идентификации динамической системы кольца 53
2.3.2. Анализ полученных математических моделей на основе записи виброакустических колебаний колец подшипника 55
2.4. Выводы 59
Глава 3. Экспериментальные исследования по виброакустическому контролю дефектов колец подшипников 60
3.1. Аппаратно-программное обеспечение экспериментального
исследования колец подшипников 60
3.1.1. Аппаратная часть измерительной системы 60
3.1.2. Программная часть измерительной системы 62
3.2. Определение целесообразной массы груза и угла его отклонения 70
3.3.Обработка виброакустических сигналов 73
3.3.1. Предварительная обработка данных 73
3.3.2.Экспериментальное подтверждение работоспособности методики 77
3.3.3. Определение линейного размера дефекта на основе анализа виброакустических колебаний 88
3.3.4. Оценка надёжности виброакустического метода 90
3.4.Выводы 95
Глава 4. Автоматизация процесса вывления дефектов колец подшипников виброакустическим методом 97
4.1. Аппаратная часть автоматизированной системы 97
4.2. Программная часть автоматизированной системы 101
4.3. Алгоритмизация метода измерений 104
4.4.Автоматизация выявления дефектов колец 106
Заключение 111
Литература
- Дефекты колец подшипников
- Определение параметров колебаний при импульсном воздействии
- Программная часть измерительной системы
- Программная часть автоматизированной системы
Дефекты колец подшипников
«Понятие мониторинга сформулировано А.В. Пушем [85]. Оно включает диагностику, идентификацию, прогнозирование состояния объекта на основе анализа информации и принятия решения. Управляющее решение может быть выбрано двумя способами. В первом случае фактическое состояние объекта исследования сравнивают с идеальным, определенным путём моделирования, во втором случае, решение принимает экспертная система. Мониторинг базируется на оперативном получении, накоплении, анализе информации, экстраполяции его результатов для принятия решения» [36].
Основными элементами подвижного состава являются [5, 7]: ходовая часть, которая воспринимает все нагрузки вагона на рельсовый путь, а также обеспечивает максимальную плавность хода и безопасность движения; рама, представляющая собой основание кузова и передающая нагрузки от него на ходовую часть вагона; ударно-тяговые приборы соединяют вагоны с локомотивом, а также между собой, и служат для ослабления растягивающих и сжимающих усилий между ними; . кузов, предназначенный для размещения грузов и людей; тормоза, предназначены для замедления или остановки, как всего поезда, так и отдельного вагона.
Из всех элементов и узлов подвижного состава наиболее важным является ходовая часть, так как она отвечает за движение железнодорожного состава, его устойчивость на рельсовом пути. Как правило, ходовая часть включает в себя буксы с подшипниками качения, гасители вибрации, колесные пары и рессорное подвешивание. Основная нагрузка в процессе движения приходится на колесные пары, которые производят передачу всех нагрузок, как горизонтальных, так и вертикальных на рельсовый путь.
Для обеспечения безопасности движения и снижения вероятности возможного отцепа вагона необходимо, чтобы колесная пара соответствовала критериям надёжности.
Согласно ГОСТ 27.002-89 [110] надёжность это "свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования". Основными показателями надёжности ходовой части является
вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа, интенсивность отказов, параметр потока отказов, наработка на отказ, установленная наработка на отказ. При этом все параметры являются комплексными, то есть зависят от характеристик элементов и звеньев, составляющих ходовую часть, в частности колесных пар.
По ГОСТ 4835-80 [112] на сегодняшний момент устанавливается два типа колесных пар для магистральных железных дорог РА1-950 и РУ1Ш-950, при этом средняя наработка на отказ по прочности прессовых соединений должна быть не менее 12 лет, а средний срок службы колесных пар по ресурсу цельнокатаных колес составляет 10 лет. Типичный вид колесной пары представлен на рисунке 1.1. Рис. 1.1. Устройство колесной пары вагона где 1 - бандажное колесо; 2 - вагонная ось; 3 - средняя часть; 4 - подступичная часть; 5 - цельнокатаное колесо; 6 - предподступичная часть; 7 - шейка оси; 8 -бурт; 9 - колесный центр; 10 - кольцо для закрепления бандажа; 11 - бандаж
Как видно из рисунка 1.1. цельнокатаные колеса воспринимают статические нагрузки вагона на рельсовый путь в процессе движения. На буксовый подшипник действует динамическая нагрузка, изменяющая величину и положение вектора сил во времени. В условиях эксплуатации на территории Российской Федерации подшипник качения подвергается дополнительным воздействия за счёт перепадов температур и влажности, поэтому дефектоскопия подшипников качения является важнейшей в процессе выявления дефектов всей колесной пары.
Согласно В.А. Гапановичу [21] «на сети железных дорог России за 9 месяцев 2007 г. количество случаев брака из-за неисправностей роликовых букс составило абсолютное большинство (95,2 %) в общем количестве выявленных случаев брака». А по данным, приведенным технологом Центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов - филиал ОАО «РЖД» А.В. Сапёровым [116]: «При эксплуатации грузовых вагонов в течение 2008 г. на сети дорог ОАО «РЖД» допущен 841 случай брака грузовых вагонов, находящихся в эксплуатации после проведения им плановых видов ремонта на предприятиях Центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов. Проведенными расследованиями установлено, что 94,2% брака приходится на буксовый узел».
Приведённая статистика обусловила выбор объекта исследования – подшипника качения колесной пары. Это следует из того, что в большинстве случаев, выход из строя подшипника качения приводит к выходу из строя буксы вагона. Причиной разрушения может стать низкое качество изготовления подшипника или несоблюдение технологических норм при сборке и эксплуатации.
На данный момент существует более 200 средств контроля, которые позволяют выявить дефекты различного уровня. При этом большинство дефектоскопов не позволяют обрабатывать, записывать и отправлять информацию в электронном виде. Это не позволяет создавать автоматизированные системы и комплексы и следить за качеством дефектоскопии с минимальным участием человека. При этом отказ от систем неразрушающего контроля невозможен, таким образом, имеется потребность в разработке автоматизированной системы.
Определение параметров колебаний при импульсном воздействии
При эксплуатации подшипников качения могут возникать такие же дефекты, какие вызываются при монтаже подшипников, а именно бриннелирование, псевдобриннелирование, разрушение из-за дисбаланса, абразивный износ. Как правило, появление этих дефектов носит комплексный характер и их нельзя отнести строго к одной из групп.
Определение дефектов подшипника и анализ причин вызвавших их является одним из этапов восстановления подшипников качения, так как позволит не только идентифицировать проблему и устранить её, но и внести поправки в режим эксплуатации подшипника качения для продления срока службы и сократить вероятность нового сбоя в работе подшипника. В случае выхода подшипника из строя, необходимо произвести его замену. Так как подшипник качения представляет собой дорогостоящее устройство встаёт вопрос о возможности его восстановления.
Восстановление - доведение ресурса подшипника до максимально возможного при заданных условиях эксплуатации. В процессе восстановления могут быть скорректированы основные характеристики, например радиальный зазор, при этом совместно с эксплуатировавшимися деталями подшипников возможно использование новых элементов [128,131].
Одним из основных этапов восстановления работоспособности подшипника является проведение экспертизы. Она включает в себя разборку подшипника качения, визуальную оценку, исследование его составляющих методами неразрушающего контроля, принятие решения о возможности восстановления. На рисунке 1.17. представлена схема восстановления работоспобности подшипника качения в условиях ремонтного предприятия.
Подшипники качения подлежат восстановлению, если дефекты являются поверхностными или подповерхностными, то есть располагаются в зоне допуска (порядка 200 мкм от поверхности). В противном случае осуществляется выбраковка подшипника и составляется заключение о дефектах. Отбракованные подшипники отправляется на утилизацию, а заказчику передаются полученные за это денежные средства.
Снятие поверхностного слоя с деталей подшипников может осуществляться при помощи голтовки. Голтовка производится в больших барабанах с абразивными частицами, куда помещаются элементы подшипника качения. Барабаны совершают колебания в разных направлениях, что позволяет обеспечить сложное движение деталей и абразивов. Голтовка позволяет убрать окалины, задиры, коррозию, и снимает порядка 40 мкм поверхностного слоя с роликов. Вторым этапом данной обработки является полирование колец, главной целью которой является снятие тончайшего поверхностного слоя и придание поверхности зеркального блеска.
Классификация методов неразрушающего контроля составлена на основе систематизации научно-технической литературы [16,21,28,32,40,41,42,52,55,89, 93,98,107,132].
Классификация методов неразрушающего контроля Согласно РД. 32.174-2001 [120] для определения дефектов свободных наружных колец подшипников применяют магнитопорошковый или вихретоковый методы неразрушающего контроля. Также имеют место попытки применения акустико-эмиссионного, феррозондового, ультразвукового и виброакустического методов. Магнитопорошковый (МПК) применяется в вагонном и локомотивном хозяйствах, феррозондовый (ФЗК) в вагонном и путево. Приведем краткую характеристику данных методов.
Магнитопорошковый контроль. В основе контроля лежит взаимодействие магнитных частиц за счет неоднородных магнитных полей. В процессе идентификации дефектов образуются индикаторные рисунки из мельчайших частиц за счет их притяжения. Такие рисунки можно зафиксировать визуально, либо с помощью специализированных средств контроля. [28].
Основные положения МПК приведены [109]. Общие требования к средствам и методикам проведения МПК при всех видах планового ремонта вагона на предприятиях ОАО «РЖД» изложены в руководящем документе [119].
За счет рассматриваемого метода имеется возможность обнаружения дефектов в поверхностном и подповерхностном слое, таких как, флокены, закаты, различного рода трещины различного происхождения, расслоения, надрывы [8,32].
Для применимости магнитопорошкового контроля в конкретном случае требуется наличие доступа к контролируемому объекту. Необходимость выполнения этого условия заключается в специфике работы метода: намагничивания объекта, анализа полученных магнитных рисунков на поверхности.
Индикатором в случае использования данного метода служит магнитный порошок, нанесение которого на исследуемую поверхность возможно тремя способами: «сухим», «мокрым», способом магнитогуммированной пасты.
Магнитный порошок при «сухом» способе распыляется в виде воздушной взвеси. Метод применим для выявления подповерхностных дефектов. Таким образом, метод позволяет проводить поиск дефектов на поверхности и в подповерхностном слое. При этом реализация автоматизированной системы на базе рассматриваемого метода является довольно затруднительной.
Программная часть измерительной системы
Эксплуатационные характеристики подшипников зависят от деталей, входящих в их состав. В частности, при наличии дефекта во внешнем или внутреннем кольце, возможен выход из строя всего подшипника [125,126,127]. Как было показано в главе 1, только ультразвуковой [65,68,69] и виброакустический [26,70,72,99] методы способны оценивать как поверхностные, так и внутренние дефекты в кольцах подшипников. Для оценки состояния колец подшипников был выбран виброакустический метод, так как ультразвуковой метод имеет ряд недостатков [29]: значительно усложняется контроль изделий с плохим качеством поверхности, так как возникают проблемы с введением в рассматриваемый объект высокочастотных ультразвуковых колебаний; в изделиях малого размера возникают проблемы с многократными отражениями сигнала и краевыми эффектами.
В данной главе производится экспериментальное подтверждение возможности использования виброакустического метода свободных колебания для определения дефектов колец подшипников качения колесных пар вагонов.
Для исследования виброакустических колебаний колец подшипника используется интегральный метод свободных колебаний [29,63,67], который подразумевает импульсное ударное возбуждение колебаний в объекте исследования. Возникающие виброакустические колебания снимаются измерителем шума и вибрации ВШВ-003-М3, в котором "используется принцип преобразования звуковых и механических колебаний исследуемых объектов в пропорциональные им электрические сигналы, которые затем усиливаются, преобразуются и измеряются измерительным трактом". Непосредственно в качестве преобразователя механических колебаний в электрические сигналы используются вибропреобразователи ДН-3-М1 и ДН-4-М1, закрепляющиеся на кольце на магнитной опоре.
Схема измерительной установки Измерительную установку, схема которой представлена на рисунке 3.2. можно разделить на 3 компонента: 1) держатель с грузом и кольцом. Груз представляет собой металлический шарик, выполненный из стали ШХ-4. В месте крепления груза к держателю установлена градуировочная градусная шкала, которая позволяет отслеживать угол отклонения шарика для нанесения удара по наружному кольцу подшипника, который устанавливается на базовую поверхность из губчатой резины. Шарик подвешивается таким образом, чтобы центр шарика и центр кольца подшипника были на одной оси. С противоположной стороны от места удара на кольцо подшипника устанавливается пьезометрический вибродатчик на магнитной опоре, который также располагается на одной оси со стальным шариком. 2) измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М3, который, в данной системе представляет собой согласующее устройство между пьезометрическим вибродатчиком и персональным компьютером (ПК) типа Notebook. Подключается при помощи 3,5-дюймового разъёма в аудиокарте ПК, таким образом, аудиокарта выступает в роли аналого-цифрового преобразователя (АЦП). 3) ПК со специализированным программным обеспечением, при помощи которого полученные виброакустические колебания с кольца подшипника записываются в файлы формата wav для их последующей обработки.
Для анализа полученных записей виброакустических колебаний используется программное обеспечение, реализованное в MATLAB [2,84]. Программный продукт позволяет проводить как предварительную обработку, основанную на применении быстрого преобразования Фурье, и анализа гармонических составляющих (рис. 3.5.), так и основную, основанную на аппроксимации виброакустического сигнала для получения передаточной функции динамической системы кольца и её АЧХ, по которой определяется коэффициент добротности кольца подшипника как динамической системы.
Графический интерфейс программы обработки спектра Фурье В качестве входных данных программы используют стандартный звуковой файл формата wav: частота 44100 Гц, разрешение 16 bit, моно, полученный путем записи с измерителя шума и вибрации ВШВ-003-М3 через линейный вход звуковой платы (без сжатия).
В графическом окне программы преобразования Фурье (рис. 3.4) расположена кнопка выбора файла (1) и индикаторы, которые отображают название файла (2), частоту дискретизации ВА сигнала (3), частоту максимальной точки (4), максимальное значение амплитуды (5). В свою очередь, в командном окне программы MATLAB выводятся дополнительные показатели, получаемые при анализе виброакустического сигнала импульсного переходного процесса (рис. 3.6.).
На рисунке 3.8 представлено графическое окно программы обработки спектра Фурье с выполненной обработкой виброакустического сигнала в виде импульсной переходной функции. Особенностью графического представления данного программного продукта является возможность определения максимальных амплитуды при анализе частот спектра и выделение этого максимума вместе с окрестными точками в отдельный график с отмеченной частотой максимума на нём.
Второй программный продукт позволяет автоматически анализировать виброакустический сигнал на основании математической модели, полученной в главе 2. При запуске программы появляется окно выбора виброакустического сигнала, аналогично анализу спектра Фурье (рис. 3.7), после выбора файла записи появляется окне, отображающем ВА сигнал во времени. Следующим этапом обработки виброакустического сигнала является применение низкочастотного фильтра, спроектированного при помощи алгоритма скользящего среднего [96].
Программная часть автоматизированной системы
Автоматизация процесса виброакустического контроля подразумевает сведение влияния человека на результаты измерений к минимуму. Таким образом, автоматизированная система включает в себя две основных составляющих: аппаратная часть и программная как показано в главе 3.
Данная глава посвящена вопросам автоматизации выявления дефектов в кольцах подшипников. Рассматривается функциональная схема установки автоматизированного виброакустического контроля и применяемое программное обеспечение [71].
Производится апробация автоматизированной установки как для исследования эталонных колец с известными дефектами, так и для исследования партии колец в количестве 51 штуки в рамках ремонтного предприятия по восстановлению подшипников качения.
В главе 2 данной работы была рассмотрена методика проведения анализа виброакустического сигнала с целью идентификации математической модели кольца подшипника как динамической системы. В главе 3 на базе построенного алгоритма разработано программное обеспечение в программном продукте MATLAB на основании алгоритма обработки, представленного в главе 2 [70,72]. Программная и аппаратная часть автоматизированной системы построена на основании результатов, полученных в предыдущих главах.
Выполнение задач по автоматизации позволит производить оперативное выявление дефектов колец подшипников, давать заключение о наличии дефекта и его ориентировочном линейном размере.
Для возбуждения ВА колебаний в кольце подшипника используется ударное возмущение динамометрическим молотком. При этом информация о ВА колебаниях воспринимается при помощи виброизмерителя.
Функциональная схема системы с основными блоками представлена на рисунке 4.1. где ДМ – динамометрический молоток, ОИ – объект исследования, установленный на опоре из губчатой резины, ВИ – виброизмеритель, СМ – согласующий модуль, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ПК – персональный компьютер
Рассмотрим подробнее каждый из элементов функциональной схемы. В качестве источника возмущающего воздействия, как уже было сказано выступает динамометрический молоток, а именно AU02 (рис. 4.2.а). Он применяется для динамических испытаний конструкций и механических систем для получения их частотных характеристик, измерения положения. Может использоваться при моделировании систем или при анализе динамических воздействий в реальных системах. Динамометрический молоток оснащен датчиком силы АС21 (рис. 4.2.б), который применяется для измерения сообщаемой объекту силы.
Объект контроля устанавливается на базовую поверхность, которая представляет из себя основу из губчатой резины с целью уменьшения влияния крепления кольца подшипника и предотвратить возможную подвижность кольца при возмущающем воздействии динамометрическим молотком.
После нанесения удара динамометрическим молотком в кольце подшипника возникают ВА колебания, приём и передача которых на линейный вход звуковой карты осуществляется при помощи виброизмерителя ВШВ-003-М3, оснащённый пьезометрическим датчиком ДН-3-М1. На базе данного устройства производился ручной контроль колец подшипников, представленный в третьей главе. Прибор показал свою применимость для рассматриваемой предметной области.
Основными характеристиками виброизмерителя ВШВ-003-М3 является полоса частот измерения вибрации, Гц: 1...10000. Динамический диапазон измерения параметров вибрации составляет для виброускорения от до м/с2 и для виброскорости от до мм/с. При этом основная погрешность измерения параметров вибрации составляет . Пьезоэлектрический преобразователь ДН-3-М1 используется для преобразования механических ВА колебаний в электрический сигнал. Данный вибропреобразователь имеет диапазон рабочих частот до 4800 Гц, что позволяет его использовать для анализа ВА колебаний кольца подшипника с частотой собственный колебаний порядка 1500 Гц.
ДН-3-М1 крепится к объекту исследования при помощи магнитной опоры, монтажная поверхность которой имеет вогнутый характер. При этом диаметр кривизны опоры совпадает с диаметром кольца для более плотного прилегания и, соответственно, увеличения достоверности измеряемых параметров. В случае исследования колец подшипников различного диаметра необходимо менять магнитную опору на крепление соответствующей кривизны. При соблюдении этих правил, погрешности при измерении будут сведены к минимуму.
В реализуемой системе, кроме динамометрического молотка и вибропреобразователя также используются согласующий модуль, АЦП и ПК. В качестве согласующего устройства используется модуль согласования AG01-3. Он используется для подачи питания на динамометрический молоток и отделения измеряемого сигнала от источника питания, имеющего в сигнале постоянную составляющую. Разделённый сигнал с согласующегося модуля поступает на АЦП ЛА-2 USB-12. ЛА-2 USB позволяет производить синтез переносных измерительных систем с применением ПК. АЦП обладает высокой производительностью, и позволяют осуществлять решение задач контроля, мониторинга и диагностики.
Особенностью ЛА-2 является то, что он доступен к подключению через разъём USB к любому ПК, в том числе типа Notebook или Potable и собран в отдельный независимый блок, не требующий дополнительного питания.
Информация, поступающая с АЦП и с виброизмерителя, обрабатывается при помощи разработанного программного обеспечения.
Автоматизированная измерительная система Автоматизированная система, схематично представленная на рисунке 4.3. имеет в своём составе виброизмеритель ВШВ-003-М2 (1) с пьезоэлектрическим датчиком ДН-3-М1(2), динамометрический молоток AU02 (3), модуль согласования AG-01-3 (4), АЦП ЛА2-USB (5), базовая поверхность (6), пневматический привод (7), компьютер типа Notebook (8).
В начале работы системы специалистом производится установка кольца подшипника на базовую резиновую поверхность. К кольцу подводится и прикрепляется на магнитной опоре пьезометрический датчик. После запуска системы за счет имеющегося пневматического привода происходит удар динамометрическим молотком по кольцу с заданным значением силы. Датчик вибрации снимает возникающие виброакустические колебания в структуре кольца и производит их передачу на ПК через звуковую плату, далее они обрабатываются с помощью специализированного ПО, графический интерфейс которого представлен на рис. 4.4. Результаты такого контроля выводятся на экран для их анализа специалистом.
Программная часть автоматизированной системы При включении системы происходит автоматический удар молотком по исследуемому кольцу, снятие показаний, и передача их на ПК через встроенную звуковую плату, выполняющую роль АЦП. Далее происходит отправка данных в разработанное программное обеспечение. Реализация Рис. 4.4. Графический интерфейс программы обработки программы произведена на LabVIEW [92,97].
LabVIEW позволяет создавать приложения для тестирования и измерения в различных областях науки и обладает хорошей совместимостью с различным оборудованием, в частности с АЦП ЛА2-USB. При этом возможен анализ входных данных в режиме реального времени, что, при поставленной задачи реализации экспресс-метода контроля кольца подшипника за 8-10 секунд является необходимым. На рисунке 4.4. представлен графический интерфейс программного обеспечения.
