Надежность и диагностика локомотивов

3. Основные практические  результаты

Диагностические комплексы производства Ассоциации ВАСТ, как и комплексы других производителей в последнее десятилетие используются во многих локомотивных депо. Сначала  их эффективность, определяемая двумя  видами ошибок, а именно вероятностью пропуска опасного дефекта, приводящего  к отказу подшипника в период между  ТО-3, во время которого чаще всего  производятся работы по диагностике  блока, и вероятностью ложной тревоги, приводящей к преждевременному обслуживанию или замене подшипника, не превышала  эффективности опытного диагноста, работающего «на слух».

Тогда ряд  производителей диагностических систем, в том числе и Ассоциация ВАСТ, пошел по пути увеличения количества параллельно используемых методов  обнаружения дефектов в своих  системах. Эффективность диагностических  систем выросла, но одновременно увеличилась  и сложность анализа результатов  измерений, а также трудоемкость постановки диагноза. Это в свою очередь потребовало увеличения затрат времени на постановку диагноза и повышения качества подготовки диагноста, без которых эффективность  даже самого современного диагностического комплекса остается на низком уровне. Обе эти причины и стали  задерживать процессы дальнейшего  внедрения технологий вибрационной диагностики на железной дороге.

Для преодоления  сложившейся ситуации было предложено использовать автоматизированные системы  вибрационной диагностики с искусственным  интеллектом, которые к тому времени  уже успешно использовались в  других отраслях промышленности. В  частности, достаточно широко стали  использоваться системы вибрационной диагностики производства Ассоциации ВАСТ, в которых наиболее трудоемкие операции возложены на программу  автоматической диагностики DREAM. Функции  этой программы, выполняемые в автоматическом режиме, включают в себя:

- формирование  требований и заданий на измерения  спектров вибрации, спектров огибающей  ее высокочастотных компонент  и уровней ультразвуковой вибрации,

- прием  результатов измерений из используемых  технических средств в базу данных программы,

- автоматическая  обработка результатов измерений  с выделением диагностических  признаков и определением значений  диагностических параметров,

- автоматический  расчет пороговых значений для  слабых, средних и сильных дефектов  по группе случайно выбираемых  из базы данных ранее сделанных  измерений в соответствии с  рекомендованными разработчиками  и, при необходимости, откорректированными  пользователем алгоритмами, 

- автоматическое  сравнение всех измеренных диагностических  параметров с рассчитанными порогами  с последующей идентификацией  возможных видов и величин  обнаруженных дефектов,

- автоматический  прогноз состояния диагностируемого  узла в виде рекомендованной даты следующего измерения (либо величины наработки узла) или, при опасном состоянии узла, в виде рекомендаций по обслуживанию (ремонту).

Эта программа  при необходимости адаптируется к конструктивным и технологическим  особенностям диагностируемого оборудования, а также к условиям его эксплуатации и режимам работы при проведении диагностики. В частности особенностью автоматической диагностики программой DREAM подшипников качения КМБ (КРБ) является совместный анализ диагностических  признаков и параметров дефектов как подшипников в диагностируемом  узле, так и зубчатой передачи, допустимые технологические отклонения и дефекты  которой оказывают прямое влияние  на вибрацию подшипниковых узлов.

Задачей оператора диагностической системы  является сброс маршрутной карты  в измерительный прибор, измерение  вибрации диагностируемых подшипниковых  узлов на рекомендованной частоте  вращения, сброс данных измерений  в компьютер и ввод частоты  вращения КМБ (КРБ) на момент измерения, после чего программа выдает наиболее вероятный диагноз и прогноз  состояния диагностируемого подшипника и зубчатой передачи.

Принятием окончательных решений о состоянии  подшипников, в которых программой обнаружены признаки появления дефектов, занимается специалист по диагностике. Его задачей является уточнение  автоматического диагноза и прогноза с учетом результатов автоматического  и дополнительных видов анализа, а также косвенной информации для той небольшой части объектов контроля, в которой автоматически  обнаруживаются опасные дефекты.

Несколько лет адаптации диагностических  комплексов Ассоциации ВАСТ к условиям диагностики КМБ и КРБ позволили  свести вероятность пропуска опасных  дефектов, приводящих к отказам подшипников  при движении локомотива, к величинам  менее 1/10000, которые подтверждены результатами работы диагностической службы Северной ЖД за последний год. В то же время  вероятность ложной тревоги в  результатах автоматической диагностики  подшипников КМБ (КРБ) достаточно велика и может доходить до 3 – 5 процентов. Причинами этого могут являться как выбранные алгоритмы принятия решений, когда из всех возможных  вариантов диагноза автоматически  выбирается наихудший, что минимизирует вероятность пропуска опасного дефекта, так и существенное влияние технологических  погрешностей подбора зубчатой пары в КМБ (КРБ) на диагностические признаки дефектов подшипников. Поскольку одновременно с диагнозом программа выдает специалисту по диагностике всю  промежуточную информацию по принятому  решению, он может откорректировать диагноз и прогноз с учетом данных автоматической диагностики  и имеющейся косвенной информации. Все это позволяет подготовленным специалистам по диагностике снизить  вероятность ложной тревоги более  чем на порядок, практически не увеличивая вероятность пропуска опасных дефектов.

Для достижения столь высоких показателей в  практической диагностике необходимо обеспечивать оптимальное решение  трех основных задач.

Первая  – использовать для обнаружения  каждого вида дефекта не менее  двух независимых диагностических  признаков. Эта задача в системах Ассоциации ВАСТ для дефектов поверхностей трения качения решается за счет использования  признаков, содержащихся в спектрах вибрации (рост составляющих кинематического  и ударного происхождения) и в  спектрах огибающей случайной вибрации (появление модуляции сил трения). Дефекты сепаратора обнаруживаются как по модуляции вибрации, возбуждаемой силами трения, так и по модуляции подшипниковой вибрации, дефекты смазки – по величине вибрации от сил трения и по ультразвуковой импульсной вибрации (микроудары тел качения по наружному кольцу из-за разрывов масляной пленки). Наибольшие сложности связаны с обнаружением проскальзывания колец в посадочном месте. Несмотря на то, что используется два независимых алгоритма обнаружения – по ударам в подшипнике и по кратковременному росту высокочастотной вибрации, существует достаточно высокая вероятность того, что факт проскальзывания во время проведения диагностических измерений будет отсутствовать, так как он чаще всего происходит в момент пуска машины, а не при ее стабильном вращении.

Вторая  задача – дополнительные диагностические  измерения в рамках расширенной  программы диагностики подшипниковых  узлов, в которых по результатам  автоматической диагностики обнаружены признаки опасных дефектов. Количество таких узлов при диагностике  локомотива обычно не превышает трех-пяти, и для них рекомендуется проведение повторной расширенной диагностики, в том числе со сменой направления  вращения и после добавления смазки в эти узлы. Как правило, при  наличии развитых дефектов поверхностей качения подшипников и сепаратора, их признаки не исчезают полностью  при добавлении смазки и смене  направления вращения, в то время  как признаки многих дефектов зубчатой передачи при смене направления  могут пропадать.

Третья задача – привлечение  экспертов с большим практическим опытом для принятия решения в  спорных ситуациях и подготовка специалистов по диагностике. Спорные  ситуации, требующие привлечения  экспертов, чаще всего возникают  при совпадении признаков развитых дефектов подшипников с признаками зарождающихся дефектов других узлов  КМБ (КРБ), в частности зубчатых передач, муфт (карданов) и электромагнитной системы тягового электродвигателя. Так, в качестве примера такой  ситуации ниже приведены данные диагностических  измерений двух подшипников, для  которых автоматический диагноз  совпадает – раковины (трещины) на внутреннем кольце подшипника и дефект шестерни. Однако результатами дефектации подтвержден дефект – трещина лишь в первом случае (см. рис.3 - рис.5), во втором – достаточно часто встречающийся случай неравномерного износа малой шестерни зубчатой передачи (см. рис.6 - рис.9). Для постановки однозначного диагноза необходимо учитывать и дополнительные признаки дефектов, характерные для КМБ (КРБ) определенного типа.

Рис.3. Спектр вибрации подшипника с трещиной внутреннего  кольца (справа) и спектр огибающей  его случайной высокочастотной  вибрации (слева)

Анализируя спектр огибающей  случайной высокочастотной вибрации подшипника с трещиной внутреннего  кольца, на первый взгляд может показаться, что в спектре присутствуют только составляющие, кратные частоте вращения кольца (ротора). В этом случае один из поставленных программой диагнозов  – дефект шестерни был бы правильным. Однако в спектре огибающей, представленным на рис. 4, и особенно на его фрагменте (см. рис.5) хорошо различимы два ряда составляющих: один – кратный частоте вращения (признак дефекта шестерни), другой – ряд составляющих вибрации, кратных частоте перекатывания тел качения по внутреннему кольцу, модулированных частотой вращения внутреннего кольца (признак трещины/раковины на внутреннем кольце). На этом фрагменте явно видно несовпадение этих двух рядов, что свидетельствует о наличии дефекта внутреннего кольца.

Рис.4. Спектр огибающей  случайной высокочастотной вибрации подшипника с трещиной внутреннего  кольца. Здесь fвр – частота вращения внутреннего кольца, fв – частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу

Рис.5. Фрагмент спектра  огибающей случайной высокочастотной  вибрации подшипника с трещиной внутреннего  кольца

На рис. 6 представлен спектр вибрации (справа) и спектр огибающей  случайной высокочастотной вибрации (слева) второго подшипника, для которого программой также был поставлен автоматический диагноз – и дефект шестерни, и дефект внутреннего кольца.

Рис.6. Спектр вибрации (справа) и спектр огибающей случайной  высокочастотной вибрации (слева) второго  подшипника

Однако, анализируя спектр огибающей (см. рис.7), становиться очевидным, что за составляющую на частоте перекатывания тел качения по внутреннему кольцу программа приняла одну из составляющих, кратных частоте вращения.

Рис.7. Спектр огибающей  случайной высокочастотной вибрации второго подшипника

Это еще более наглядно можно показать на фрагменте спектра  огибающей, приведенных на рис.8, где  указана частота перекатывания  тел качения по внутреннему кольцу и очевидно отсутствие роста вибрации на этой составляющей.

Рис.8. Фрагмент спектра огибающей  случайной высокочастотной вибрации второго подшипника с указанием  частоты перекатывания тел качения  по внутреннему кольцу.

Приведенные выше спектры  доказывают отсутствие трещины на внутреннем кольце подшипника и ошибочность  одного из поставленных программой автоматического  диагноза. В то же время наличие  модуляции вибрации на частоте зацепления kfz частотами вращения шестерни kfвр в спектре вибрации этого подшипника, приведенном на рис.9, свидетельствует о правильности второй половины автоматического диагноза – о наличии дефекта шестерни.

Рис.9. Спектр вибрации второго подшипника

Кроме того, могут возникать  ситуации, когда программа автоматической диагностики обнаруживает изменение  вибрационного состояния КМБ (КРБ), но для определения вида дефекта  ей не хватает выявленных признаков. В этом случае программой ставится диагноз – неидентифицированный дефект, при котором окончательное решение должен принимать специалист по диагностике и ему в некоторых случаях может потребоваться помощь эксперта.

Как показал  опыт работы, помощь независимого эксперта нужна не только в спорных ситуациях, но и для периодического контроля работы специалистов по диагностике  на местах, которые могут совершать  ошибки, как при принятии решений  по данным автоматической диагностики, так и при проведении диагностических  измерений, в частности, при вводе  в программу значения частоты  вращения КМБ (КРБ). Выборочный анализ базы данных измерений, выполненных специалистом по диагностике или оператором, позволяет обратить его внимание на типовые ошибки и предотвратить их дальнейшее появление.

Для решения  задач по привлечению экспертов  к подобной работе Ассоциация ВАСТ существенно модернизирует выпускаемые  средства и программное обеспечение  для диагностики машин и оборудования с целью перехода на корпоративные  системы диагностики. Такая система  имеет объединенную базу данных первичных  измерений и диагнозов для  всех специалистов по диагностике корпорации, находящихся в разных городах  и связанных между собой типовыми линиями связи. В настоящее время  подобная система внедряется на Северной дороге и в ее рамках формируется  группа экспертов, которые будут  привлекаться к процессу постановки диагноза в спорных случаях в  реальном масштабе времени в любом  депо. Что касается подготовки специалистов по диагностике и экспертов, то эта  работа ведется по двум направлениям – подготовка с отрывом от производства в Северо-западном учебном центре, входящем в Ассоциацию ВАСТ, и без  отрыва от производства, по индивидуальным программам совместной работы с ведущими экспертами Ассоциации, имеющими электронный  доступ в корпоративную систему  диагностики.