Диагностика колесно-моторного блока локомотивов КР

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 DL 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. Блок –схема 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  
             напряжений 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 D_m - 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):

D_m - качество монтажа подшипника и конструктивных элементов подшипникового узла

D_m 0,3 + 0,4 D_А;

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:

D_m - 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: