Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение надежности эксплуатации подшипниковых узлов является одной из основных задач системы ремонта подвижного состава железных дорог, их отказы могут привести к сходу подвижного состава и, как следствие, к крушению или аварии. При эксплуатации подшипниковых узлов подвижного состава в неблагоприятных условиях (значительные осевые и радиальные нагрузки, знакопеременные динамические и ударные воздействия, вибрационные нагрузки, воздействия электромагнитных и электростатических полей, высокая скорость вращения, неблагоприятные и постоянно изменяющиеся климатические условия) они должны сохранять свои эксплуатационные параметры и свойства, согласно требованиям нормативно-технической документации, обеспечивая высокую надежность и работоспособность даже при критических режимах эксплуатации.
В период после 2005 года значительно ухудшилось положение с надежностью работы подшипниковых узлов. Доля неплановых ремонтов локомотивов возросла от 7,8% в 2005 г. до 8,1% в 2006 г. Увеличилось число эксплуатационных отказов локомотивов: в 2004г. - 3,5 %, в 2005 г. - 4,6 %, в 2006 г. - 5,7% от общего числа случаев выхода из строя.
В соответствии с вышеизложенным возникает необходимость систематического контроля за состоянием подшипниковых узлов. Однако периодические их вскрытия для осмотра, демонтаж блоков и машин для ревизии приводит к увеличению трудоемкости и стоимости ремонта. Тем самым, растет время простоя локомотива и, как следствие, снижается его производительность. Таким образом, периодический контроль состояния всех элементов подшипникового узла целесообразно выполнять без демонтажа и вскрытия путем без разборной диагностики.
В период с 1987 по 2003 гг. в локомотивном хозяйстве появилось более 15 различных типов отечественных и зарубежных приборов диагностики, ранее применявшихся в других отраслях промышленности, в том числе в военно-промышленном комплексе. В них применяются стандартные методы обработки сигналов, снимаемых с объектов - анализ спектра частот виброакустических сигналов и их идентификации с эталонными для заданных видов неисправностей.
Результаты эксплуатации показали, что достоверность применяемых в настоящее время систем вибро диагностики колесно-моторных блоков локомотивов составляют 65%-70%. В связи с тем, что 47% неисправностей тягового электродвигателя приходится на разрушение моторно-якорных подшипников, возникает необходимость систематического контроля за состоянием подшипниковых узлов. Таким образом, вопрос об обоснованном выборе и применении более совершенных методов и приборных средств диагностики, способных к раннему выявлению развивающихся дефектов, является актуальным в настоящее время для железных дорог Российской Федерации.
Как показывает сравнительный анализ вибродиагностических комплексов Проноз-3, Прогноз-1М, прибор ПВК-1 (ООО «Научно-технический Центр "Транспорт"») и КПА-1В, СДМ-12 (ассоциации ВАСТ), применяемые в настоящее время в железнодорожной отрасли, работа алгоритма которых основана на классических математических методах обработки сигналов, в ряде случаев не обеспечивает требуемой точности и достоверности измерений.
Классическим примером можно считать обработку сигналов спектральными методами. Эти методы оказываются малоэффективными при получении диагностической информации, поиска дефектов на начальном этапе. Ключевым вопросом в большинстве современных приложений цифровой обработки является нестационарность большинства реальных вибросигналов, которая весьма ограничивает применение базисных функций, имеющих некомпактный носитель. Таким образом, до недавнего времени локальные особенности сигналов не являлись предметом изучения, ввиду сложности их локализации в частотной области. Еще одним известным ограничением можно считать отсутствие во многих приложениях моделей реальных сигналов (особенно на начальных этапах экспериментов) либо сложность их разработки, что значительно сужает сферу применения тех или иных классических методов анализа.
В конце прошлого - начале XXI в. сформировался новый математический аппарат, основой которого является новый класс функций-вейвлеты. Применение вейвлет-анализа в данной работе рассматривается с позиций использования его как инструмента, с помощью которого можно получить диагностическую информацию о локальных дефектах узлов подшипников качения.
Результаты исследований рассматриваются как составная часть алгоритмического обеспечения аппаратно-программного комплекса, предназначенного для разработки новых способов ранней диагностики обнаружения дефектов узлов подшипников качения тяговых электродвигателей.
Выбор исследователем инструмента вейвлет-преобразования для решения задач обнаружения локальных дефектов узлов подшипников качения обусловлен универсальностью математического аппарата вейвлет-анализа, способностью его адаптироваться к форме сигнала, сходностью исследуемых сигналов с базисными функциями (вейвлетами), а также потенциальной возможностью использования полученных результатов с помощью мобильных средств регистрации для дальнейшего анализа сигналов сложной формы.
Целью данного исследования является совершенствование вибродиагностики подшипников качения тяговых электрических машин путем разработки способа обработки вибросигнала, обеспечивающего достоверное обнаружение быстро развивающихся локальных дефектов.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
анализ источников возникновения виброакустических волн в тяговых электрических машинах с учетом характеристик силовых воздействий и условий распространения вибрационных волн в конструкции машины и их взаимного влияния;
анализ существующих методов диагностики подшипников качения на основе классических методов обработки виброакустических сигналов, а также систематизация базы данных вибросигналов ТЭД.
создание модели вибросигнала и экспериментальное подтверждение его адекватности реальному, с использованием базы данных вибросигналов;
- разработка алгоритма выделения диагностической информации,
обладающего большей достоверностью оценки быстро развивающихся
локальных дефектов подшипников качения тяговой электрической машины,
на основе вейвлет-преобразования вибросигнала;
- разработка программного комплекса на базе Matlab, с использованием
предлагаемого алгоритма для идентификации и оценки степени
неисправности подшипников качения тяговых электрических двигателей.
Методы исследований. В работе использованы теория и методы неразрушающего контроля, методы цифровой обработки сигналов, методы спектрального анализа, математический аппарат вейвлет-анализа, компьютерные программы математической обработки исследуемых процессов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
доказано, что локальные дефекты подшипников качения не оказывают значительно влияния на частотные и временные характеристики виброакустического поля тяговых электрических машин;
разработана имитационная модель вибросигнала тяговой электрической машины и доказана адекватность её реальному процессу с использованием базы данных вибросигналов;
- доказано, что вейвлет-преобразование повышает информативность
вибродиагностики за счет компактности базисных функций во временной и
частотных областях;
- предложен способ обнаружения и идентификации импульсной
составляющей сигнала вибрации, вызванной локальными дефектами, с
применением вейвлет-преобразования.
Практическая значимость работы. На основе проведённых исследований было достигнуто следующее:
создана и систематизирована база вибросигналов тяговых электрических машин с исправными и дефектными подшипниками качения;
разработан алгоритм обработки виброакустических сигналов на основе вейвлет-преобразования, повышающий достоверность вибродиагностики подшипников качения;
разработан программный комплекс, позволяющий идентифицировать и оценить степень неисправности подшипников качения тяговых электрических двигателей в процессе эксплуатации.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
вибросигналов подшипников качения тяговых электрических машин,
направленные на повышение достоверности вибродиагностики.
2. Способ выделения диагностических признаков локальных дефектов
подшипников качения из общей картины вибрации тяговых электрических
машин на основе вейвлет-преобразований.
3. Алгоритм обнаружения локальных дефектов с одновременной
идентификацией неисправностей подшипников качения тяговых
электрических машин на основе вейвлет-преобразований вибросигналов.
4. Разработанный программный комплекс на базе Matlab для повышения
достоверности вибродиагностики подшипников качения по коротким
выборкам наблюдений.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены:
- на IV Международной начно-практической конференции «Теория,
методы и средства измерений, контроля и диагностики» - г. Новочеркасск,
ЮРГТУ (НПИ), 2005 г;
- научно-практической конференций ученых транспортных вузов
«Современные технологии - железнодорожному транспорту и
промышленности» - г. Хабаровск, 2006 г;
на V международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» - г. Хабаровск, 2007 г;
на международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» - г. Новосибирск, СибГУПС, 2007 г;
на международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию Комсомольского-на- Амуре государственного технического университета «Международный симпозиум "Образование, наука и производство: Проблемы, достижения и перспективы"» - г. Комсомольск-на-Амуре, ГОУВПО «КнАГТУ», 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 8 статей, 2 работы опубликованы в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ, в том числе 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, из 120 наименований. Основная часть работы изложена на 165 страницах машинописного текста и содержит 61 рисунок, 5 таблиц и 3 приложения.
