Вибродиагностика. Железнодорожный транспорт

Применение "СМ-3001 - АРМИД" для диагностики узлов и оборудования электропоездов в мотор-вагонном депо Горький – Московский

 

Сергеев А. А. – начальник лаборатории диагностики и АСУ мотор-вагонного депо Горький – Московский Горьковской дирекции по обслуживанию пассажиров в пригородном сообщении.

ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с требованиями нормативной документации при проведении текущих ремонтов ТР-1 и осмотров ТО-3 колесно-редукторных блоков (далее по тексту - КРБ) электропоездов требуется проведение диагностирования технического состояния его основных узлов (подшипники, зубчатое зацепление и др.) методами безразборной диагностики для определения степени их износа и выявления опасных дефектов. Проведение такого диагностирования позволяет осуществлять ремонт именно тех узлов и деталей, которые действительно в этом нуждаются, и в сроки, оптимальные с точки зрения обеспечения безопасности пассажирских перевозок.
Для решения этой задачи на Горьковское железной дороге применяется вибродиагностический комплекс фирмы “ИНКОТЕС”
Комплекс внедрен в 2000 году и используется в мотор-вагонном депо Горький – Московский (ТЧ-7), в депо Киров и Казань.

ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Вибродиагностический комплекс применяется при обследованиях КРБ электропоездов ЭР9, ЭР9п; ЭР9е; ЭР9т, ЭД9т, ЭД9м. В депо Киров кроме электропоездов диагностируются электровозы ЧС4т.
КРБ обеспечивает тяговую передачу крутящего момента от тягового электродвигателя к колесной паре. Состоит из тягового редуктора, колесной пары и буксовых подшипников. Редуктор имеет одноступенчатую прямозубую зубчатую передачу, одним концом он закреплен через опорный стакан на колесной паре, а другим через серповидную подвеску или подвесной болт (в зависимости от типа электропоезда) крепится к раме тележки. Вал малой шестерни через резино-кордовую муфту соединен с валом тягового двигателя. Большое зубчатое колесо закреплено на оси колесной пары призонными болтами. Колесная пара воспринимает нагрузку вагона и передает тяговое усилие через два буксовых узла, в каждом из которых установлены по два роликовых подшипника. Каждый моторный вагон имеет 4 КРБ, всего моторных вагонов в составе электропоезда пять. Общий вид буксового узла КРБ электропоезда с установленными на нем вибродатчиками приведен на рис.4.

В процессе диагностики выявляются дефекты следующих узлов КРБ:

  • зубчатого зацепления;
  • узла вала малой шестерни (УВМШ);
  • опорного подшипника (опорного стакана) тягового редуктора;
  • подвески редуктора;
  • резино-кордовой муфты (РКМ)
  • моторно-якорного подшипника (МЯП).

ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
Для контроля состояния КРБ электропоездов применяется вибродиагностический комплекс в составе (рис.1):

  • сборщик данных СМ-3001;
  • вибродатчики ВК-31 (или любые другие высокоимпедансные);
  • тахометр ручной оптический ДО-01Р;
  • персональный компьютер;
  • программное обеспечение "АРМИД®" -автоматизированное рабочее место инженера-диагноста - для системного хранения и обработки данных, экспертная система диагностики "ЭКСПЕРТ" для автоматизированной диагностики состояния и отработки диагностических алгоритмов.

Сборщик данных СМ-3001- миниатюрное 3-х канальное виброизмерительное устройство весом ме нее 1 кг, рассчитанное для применения персоналом, не имеющим специальных знаний виброметрии. Режимы работы и маршруты обследования загружаются в прибор из базы данных "АРМИД®", установленной на компьютере. Прибор имеет частотный диапазон до 20 кГц и обеспечивает максимальное разрешение спектров 0,125 Гц, и спектров огибающей - 0,5 Гц. За один сеанс измерения можно получить более 700 спектров по 400 линий. Измерение и занесение вибросигналов с КРБ при прокрутке занимает несколько секунд. Затраты времени на обследование приведены в табл.2. При измерении вибродатчики устанавливаются на корпус блока с помощью магнитов. СМ-3001 работает без подзарядки аккумуляторных батарей не менее 8 час.



Рис.1. Общий вид вибродиагностического комплекса депо Горький – Московский ГЖД.



МЕТОДИКА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Диагностирование осуществляется следующим образом:
В базе данных определяются объекты, подлежащие диагностированию в соответствии с графиком ремонта, в прибор СМ-3001 загружаются маршруты обследования для этих объектов (рис.2). Колесная пара вывешивается гидравлическими домкратами (рис.3). К моторному вагону подключается источник внешнего питания 110 В постоянного тока и осуществляется раскрутка КРБ. Частота вращения контролируется с помощью ручного тахометра ДО-01Р.
Датчики подключаются к прибору и устанавливаются на объект. Для записи вибросигналов электропоезда на ТР-1 или ТО-3 на корпус буксы устанавливаются два датчика (рис.4) один вертикально, другой поперечно.

Выбор точки измерения и вида измерений.
Большинство частот, соответствующих неисправностям узлов и деталей КРБ присутствуют в спектрах снятых в различных точках КРБ. Их уровни зависят в большей степени от развития дефекта, чем от положения точки. Поэтому для сокращения времени на проведение измерений при диагностике по циклу ТР-1 и ТО-3 была выбрана наиболее доступная точка на буксе.
Некоторые неисправности проявляются в вертикальной плоскости, другие в поперечной, третьи под каким то углом. Учитывая это измерения проводятся синхронно в двух плоскостях и в анализе участвуют оба спектра.
Многие частоты, например буксового и опорного подшипников, являются весьма близкими и могут накладываться друг на друга. Могут появляться и различные комбинационные частоты. Неисправности тел качения в подшипниках проявляются не только на частотах, относящихся к ним, но и на частотах внутреннего и наружного кольца и наоборот, неисправности колец или сепаратора проявляются и на частотах тел качения. Исходя из этого, для анализа были выбраны гармонические ряды для каждого узла КРБ таким образом, чтобы максимально уменьшить влияние помех от других узлов. Это позволило быстро выявлять дефектные узлы с подшипниками качения, не указывая, правда, при этом, какая конкретно деталь подшипника неисправна. Для практических целей этого достаточно, главное определить наличие неисправности в узле и степень ее развития.
Многие неисправности узлов КРБ проявляются в спектре увеличением числа и амплитуд субгармоник к основным частотам. Поэтому в анализе учитываются не только пики в полосах, но и общие уровни в частотных полосах около основной гармоники.

Проведение измерений.
При достижении равномерной частоты вращения производится запись вибросигнала (рис.5). Частота вращения колеса при прокрутке находится в диапазоне от 40 до 140 об/мин. Для диагностики КРБ электропоездов в прибор записываются спектры виброускорения в диапазоне до 500 Гц с разрешением 0,31 Гц (1600 линий).
Режимы записи сигнала и спектрального анализа устанавливаются прибором СМ-3001 автоматически для каждой точки в соответствии с загруженным маршрутом. Измерения производятся автоматически по маршруту, загружаемому в прибор СМ-3001 из базы данных "АРМИД®"
После обследования всех КРБ поезда, данные из прибора СМ-3001 выгружаются в базу данных "АРМИД®", при этом сортировка данных по объектам осуществляется автоматически.

 
Рис. 2. Загрузка прибора СМ-3001.
 
Рис. 3. Вывешивание КРБ на гидродомкратах.
 
Рис.4. Общий вид буксового узла КРБ электропоезда с установленными датчиками на ЭР2. Датчик №1- поперечное направление, датчик № 2- вертикальное
Рис.5. Проведение измерений прибором СМ-3001.



Далее для каждого объекта запускается программа автоматизированной диагностики и осуществляется поиск неисправностей.
Программа автоматизированной диагностики работает с минимальным участием оператора (оператор может при необходимости вручную откорректировать опорную частоту для правильного расчета характерных частот), она выделяет из полученных спектров нужные спектральные полосы, определяет их амплитуды, общие уровни, анализирует их соотношение, формирует диагностические табло и технические заключения.

Опорные частоты.
Все частоты, используемые в анализе зависят от частоты вращения. Поддерживать постоянную частоту вращения КРБ в условиях ТР-1 весьма сложно. В некоторых депо для этого используются источники питания с регулировкой напряжения, при этом требуется измерять число оборотов. Число оборотов можно измерять бесконтактным тахометром или по спектру вибросигнала. Для КРБ электропоездов и локомотивов при определении числа оборотов можно использовать 1-ю гармонику зубчатого зацепления - она практически всегда хорошо видна в спектре. В описываемой диагностической программе 1-я гармоника зубчатого зацепления используется как опорная частота, относительно которой рассчитываются положения и границы частотных полос, выбранных для анализа. Во время работы диагностической программы оператор может проконтролировать и, при необходимости, откорректировать положение опорной частоты.
Редактор диагностических алгоритмов "ЭКСПЕРТ" позволяет автоматически определять допуски по вибропараметрам (пикам или общим уровням в полосе), обрабатывая статистику по всей базе данных. Эта операция может проводиться при задании вибропараметров и при их периодической корректировке. Однако по превышению допуска одного вибропараметра нельзя достоверно судить о наличии неисправности узла, превышение может быть вызвано случайностью или наложением близкой частоты другого вибропараметра. Поэтому специалистами фирмы ИНКОТЕС был разработан алгоритм, учитывающий все вибропараметры для данного узла. Для повышения достоверности в диагностических методиках используется нелинейная зависимость величины допусков от числа оборотов. Это вызвано тем, что в цехе ТО-3, ТР-1 депо Горький-Московский разброс числа оборотов при диагностике весьма значителен.
Для повышения достоверности диагностики в программе были использованы и другие приемы, многие из которых являются встроенными функциями "АРМИД®".

Представление результатов диагностики.
Программа автоматически формирует следующие документы.

  1. Список неисправностей с указанием степени развития дефекта (рис.6, табл.1). Для диагностического комплекса на основе прибора СМ-3001 степени развития дефекта подразделяются следующим образом:: до 60% - исправное состояние, от 60% до 100% - ремонтный уровень, свыше 100% - предаварийное состояние.
  2. Отчет по неисправностям.
  3. Истории различных дефектов, описанных в методике (рис.7).
  4. Технический отчет по результатам диагностики (рис.13).

Результаты всех проведенных обследований сохраняются в "АРМИД®".



Рис.6. Представление результата диагностики в виде списка неисправностей.



Рис.7. История дефекта


Расширение функций "АРМИД®".
Возможность записи историй дефектов в текстовые файлы позволяет использовать их в других приложениях Windows. Формировать нестандартные для "АРМИД®" формы отчетности, справки и анализы.
В депо Горький-Московский разработаны несколько программ для Excel для получения сводных справок по результатам диагностики конкретных электропоездов, вагонов или КРБ. На ТР-1 выдается сводная справка по результатам диагностики электропоезда, технические отчеты печатаются только по КРБ, имеющим браковочные параметры. Согласно технических отчетов производится комплекс ремонтных работ – добавление смазки, крепеж, регулировка. После чего проводится повторная диагностика. Кроме того, ведется таблица по неисправностям, записанным в ТУ-28 и ТУ-29 с результатами диагностики (рис.8). Все это позволяет быстро выявлять КРБ с повторяющимися неисправностями и развитием дефекта. КРБ с повторяющимися неисправностями и ухудшением вибропараметров заранее планируются на выкатку.
Анализ в Excel позволяет автоматизировать расчет достоверности диагностики. Постоянный контроль достоверности помогает совершенствовать диагностические методики.

Рис.8. Пример создания формы для журналов ТУ-28, ТУ-29 по результатам диагностики.



Работа с результатами диагностики.

  • Выпуск в эксплуатацию КРБ с уровнем развития дефекта более 100% не допускается.
  • В случае выявления программой дефектов с уровнем более 100% диагностика производится повторно после выполнения рекомендаций "Технического отчета".
  • Если при повторной диагностике уровень дефекта снизится до величины менее 100%, решение о дальнейшей эксплуатации данного КРБ принимается мастером совместно с приемщиком.
  • Для обоснованного решения о дальнейшей эксплуатации КРБ с дефектами, выявленными диагностикой используются тренды по неисправностям (при наличии нескольких инспекций по конкретному КРБ) и анализ записей в книгах ТУ-28, в том числе и в электронной книге ТУ-28. xls, входящей в комплект программного обеспечения. Пример создания формы для журналов ТУ-28, ТУ-29 по результатам диагностики см. рис.8.
  • Для планирования объема ремонта по электропоезду используется функция "История дефекта", которая формирует по каждому диагностируемому узлу таблицу состояния, отсортированную по агрегатам (КРБ) и датам диагностики.
  • Автоматизированный анализ "истории дефекта" производится программой "Справка. xls". Используя эту программу, инженер-диагност готовит следующие справки: "Колесные пары на контроле", "Сводные данные по конкретным электропоездам", "История конкретной колесной пары"
  • Справка "Колесные пары на контроле" передается мастеру цеха ТО-3, ТР-1 раз в неделю. При постановке электропоезда на ТО-3 колесные пары, попавшие в справку "Колесные пары на контроле" должны быть продиагностированы. На ТО-3 так же диагностируются колесные пары, по которым имеются записи в книге ТУ-152.
  • Справка по конкретному электропоезду готовится на каждом ТР-1 и вклеивается в книгу замеров.
  • История конкретной колесной пары готовится по запросу мастера, технолога или приемщика МВПС.

Создание и отработка собственных диагностических методик
Кроме программ автоматизированной диагностики, разработанных фирмой ИНКОТЕС, пользователь может создавать собственные программы без участия профессиональных программистов с помощью Редактора диагностических методик "ЭКСПЕРТ". В комплект поставки Редактора методик кроме подробных инструкций входят примеры простых, но достаточно эффективных диагностических программ.

В процессе внедрения с помощью пакета "ЭКСПЕРТ" были созданы и отлажены методики диагностирования для основных типов электропоездов - ЭР-9, ЭР-9п, ЭР-9е, ЭР-9т. Методики создавались на базе статистического анализа исправных КРБ, а также сравнительного анализа полученных вибрационных сигналов и реальных результатов разборки КРБ при ремонте. В методиках использованы современные методы обработки и анализа вибросигналов, что позволило обеспечить высокую достоверность распознавания дефектов.

Пример проведения диагностики
Ниже подробно рассмотрена процедура диагностирования на примере КРБ моторного вагона № 7610 колесная пара № 2. Данный КРБ диагностировался четыре раза: 21.10.2000 г., 24.12.2000 г., 22.02.2001 г. и 17.04.2001 г. Он был выкачен 17.04.2001 г. по результатам диагностики. При разборке был обнаружен проворот внутреннего кольца опорного подшипника.
После запуска программы диагностики на дисплее отображается окно определения опорной частоты, заданное в методике, и спектр, по которому она автоматически определяется (рис.9). Для данной методики в качестве опорной частотой выбрана частота первой гармоники зубчатого зацепления. Эта гармоника является наиболее заметной в спектре КРБ.
Относительно опорной частоты программа рассчитывает частоты всех характерных гармоник, необходимых для диагностики. Их значения выводятся на дисплей (рис.10).
На рис. 11 приведен спектр, снятый с КРБ в вертикальном направлении (точка 1 V ). 3-я гармоника внутреннего кольца опорного подшипника (выделена полосой на рисунке 10) значительно превышает допустимую норму, её значение соответствует браковочному уровню.
Далее программа автоматически формирует диагностическое сообщение (рис. 12).
Автоматизированная диагностика кроме дефекта опорного стакана (в данном случае –проворот), показала также дефекты зубчатого зацепления и узла вала малой шестерни. Это характерно для всех КРБ локомотивов, т.к. проворот и смещение внутреннего кольца опорного подшипника (опорного стакана) вызывает перекос вала редуктора и, как следствие, неисправности зубчатого зацепления и узла вала малой шестерни. Технический отчет по результатам диагностики представлен на рис. 13.


Рис. 9. Определение опорной частоты.


Рис. 10. Список характерных гармоник, по которым осуществляется диагностирование


Рис. 11. Спектр КРБ от 17.04.2001 г., снятый в вертикальном направлении.


Рис. 12. Результаты автоматизированной диагностики КРБ.


Рис. 13. Технический отчет по результатам автоматизированной диагностики.



РЕЗУЛЬТАТЫ
В первый год эксплуатации с марта 2000 г. по октябрь 2001 г. было продиагностировано 4828 КРБ. Выявлено 23 неисправности браковочного уровня, требующие выкатки КРБ из моторного вагона и его ремонта в колесном цехе. Кроме того, было выявлено около 700 неисправностей, устранение которых было произведено без выкатки. Это - добавление или замена смазки, подтяжка крепежа, регулировка или замена некоторых деталей подвески редуктора. Экономический эффект от внедрения вибродиагностического комплекса "АРМИД®" в локомотивном депо Горький - Московский составил в 2000 г. 154000 руб., в 2001 году - 184412 руб. Это обусловлено снижением затрат на неплановый ремонт КРБ из-за уменьшения числа необоснованных выкаток. Кроме того, объективный виброконтроль за состоянием КРБ повысил надежность КРБ в эксплуатации, что привело к уменьшению количества внеплановых ремонтов.
Результаты расчета достоверности диагностирования за 2000 г. приведены в табл. 1. Исходной информацией для расчета являются таблицы, заполнявшиеся во время комиссионного осмотра.

В процессе дальнейшей эксплуатации программы диагностирования постоянно совершенствовались, отрабатывались методы работы с результатами диагностики. По мере совершенствования методик повышалась достоверность диагностирования. Средневзвешенная достоверность комплекса "СМ-3001 - АРМИД®" в 2000-2005 г.г. представлена на рис.14.
Затраты времени на проведение диагностики электропоезда ЭР9п № 119 приведены в таблице 2.

Табл.1. Достоверность диагностирования. Данные за 2000 г.
Общая достоверность комплекса
87%
Вероятность пропуска дефекта
9%
Вероятность перебраковки
4%
Процент выявления неисправностей всех видов без точного указания узла
83%
Процент выявления неисправностей всех видов с точным указания узла
66%
Процент выявления неисправностей, требующих смены узла или выкатки колесной пары без точного указания узла
69%
Процент выявления неисправностей, требующих смены узла или выкатки колесной пары с точным указания узла
59%
Процент выявления неисправностей, требующих выкатки колесной пары без точного указания узла
100%
Процент выявления неисправностей, требующих выкатки колесной пары с точным указанием узла
80%




Рис.14. Средневзвешенная достоверность диагностирования в 2000 - 2005 г.г.

Табл. 2. Затраты времени на проведение диагностики электропоезда ЭР9п № 119


Загрузка маршрутов виброоследования КРБ в прибор СМ-3001
2 мин 30 сек
Общее время проведения измерений на электропоезде, включая подготовительные операции
63 мин
Выгрузка результатов измерений в базу данных
50 сек
Проведение диагностики на компьютере
9 мин 40 сек
Всего затрат времени на диагностику 10-ти вагонного электропоезда
1 час 16 мин
Среднее время на диагностику одного КРБ
4 мин