Многофакторный способ диагностирования роторных, механических, подшипниковых и редукторных узлов

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: электрический сигнал, пропорциональный вибрации объекта, преобразуют в спектр, запоминают амплитудные составляющие спектра, сравнивают запомненные амплитудные составляющие с заранее заданными критическими и оценочными уровнями. Определяют по результатам сравнения техническое состояние и прогнозируют время безаварийной работы диагностируемого объекта. Предварительно до начала измерения основного сигнала измеряют и запоминают значения сигналов сопутствующих факторов, а именно времени фактической работы объекта и среднего значения температуры окружающей среды за время его фактической работы. После чего корректируют величины заранее заданных критических и оценочных уровней амплитудных составляющих в зависимости от величин предварительно измеренных сигналов сопутствующих факторов. Технический результат: повышение достоверности диагностирования. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к диагностике объектов транспорта, в том числе роторных подшипниковых и редукторных узлов.

Известно устройство и реализуемый им способ по а.с. СССР №142934 "Устройство для контроля состояния узлов трения качения".

Известно устройство и способ по патенту №2036455 "Сенсор диагностики узлов трения качения".

Известные устройства, по реализуемым ими способам, преобразуют измеренные сигналы в спектры, амплитудные составляющие которых усредняют, сравнивают с допустимыми уровнями введенных контрольных параметров и по результатам сравнения судят о состоянии объектов.

Недостатками известных способов являются отсутствие учета при диагностировании условий эксплуатации узлов в период, предшествовавший их диагностированию, неучет внешних условий при проведении диагностирования.

За прототип принято изобретение РФ №2177607 "Способ и устройство диагностирования циклических функционирующих объектов".

Способ обеспечивает экспресс-метод по трем градациям диагностирования: "норма", "превышение допустимых норм и ограничений", "необходимость углубленного анализа состояния объекта".

Способ содержит действия предварительного, основного и заключительного этапов, которые выполняются в определенной последовательности.

На предварительном этапе измеряемые сигналы преобразуют в электрические. Измерения выполняют избирательно, в соответствии с циклом функционирования объекта. При этом выбирают одноименные периоды функционирования объекта.

Эти сигналы преобразуют в спектры амплитудных составляющих, распределенных по частотным зонам.

Распределенные по частотным зонам амплитуды составляющих проверяют на отсутствие превышения допустимых пределов в каждой из зон.

При наличии превышения допустимых пределов диагностирование объекта прекращают. Способ предусматривает усреднение первой и затем последующих пар амплитудных составляющих спектров.

Для усреднения уровни амплитуд в одноименных зонах суммируют и делят на коэффициент, например, равный двум.

К недостаткам прототипа можно отнести:

- Недостаточная достоверность диагностирования из-за отсутствия учета при проведении диагностирования условий эксплуатации объекта в период, предшествовавший его диагностированию,

- Недостаточно точный прогноз времени безаварийной работы механизма.

Задачей изобретения является повышение достоверности диагностирования объекта, более точного прогнозирования времени его безаварийной работы путем учета при диагностировании сопутствующих факторов.

Реализация задачи состоит в том, что предварительно до начала измерения основного сигнала измеряют и запоминают значения сигналов сопутствующих факторов, например, время фактической работы объекта и среднее значение температуры окружающей среды за время его фактической работы, корректируют критические и оценочные уровни диагностируемого объекта в зависимости от величин предварительно измеренных сигналов сопутствующих факторов, затем электрический сигнал, пропорциональный, например, вибрации объекта, преобразуют в спектр, запоминают амплитудные составляющие спектра, сравнивают запомненные амплитудные составляющие с заранее заданными критическими и оценочными уровнями, определяют по результатам сравнения техническое состояние и прогнозируют время безаварийной работы диагностируемого объекта.

Технический результат заключается в повышении достоверности диагностирования объекта, а также более точного прогноза времени его безаварийной работы.

Способ применим к различным типам объектов, в т.ч. к объектам подвижного состава железных дорог, например, роторным узлам локомотивов.

Осуществление изобретения.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, например, комплекса оперативной диагностики "Прогноз-1М".

Функциональная схема устройства приведена на чертеже, где:

1. Локомотив.

2. Объект диагностирования, например буксовый узел.

3. Измеритель температуры с возможностью накопления измеряемых значений и последующим их усреднением.

4. Регистратор фактического времени работы и пройденного расстояния (спидометр).

5. Датчик вибрации.

6. Усилитель электрического сигнала.

7. Аналоговый фильтр.

8. Коммутатор.

9. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

10. Сигнальный процессор.

11. Персональный компьютер.

12. Монитор.

13. Принтер.

14. Комплекс оперативной диагностики "Прогноз-1М".

Объектом диагностирования может быть, например, буксовый узел колесно-моторного блока локомотива. На корпус буксового узла 2 локомотива 1 с помощью магнитного крепления устанавливают датчик 5 виброускорения (в комплексе "Прогноз-1М" используются датчики виброускорения ВД03А). Информационный вход 3 комплекса соединяют с регистратором 4 фактического времени работы и пройденного расстояния (находится на локомотиве). В качестве такого регистратора на локомотивах используется, например, устройство КПД-ЗВ (комплекс средств сбора и регистрации контролируемых параметров движения локомотивов). Информационный вход 2 комплекса "Прогноз-1М" соединяют с измерителем 3 температуры. В качестве такого измерителя возможно использование, например, устройства DS21L-F52 (накапливает измеряемые значения температуры с заданным интервалом по времени с последующим их усреднением). Измеритель находится на локомотиве в процессе его эксплуатации.

Перед процедурой диагностирования в комплекс оперативной диагностики 14 с регистратора 4 вводят информацию о фактическом времени работы локомотива (или пройденном им расстоянии - пробег), а также с измерителя 3 температуры информацию о средней температуре за тот же промежуток времени.

Эта информация поступает соответственно на информационные входы 2 и 3 сигнального процессора 10. На основе этой информации, т.е. в зависимости от величин предварительно измеренных сигналов сопутствующих факторов в сигнальном процессоре происходит, в соответствии с введенной программой, корректировка заранее заданных критических и оценочных уровней вибросигнала.

Электрический сигнал с датчика вибрации 5 через информационный вход 1 комплекса 14 поступает на вход усилителя 6 электрического сигнала, а с его выхода на вход аналогового фильтра 7. С выхода фильтра 7 сигнал поступает на вход 1 коммутатора 8. С выхода коммутатора отфильтрованный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 и далее с его выхода на вход 1 сигнального процессора (СП) 10.

В качестве СП в комплексе "Прогноз-1М" использована микросхема ADSP 2181. Сигнальный процессор выполняет следующие функции:

1. Хранит оценочные и критические значения для основного сигнала и сигналов сопутствующих факторов.

2. Корректирует оценочные и критические значения для основного сигнала в зависимости от величин предварительно измеренных сигналов сопутствующих факторов.

3. Производит быстрое преобразование Фурье (БПФ) поступающих сигналов вибрации.

4. Сравнивает периодически поступающие в него значения составляющих основного сигнала с соответствующими значениями критических и оценочных уровней.

5. По результатам сравнения определяет техническое состояние диагностируемого объекта (буксового узла).

6. Передает результаты сравнения и определения технического состояния диагностируемого объекта в персональный компьютер (ПК).

7. Получает от ПК команды на начало и окончание диагностирования.

8. Управляет работой коммутатора, в том числе начинает и заканчивает диагностирование, через его управляющий вход "у".

СП передает результаты диагностирования в персональный компьютер 11, который в свою очередь может посылать управляющие команды в СП.

Персональный компьютер 11 выполняет следующие основные функции:

1. Формирует команды для сигнального процессора.

2. Хранит базу данных результатов диагностирования.

3. Формирует отчеты по результатам диагностирования и отправляет их на монитор 12 и принтер 13.

После подготовительных операций (вывешивание колесной пары, подключение питающих кабелей) подают питающее напряжение на тяговый электродвигатель колесно-моторного блока локомотива, при этом приходит во вращение колесная пара вместе с насаженными на ее ось внутренними кольцами буксовых подшипников. Во вращение также приходят тела качения (ролики) и сепаратор подшипника. Корпус буксы вместе с внешним кольцом буксового подшипника остается неподвижным. При перекатывании тел качения по поверхностям качения внутреннего и наружного колец возникает вибрация, которая передается на корпус буксы и, соответственно, воспринимается датчиком 5 вибрации. Параметры вибросигнала исправного и неисправного подшипников отличаются по нескольким параметрам, например, по амплитудам характерных частот. По параметрам вибрации можно различить до 12 видов неисправностей подшипников. В процессе эксплуатации подшипников развитие каждого из 12 видов дефектов происходит по своему закону. Так, например, наиболее быстро развивающимися дефектами, приводящими к потере работоспособности подшипника, являются дефекты тел качения и сепаратора. Изначально в СП критические и оценочные уровни для сигнала вибрации установлены в расчете на то, что испытаниям подвергается новый, но обкатанный подшипник, т.е. подшипник с приработанными поверхностями качения. В процессе эксплуатации происходят естественные необратимые изменения в геометрии элементов подшипника (износ). Так, например, ролики, внешняя и внутренняя обоймы теряют цилиндрическую форму. Появляются задиры, микротрещины и сколы. На динамику развития дефектов решающее влияние, кроме качества материалов и сборки подшипника, оказывают условия его эксплуатации, а именно: время нахождения в эксплуатации и температурные режимы в течение эксплуатации, а также величина нагрузки на подшипник. Так, скорость развития практически всех обнаруживаемых дефектов увеличивается с увеличением времени эксплуатации, т.е. величины пробега локомотива. Дефекты развиваются быстрее и при ухудшении условий смазки. Условия смазки резко ухудшаются при низких температурах. Так, при температуре окружающего воздуха -25°C локомотиву после длительной стоянки (30-40 минут) необходимо проехать 25-30 минут для того, чтобы смазка в буксовом узле разогрелась и равномерно распределилась по всем элементам подшипника. Фактически происходит вынужденная эксплуатация подшипника в неблагоприятных для смазывания условиях. Повышенный износ элементов подшипника наблюдается и при его эксплуатации в условиях повышенных температур (30-40°C окружающего воздуха). В этом случае вязкость смазки уменьшается, и при перекатывании тел качения по наружной и внутренней обоймам часто происходит так называемое продавливание масляного клина, что ведет к повышенному износу поверхностей качения.

Для того чтобы правильно определить степень развития каждого из определяемых дефектов и, что особенно важно, спрогнозировать время безаварийной работы подшипника при диагностировании, необходимо учитывать условия его эксплуатации, например, время эксплуатации и температурный режим за это же время.

В данном случае такой учет предлагается вести путем корректировки заранее заданных критических и оценочных уровней вибросигнала. Чем больше отклонения от оптимальных температурных режимов в область низких или, наоборот, высоких температур, тем ниже должны быть установлены критические и оценочные уровни вибросигнала. Чем больше было время эксплуатации подшипника (пробег), тем больше должны быть снижены критические и оценочные уровни вибросигнала.

Производимые корректировки критических и оценочных уровней вибросигнала в зависимости от величины сопутствующих факторов позволяют уточнить спектральные модели развития отдельных видов дефектов и, соответственно, более точно определить вид дефекта и степень его развития, а также более точно спрогнозировать возможное время его безаварийной работы.

Предлагаемый способ применим к различным типам роторных механических узлов, в т.ч. и к объектам подвижного состава железных дорог.

Многофакторный способ диагностирования роторных, механических, подшипниковых и редукторных узлов, заключающийся в том, что электрический сигнал, пропорциональный, например, вибрации объекта, преобразуют в спектр, запоминают амплитудные составляющие спектра, сравнивают запомненные амплитудные составляющие с заранее заданными критическими и оценочными уровнями, определяют по результатам сравнения техническое состояние и прогнозируют время безаварийной работы диагностируемого объекта, отличающийся тем, что предварительно до начала измерения основного сигнала измеряют и запоминают значения сигналов сопутствующих факторов, например время фактической работы объекта и среднее значение температуры окружающей среды за время его фактической работы, корректируют величины заранее заданных критических и оценочных уровней амплитудных составляющих в зависимости от величин предварительно измеренных сигналов сопутствующих факторов.