Диагностика подшипников буксовых узлов на основе метода идентификационных измерений

Большую роль в экономическом и социальном развитии государства играет железнодорожный транспорт. Повышение активности использования железнодорожного транспорта отражается на техническом состоянии ходовых частей подвижных составов. В наибольшей степени износу и различным механическим повреждениям подвержен основной узел вагонов - колесная пара. Колесные пары несут на себе массу всего вагона и груза, направляют вагон относительно рельсового пути и воспринимают жесткие и разнообразные по направлению удары от неровности пути. Исправность данного узла влияет в первую очередь на безопасность движения.

При эксплуатации колесных пар РУ1-950 (РУ1Ш-950) наибольшее количество повреждений приходится на буксовый узел (рисунок 1) с установленными роликовыми подшипниками качения.

Существует множество автоматизированных приборов для определения технического состояния буксового узла и методов диагностики. В большинстве случаев эти методы основаны на использовании анализа спектральных характеристик вибрационного сигнала и не обеспечивают достаточного диагностирования состояния подшипников буксовых узлов из-за отсутствия единой методики распознавания и идентификации всех возникающих дефектов по множеству характеристик, что приводит к их пропуску или ложному выявлению.

Рисунок 1. Буксовый узел колесной пары

Целью работы стала разработка автоматизированной системы диагностики и мониторинга (АСДМ) технического состояния роликовых подшипников качения в собранной буксе на колесной паре. Авторами предложена двухуровневая система: нижний уровень отвечает за сбор информации, верхний - за принятие решения. Предложенная структура АСДМ представлена на рисунке 2.

На нижнем уровне, системе регистрации, расположен измеритель вибраций цифровой АТТ-9002 фирмы АКТАКОМ, обеспечивающий измерение, преобразование, контроль технологических параметров. Процессор виброанализатора АТТ-9002 производит регистрацию виброскорости, виброускорения, их среднеквадратические и пиковые значения. диагностирование подшипник букса колесный

На верхнем уровне системы, системе обработки, располагается рабочее место оператора: IBM-совместимый персональный компьютер, оборудованный портом последовательного интерфейса RS232 для связи с виброанализатором АКТАКОМ. Компьютер находится под управлением операционной системы Windows. Программный пакет LabVIEW Run-Time Engine, установленный на компьютере, является рабочей средой, обеспечивающей функционирование программной части системы автоматизации и контроля, отвечающей за интерфейс с оператором.

Функционирование программной части АСДМ основывается на использовании интегрального метода идентификационных измерений [2], позволяющего эффективно выявлять основные дефекты на основе использования максимального количества характеристик вибросигнала для идентификации и распознавания. В настоящее время в теории обработки сигналов используются временная, вероятностная, корреляционная и спектральная характеристики. Однако авторами предлагается использовать характеристики не только основного сигнала, но и его приращения.

Следовательно, для идентификации и распознавания используется максимальное количество характеристик виброизмерений, благодаря которым можно получить более объективную и точную информацию о дефекте.

Каждая характеристика вибросигнала и ее приращения измеряется путем преобразования

(1)

гдеIdP - идентификационный параметр;X_i - квантованные или дискретизированные значения характеристик сигнала.

Полученные численные значения называются идентификационными параметрами соответствующих характеристик, которые сводятся в базу данных вибросигналов.

На первоначальном этапе (этапе обучения) искусственно создаются различные типичные дефекты в подшипниках с получением эталонного значения характеристик сигналов, которые сводятся в эталонную базу данных, реляционная модель которой приведена в таблице 1.

После создания баз данных эталонных измерений проводят измерение идентификационных параметров Id^ИP исследуемого вибросигнала Х_И(t). Полученные численные и классификационные оценки идентификационных параметров исследуемого сигнала последовательно сравниваются со всеми эталонами по принципу «один - со всеми».

При этом для числовых параметров вычисляются отклонения ДId_iМ и ДId_iB:

(2)

По идентификационной шкале эталонных сигналов [2] составляется реляционная модель классификационной части базы данных эталонных вибросигналов дефектов и исследуемых вибросигналов подшипников буксовых узлов колесных пар.

Рисунок 2. Структура автоматизированной системы диагностики и мониторинга подшипников буксовых узлов

Таблица 1. Реляционная модель базы данных по измерениям распределения мгновенных значений

Полученные идентификационные параметры IdM_i^Э_<F> путем интерполяции будем сравнивать с отметкой шкалы, и в результате полученные значения будут являться комплексными эталонными характеристиками ±<A^Э_i(F)>. Знак «±» перед лингвистической характеристикой определяется

(3)

Классификационные параметры исследуемого сигнала и эталонов сравниваются между собой по принципу дихотомии «равен - не равен»:

(4)

Таким образом, формируются массивы в виде баз данных результатов сравнения, которые служат предметом дальнейшего анализа.

Далее получаем таблицу сравнения эталонных и исследуемых вибросигналов и составляем интегральные оценки:

- интегральная оценка критерия минимума ДIdМ;

- интегральная оценка критерия минимума ДIdВ;

- интегральная оценка критерия максимума MeanP.

В таблице 2 приведена экспериментальная модель базы данных интегральных оценок, полученная после проведения диагностики колесной пары.

Согласно данным приложенного метода для постановки диагноза могут быть сформулированы следующие правила.

1. По критерию минимума ДIdМ =min: ( ДIdМ = 32,5 % = min; ДIdВ = 11,6 %, meanP = 0,875; Mean = 22 %), в соответствии с которым тестовый подшипник имеет дефект в виде сломанного сепаратора с пропилом внешнего кольца.

2. По критерию минимума ДIdB =min: (ДIdВ = 38,7 %; ДIdМ = 6,8 % = min, meanP = 0,75; mean = 22,7 %), в соответствии с которым тестовый подшипник имеет дефект в виде сломанной перегородки.

3. По критерию максимума Mean-Р=max: (ДIdМ = 42,1 %; ДIdВ = 19,5 %, meanP = 1 = max; mean = 30,8 %), в соответствии с которым тестовый подшипник имеет дефекты в виде сломанной перегородки и раковины внешнего кольца.

4. По критерию минимума Mean=min: (ДIdМ = 32,5 %; ДIdВ = 11,6 %, meanP = 0,875; mean = 22 % = min), в соответствии с которым тестовый подшипник имеет дефект в виде сломанного сепаратора с пропилом внешнего кольца.

Предложенная автором автоматизированная система мониторинга и диагностики позволяет выявлять основные дефекты подшипников в собранной буксе, возникающие при эксплуатации подвижных составов: перекос внутреннего кольца, перекос наружного кольца, износ наружного кольца, раковины на наружном кольце, износ внутреннего кольца, раковины на внутреннем кольце, износ тел качения (роликов) и сепаратора, раковины, сколы на телах качения (роликах), дефекты смазки.

Предложены критерии выбора, на основании которых оператор-эксперт выносит заключение о причинах неисправности в виде дефекта.

Автоматизированная система мониторинга и диагностики подшипников буксовых узлов была разработана на кафедре «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» СКГУ им. М. Козыбаева и в настоящее время внедряется в технологический процесс по обслуживанию и ремонту колесных пар на АО «ЗИКСТО», г. Петропавловск.

Таблица 2. Модель базы данных интегральных оценок