Технические науки / 4. Транспорт

Профессор Спиридонов Э.С., Титов О.П., Набивач В.С., Гришов С.А.
Московский государственный университет путей сообщения императора Николая II, Россия

На основе метода акустической эмиссии. Диагностики ходовых частей локомотива в движении

Несмотря на достаточно высокий уровень вибродиагностики в локомотивном хозяйстве, отказы в процессе движения локомотивов заставляют искать достоверную информацию для выявления зарождающих дефектов, которые не могут идентифицировать диагностические технологии в условиях ремонтных предприятий.

Реально эту задачу может решить акустическая диагностика. Метод акустической эмиссии на стационарных стендах применить практически невозможно из-за необходимости создавать оптимальные нагрузки на

контролируемых объектах [4]. То есть функционирование системы возможно только при создании или существовании конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу контроля источника акустической эмиссии.

Методы неразрушающего контроля, применяемые для мониторинга элементов колесных пар в движении.

Помимо систем и приборов неразрушающего контроля, используемых для диагностики колесных пар в деповских условиях, на настоящий момент есть комплексы и системы производящие контроль технического состояния колесных пар и ее элементов в движении.

Тепловой метод

Для мониторинга нагрева буксового узла применяются температурные датчики, установленные в буксы. Данный метод контроля широко внедрен и применяется в пассажирском хозяйстве. Температурные датчики при возникновении аварийной (по температуре) ситуации передают тревожный сигнал в купе проводников того вагона где произошел нагрев буксового узла, после чего принимаются экстренные меры по остановке поезда и установлению причин нагрева.

Регистрацию температурного фона буксового узла используют системы: ДИСК, ПОНАГ и КТСМ. Работа этих систем основана на преобразовании и обработке электрических сигналов, вырабатываемых напольным оборудованием. Данные системы предназначены для обнаружения перегретых букс подвижного состава, проходящего через стационарные пункты расположения данных комплексов.
При превышении амплитуды теплового сигнала правой и левой стороны поезда установленного значения порога, вырабатывается сигнал тревоги; по которому включается звуковая и световая сигнализация на пульте оператора. При этом параллельно с выдачей в блок автономной работы запоминается порядковый номер вагона и стороны поезда, в которой расположена перегретая букса. Всего блок автономной работы может запомнить информацию о 16 вагонах.
При нормальных условиях эксплуатации, например, прибор КТСМ обладает следующими основными характеристиками: выявление перегретых букс с температурой подшипника выше 70 С, не менее - 85%, выявление перегретых букс С Температурой подшипника выше 140 С, не менее - 90%.
К недостаткам данных систем и приборов, основанных на тепловом методе контроля можно отнести: обнаружение неисправности/дефекта буксового узла уже при достижении критического значения. Так как если температура начала расти, это говорит о том, что состояние узла критическое и необходима срочная остановка и отцепка данного узла, чтобы не допустить заклинивания и схода подвижного состава, низкая достоверность и большое количество ложных срабатываний, рост критического дефекта не всегда вызывает рост температуры, невозможность оценить техническое состояние осей и колес.

Вибрационный метод контроля в движении.

В настоящее время проходят опытную эксплуатацию, системы мониторинга узлов подвижного состава в движении, которые основаны на использовании вибрационного метода неразрушающего контроля.

Например, одна из таких систем диагностики КМБ электровоза типа BJI80C состоит и работает следующим образом: вибропреобразователи ускорения устанавливаются на специальный болт, который вворачивается в корпус КМБ (буксовые узлы и кожух зубчатой передачи). Сигналы, выдаваемые вибропреобразователями, через кабели подаются на входы многоканального усилителя заряда, где они усиливаются и нормируются в величинах напряжения, пропорциональных амплитуде ускорения вибрационного процесса.

Из усилителя заряда по кабелю сбора информации эти сигналы подаются на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), где они преобразуется в цифровой сигнал, и передаются в компьютер.

После обработки по программе через определенное время на экране монитора высвечивается пиковое значение виброускорения.

Подобным образом функционируют и работают на сегодняшний день опытные системы динамического мониторинга буксовых узлов, основанные на вибрационном методе неразрушающего контроля, в пассажирском хозяйстве.

Но следует констатировать факт, что вибродиагностические системы динамического мониторинга имеют неудовлетворительную достоверность (по сравнению самими с собой, но в условиях депо) и позволяют определять наличие дефектов уже на поздних стадиях их развития. Кроме того в силу особенностей вибрационного метода неразрушающего контроля — он не позволяет выявлять дефекты (например, трещины) в осях и колесах колесных пар подвижного состава, данный факт — обнаружения дефектов на поздних стадиях развития не может удовлетворять тем условиям, которые выдвигаются к вновь разрабатываемым системам контроля в движении.

Технические требования, предъявляемые к системе динамического мониторинга элементов колесных пар на основе АЭ контроля.

Неразрушающий контроль элементов колесной пары (колеса и оси) в движении производится при их нагружении весом локомотива. То есть работа системы АЭ контроля возможна только при создании или существовании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта контроля работу источников акустической эмиссии.

Система мониторинга в движении элементов колесных пар на основе АЭ метода неразрушающего контроля должна состоять из:

-датчиков акустической эмиссии;

-датчики угла поворота колесной пары;

-устройства сбора и первичной обработки данных на базе промышленного компьютера;

- устройства точного позиционирования;

- устройства точного хранения и передачи данных.

- программного обеспечения с автоматической постановкой диагноза со степенью опасности выявленных дефектов,

и отвечать следующим требованиям:

- должна быть решена проблема выделения полезного сигнала из общего шума при движении состава;

- система динамического мониторинга должна иметь динамический диапазон до 110 дБ с временным интервалом в 1 мкс;

- определение времени прихода сигналов и с какой колесной пары, вплоть до точки контроля;

- перечень дефектов, которые система должна выявлять:

- внутренние, по всему объему металла дефекты колеса;

- внутренние, по всему объему металла дефекты оси;

- выявлять и регистрировать развивающиеся дефекты металлургического и эксплуатационного происхождения по всей поверхности элементов колесных пар, кроме того уметь классифицировать данные дефекты по степени их опасности для контролируемого объекта;
- система должна обладать высокой чувствительностью к растущим дефектам относительно других методов;
- система должна выявлять дефекты независимо от геометрической формы, положения и ориентации.

Характерные особенности и достоинства системы диагностики элементов колесных пар качения на основе метода АЭ.

-Разрешение дефектов по времени в 5-7 раз быстрее, чем при вибродиагностике.

-Интегральность, которая заключается в том, что используется несколько преобразователей АЭ, соответственно диагностируется весь объект.

-Дистанционность, которая позволяет производить контроль объектов при значительном удалении от объекта.

-Возможность контроля в реальном масштабе времени (в процессе работы объекта), что позволяет предотвратить катастрофическое разрушение контролируемого объекта и производить прогнозирование технического состояния объекта.

-Меньшее количество ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем для других методов НЕС. Например, неоднородность материала оказывает большое влияние на показания ультразвукового метода, тогда как для АЭ данные свойства материала не имеют существенного значения. Поэтому у систем на основе метода АЭ более широкий диапазон применения (по материалам).

-Высокое (возможно, максимальное) соотношение эффективность/ стоимость в области систем диагностики основанных на других методах неразрушающего контроля.

К объему экспериментальных и научно-исследовательских работ, при создании системы мониторинга колесной пары в движении на основе метода АЭ, следует отнести:

-установку мест датчиков акустической эмиссии на колесных парах и их количество;

-определение оптимальных частотных диапазонов акустоэмиссионных сигналов;

-разработку алгоритмов предварительной обработки акустоэмиссионных сигналов;

-разработку методов пост-обработки диагностической информации с выдачей прогнозных рекомендаций на основе степени опасности выявленных дефектов; *•

-передача по радиоканалу акустоэмиссионной информации в компьютер, находящийся в кабине машиниста;

-разработка модели функционирования системы;

-достоверность системы должна быть не ниже 99%.

Экономические показатели.

Экономическую эффективность данного метода неразрушающего контроля состояния можно проиллюстрировать простым примером. Стоимость вывода из эксплуатации резервуара большого объёма и его очистки, с целью инспекции днища, может достигать полумиллиона долларов. Ясно, что если по графику инспектировался неповреждённый резервуар, то в результате проведенных работ не произойдёт какого-либо изменения его состояния. Следовательно, в определённом смысле деньги оказываются потраченными впустую. Однако эти затраты обоснованы - эксплуатация резервуара в аварийном состоянии может явиться причиной существенно больших убытков, что наглядно демонстрирует стоимость информации о состоянии экологически опасных объектов. Между тем при применении акустоэмиссионной диагностики затраты на получение необходимой информации могут составлять всего 0.1% от расходов по выводу резервуара из эксплуатации.