Способ диагностики технического состояния экипажной части локомотива Российский патент 2021 года по МПК B61K9/00 G01N29/14 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для мониторинга и диагностики технического состояния, оценки остаточного ресурса подшипниковых узлов, зубчатых передач, моторно-осевых подшипников и других подвижных нагруженных узлов экипажной части локомотивов железных дорог.

Из уровня техники известен способ диагностики подшипников, включающий постановку их на измерительное устройство, обеспечивающее вращение, выявление и измерение сигналов от датчиков с контролируемой поверхности, их усиление, детектирование, преобразование, в том числе быстрое преобразование Фурье, спектрирование и сравнение с нормативными данными, заложенными в памяти ЭВМ, при этом обеспечивают процесс сканирования контролируемых поверхностей, сигнал формируют с помощью возбуждения в поверхностном слое изделия вихревых токов, устанавливают частотные полосы с пороговыми значениями для каждого вида дефектов, после фильтрации, преобразований и спектрирования сигнал последовательно, многократно сравнивают с заданными пороговыми значениями и судят о состоянии контролируемых параметров изделий, выбраковывая их на каждом этапе сравнения (см. Патент RU 2138032, опубликован 20.09.1999).

Недостатком известного способа является необходимость постановки контролируемого узла на измерительное устройство, отсутствие возможности диагностики непосредственно в процессе эксплуатации изделия.

Наиболее близким решением является способ диагностики технического состояния подшипников, осуществляемый с помощью устройства для диагностики подшипников. Способ заключается в том, что на наружной стороне корпуса подшипника устанавливают акустико-эмиссионный датчик. Сигналы с датчика отправляют на блок обработки информации, где происходит расчет и обработка результатов технического состояния подшипника с выводом ряда параметров на дисплей и в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство для передачи в персональный компьютер. При осуществлении способа определяют параметр, характеризующий распределение амплитуд сигналов акустической эмиссии по уровням, но в процентной форме. По численному значению такого параметра можно судить о степени изношенности подшипника. Данный способ реализуется в условиях ремонтных предприятий на стационарных диагностических позициях (см. Патент RU 2240527, опубликован 20.11.2004).

Недостатками наиболее близкого решения являются: наличие только одного канала диагностики, т.е. возможность одномоментного контроля лишь одного узла локомотива; необходимость установки локомотива на специализированную домкратную позицию, т.е. отвлечение локомотива от эксплуатационной работы; отсутствие постоянной связи устройства для диагностики с программным обеспечением и аналитической программой, что не позволяет выполнять детальную классификацию дефекта. Кроме того, диагностирование выполняется в условиях отсутствия реальной эксплуатационной нагрузки на подшипниковые узлы и зубчатые передачи т.е. является тестовым.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение достоверности и оперативности диагностики состояния подшипниковых узлов и зубчатых передач локомотивов, адаптивное прогнозирование остаточного ресурса на основе анализа акустико-эмиссионных сигналов, снятых с контролируемых узлов в условиях реальных эксплуатационных нагрузок, возможность локализации и определения геометрических размеров дефектов, повышение уровня безопасности движения на железнодорожном транспорте.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности диагностики и контроля подшипниковых узлов и зубчатых передач экипажной части локомотива в процессе его эксплуатации без необходимости остановки локомотива и постановки его на проверочные линии, обеспечение возможности своевременного выявления дефектов подшипниковых узлов и зубчатых передач локомотива.

Технический результат изобретения достигается благодаря реализации способа мониторинга технического состояния экипажной части локомотива, заключающегося в том, что в процессе эксплуатации локомотива при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени с помощью акустико-эмиссионного датчика, установленного на корпусе каждого диагностируемого узла экипажной части локомотива, осуществляют непрерывное измерение значений сигналов акустической эмиссии, измеренные значения сигналов посредством каналов связи передают по меньшей мере на один промежуточный аналитический блок, установленный в локомотиве, с помощью по меньшей мере одного промежуточного аналитического блока осуществляют обработку принятых сигналов и отправку их посредством каналов связи на центральный аналитический блок, расположенный в кабине управления локомотива, с помощью центрального аналитического блока осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование бригады о техническом состоянии каждого диагностируемого узла экипажной части локомотива.

Кроме того, могут использовать акустико-эмиссионные датчики и промежуточные аналитические блоки, соединенные измерительными каналами связи в виде кабелей, уложенных в защитные рукава и закрепленных к раме тележки локомотива.

Кроме того, могут использовать промежуточные аналитические блоки связанные друг с другом посредством информационных каналов связи, при этом промежуточные аналитические блоки могут осуществлять анализ всех измерительных каналов связи одновременно в режиме постоянной синхронизации.

Кроме того, диагностируемые узлы представляют собой, преимущественно, подшипниковый узел и/или зубчатую передачу.

Кроме того, непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии могут осуществлять в полосе частот от 20 кГц до 300 кГц.

Кроме того, при обработке на по меньшей мере одном промежуточном аналитическом блоке принятых сигналов могут осуществлять их усиление с помощью усилителя, фильтрацию с помощью широкополосного фильтра, преобразование в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя и отправку оцифрованного сигнала на центральный процессор.

Кроме того, с помощью центрального процессора могут осуществлять хранение обработанных сигналов, привязку их к скорости движения локомотива и расчет ресурса диагностируемого узла.

Кроме того, с помощью центрального аналитического блока могут осуществлять обобщение диагностической информации от всех промежуточных аналитических блоков, хранение диагностической информации, ее привязку к скорости движения локомотива.

Кроме того, информирование бригады могут осуществлять посредством дисплея, установленного в кабине управления локомотива и связанного с центральным аналитическим блоком.

Кроме того, информацию о рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла могут отправлять в сервисное предприятие посредством беспроводных каналов связи.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема установки многоканальной бортовой системы, с помощью которой осуществляется диагностика экипажной части локомотивов (для примера приведена одна секция восьмиосного локомотива, последующие секции имеют сходное исполнение); на фиг. 2 представлена фотография варианта установки акустико-эмиссионного датчика на одном из диагностируемых узлов локомотива; на фиг. 3 показан вариант крепления измерительных каналов в защитных рукавах к раме тележки локомотива; на фиг. 4 представлена фотография варианта размещения и крепления промежуточного аналитического блока на раме тележки локомотива; на фиг. 5 схематично показана функциональная схема многоканальной бортовой системы диагностики экипажной части локомотивов, с помощью которой осуществляется обработка акустико-эмиссионного сигала по одному измерительному каналу; на фиг. 6 показаны параметры оцениваемого акустико-эмиссионного диагностического сигнала, например, подшипникового узла локомотива; на фиг. 7 показана диагностическая панель многоканальной бортовой системы диагностики экипажной части локомотива, а именно пример отображения на дисплее информационной панели, характеризующей состояние узлов локомотива.

Предложенный способ диагностики технического состояния экипажной части локомотива осуществляется с помощью многоканальной бортовой системы диагностики экипажной части локомотива, выполненной в виде блочно-модульной структуры с линиями связи (фиг. 1), и которая включает следующую совокупность технических средств (но не ограничиваясь): акустико-эмиссионные датчики 1; промежуточные аналитические блоки 2; центральный аналитический блок 3; дисплей 4; блок 5 питания; блок 6 контроля скорости; датчик 7 скорости; измерительные каналы 8 связи (измерительные кабели 8), соединяющие выходы акустико-эмиссионных датчиков 1 с входами промежуточных аналитических блоков 2; информационные каналы 9 связи (информационные кабели 9), соединяющие промежуточные аналитические блоки 2 между собой, выходы промежуточных аналитических блоков 2 с входами центрального аналитического блока 3, а также выход датчика 7 скорости с входом блока 6 контроля скорости, и выход центрального аналитического блока 3 с входом дисплея 4; каналы 10 питания (кабели 10 питания), соединяющие блок 5 питания с промежуточными аналитическими блоками 2, с центральным аналитическим блоком 3, с дисплеем 4 и с блоком 6 контроля скорости.

Перед осуществлением диагностики технического состояния экипажной части локомотива датчики 1 устанавливают (монтируют) на корпусы диагностируемых (контролируемых) узлов в постоянном техническом исполнении (фиг. 2). Диагностируемые узлы представляют собой подшипниковые узлы или зубчатые передачи, или и то и другое в зависимости от необходимости контролировать те или иные подвижные узлы и передачи локомотива. Количество датчиков 1 в используемой для осуществления способа системе соответствует числу диагностируемых узлов экипажной части локомотива, при этом на корпус каждого диагностируемого узла устанавливают, преимущественно, один датчик 1 (однако, в случае необходимости на корпусе одного диагностируемого узла может быть установлено и большее количество датчиков 1).

Промежуточные аналитические блоки 2 (АРП-11/N) представляют собой блоки обработки и анализа сигналов акустической эмиссии, которые осуществляют обработку и анализ акустико-эмиссионных сигналов, поступающих от датчиков 1 диагностируемых узлов. Количество блоков 2 в используемой системе может быть любым от одного и более в зависимости от количества осей локомотива и диагностируемых узлов. Каждый блок 2 устанавливают в локомотиве, преимущественно, закрепляют на раме тележки 16 локомотива (фиг. 4). При этом каждый датчик 1 соединяют с соответствующим блоком 2 измерительным кабелем 8. Кабели 8 укладывают в защитные рукава 11 (металлорукава), которые с помощью хомутов 12 закрепляют к раме тележки 16 локомотива, например, с использованием базовой скобы 13, привариваемой к раме тележки 16 локомотива (фиг. 3).

Центральный аналитический блок 3 располагают в кабине 15 управления локомотива. Количество блоков 3 может быть также любым от одного и более в зависимости от необходимости. При этом либо часть блоков 3, либо все блоки 3 могут быть соединены с одним дисплеем 4, который также располагают в кабине 15 управления локомотива, либо возможен вариант, когда каждый блок 3 соединен со своим дисплеем 4. Центральные аналитические блоки 3 соединяют с промежуточными аналитическими блоками 2 с помощью информационных кабелей 9. Центральные аналитические блоки 3 осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных блоков 2, хранение, привязку к скорости движения и расчет ресурса с выдачей информации локомотивной бригаде посредством графического дисплея 4.

Электрическое питание всей системы осуществляется от специализированного блока 5 питания. Связь информационных каналов 9 и каналов 10 питания между секциями локомотива осуществляется посредством межсекционных разъемов 14.

Полный цикл обработки акустико-эмиссионного сигнала от каждого датчика 1 по одному измерительному каналу 8 схематично представлен на фиг. 5. Обработка сигнала осуществляются с помощью усилителя 17, полосового фильтра 18, аналогово-цифрового преобразователя 19, центрального блока 3, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 20, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 21, временного таймера 22, информационного дисплея 4, системы внешнего интерфейса 23. Временной таймер 22 необходим для фиксации временного периода поступления акустико-эмиссионных сигналов с целью дальнейшей обработки и анализа сигналов во временном промежутке до 0,1 мкс.

Предложенный способ диагностики технического состояния экипажной части локомотива осуществляется в процессе эксплуатации локомотива при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени. Т.е. в процессе эксплуатации локомотива, когда его узлы нагружены, с помощью каждого акустико-эмиссионного датчика 1, установленного на корпусе соответствующего диагностируемого узла экипажной части локомотива, одновременно осуществляют непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии в полосе частот, преимущественно, от 20 кГц до 300 кГц. Измеренные значения сигналов посредством измерительных каналов 8 связи передают от датчиков 1 на соответствующие блоки 2. Таким образом, акустико-эмиссионные сигналы, излучаемые работающим нагруженным подшипниковым узлом или зубчатой передачей, преобразуются в датчике 1 в электрические непрерывные импульсы, которые поступают на блоки 2. С помощью блоков 2 осуществляют обработку принятых от датчиков 1 аналоговых сигналов. При этом в процессе обработки сигналов каждым блоком 2, на блоке 2 с помощью усилителя 17 осуществляют усиление принятых от датчиков 1 сигналов. Далее усиленные сигналы поступают в широкополосный фильтр 18, с помощью которого осуществляют фильтрацию усиленных сигналов. Далее выделенные после фильтрации сигналы поступают на вход в аналого-цифровой преобразователь 19, с помощью которого осуществляют преобразование аналоговых сигналов в цифровой сигнал. После АЦП значения электрических сигналов в цифровом формате поступают на вход центрального процессора, который является основной (базовой) микросхемой промежуточного аналитического блока 2 обработки информации. Центральный процессор каждого блока 2 осуществляет хранение обработанных сигналов от датчиков 1, привязку их к скорости движения локомотива и расчет ресурса соответствующего диагностируемого узла. Промежуточные аналитические блоки 2 обеспечивают анализ всех измерительных каналов 8 связи одновременно в режиме постоянной синхронизации. Контроль скорости движения локомотива, а следовательно и частоты вращения диагностируемых узлов выполняется посредством датчика 7 скорости и блока 6 контроля скорости.

После обработки блоками 2 принятых от датчиков 1 сигналов, все обработанные сигналы со всех блоков 2 отправляют с помощью информационных каналов 9 связи на центральный аналитический блок 3. С помощью блока 3 осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных блоков 2, хранение диагностической информации и ее привязку к скорости движения локомотива. Также с помощью блока 3 осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование бригады с помощью дисплея 4 о техническом состоянии каждого диагностируемого узла экипажной части локомотива. При этом значения измеренных величин, характеризующих техническое состояние подшипниковых узлов и зубчатых передач, поступают в оперативное запоминающее устройство 20 блока 3, а все расчетные данные, характеризующие техническое состояние диагностируемых узлов, сохраняются в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве 21 блока 3.

Рассчитанные значения анализируют и сопоставляют с нормативными значениями для оценки технического состояния и ресурса каждого подшипникового узла и зубчатой передачи.

Состояние каждого диагностируемого узла оценивается по следующим параметрам (фиг. 6):

А_ед - значение единичной амплитуды акустико-эмиссионного сигнала за время анализа, ед (мкВ);

D - среднее значение величины всех амплитуд акустико-эмиссионных сигналов за время анализа, ед (мкВ);

А_мах - значение максимальной амплитуды акустико-эмиссионного сигнала за время анализа, ед (мкВ);

Т_а - время анализа амплитуд акустико-эмиссионного сигнала, соответствующее времени совершения подшипником (зубчатой передачей) не менее одного полного оборота, мкс;

Для оценки степени развития единичного дефекта используется параметр А_ед - коэффициент амплитуды измеренного акустико-эмиссионного сигнала за время анализа Т_а, который выражается в процентной форме и определяется следующим выражением:

Для оценки остаточного ресурса диагностируемого узла используется зависимость:

где

Р - значение остаточного ресурса диагностируемого узла, %;

D_доп - значение максимально допустимой величины амплитуд акустико-эмиссионных сигналов за период времени Т_а (цифровое значение, ед.).

Все данные о текущем состоянии подшипниковых узлов и зубчатых передач накапливаются в энергонезависимой памяти используемой системы. Информация о техническом состоянии и ресурсе узла отображается на информационном дисплее 4, размещенном в кабине 15 управления локомотива, на котором в режиме реального времени отображается диагностическая панель состояния (фиг. 7) с информацией о допустимой или не допустимой эксплуатации соответствующего узла или ограничении его ресурса.

Информацию о техническом состоянии и рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла, о допустимой или не допустимой эксплуатации или ограничении ресурса с центрального аналитического блока 3 отправляют посредством беспроводной связи в сервисное предприятие для организации обслуживания и обеспечения безопасности движения.

Модульный принцип построения и применение универсальной платформы программного обеспечения позволяет расширить функциональные возможности системы, путем включения в объекты мониторинга вспомогательных машин, электромашинных преобразователей, мотор-компрессоров, мотор-вентиляторов, генераторов управления, насосов охлаждения и других требующих контроля приводов. Датчики 1 могут устанавливаться на буксовых узлах локомотива, на тяговых электрических двигателях, на подшипниковых узлах мотор-компрессоров (моторно-осевые подшипники скольжения и качения), на подшипниковых узлах тяговых генераторов, на подшипниковых узлах возбудителя и стартер-генератора, на подшипниковых узлах вентиляторов холодильника и вентиляторов охлаждения ТЭД, на подшипниковых узлах масло и топливо прокачивающих насосов, на подшипниковых узлах распределительных редукторов и др.

Благодаря осуществлению предложенного способа с использованием описанной системы, обеспечивается возможность контроля и диагностики любого нагруженного узла (подшипникового узла и зубчатой передачи) локомотива в процессе его эксплуатации без необходимости остановки локомотива и его переноса на специальные проверочные стенды. Исключается необходимость остановки локомотива и соответственно его простоя, поскольку весь контроль нагруженных узлов осуществляется в режиме реального времени при эксплуатации локомотива. Благодаря этому имеется возможность своевременно выявить дефекты диагностируемых узлов и точно определить их ресурсы. Отображение информации о состоянии диагностируемых узлов бригаде локомотива на дисплее 4, а также отправка этой информации в сервисные предприятия позволяет оперативно диагностировать узлы и принимать решения о дальнейшем использовании, ремонте или замене того или иного диагностируемого узла. Благодаря установке на каждом диагностируемом узле отдельного датчика 1, соединенного с блоком 2 обработки, существенно повышается достоверность и оперативность диагностики состояния соответствующих нагруженных узлов, а также возможность максимально точного определения геометрических размеров появляющихся дефектов в диагностируемых узлах, в результате чего повышается уровень безопасности на железнодорожном транспорте. Применение способа с системой диагностики позволяет формировать базу данных диагностируемых узлов с информацией об их ресурсе, а также формировать рекомендации по эксплуатационным режимам и сервисному обслуживанию.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для мониторинга и диагностики технического состояния, оценки остаточного ресурса подшипниковых узлов, зубчатых передач, моторно-осевых подшипников и других подвижных нагруженных узлов экипажной части локомотивов железных дорог. Способ диагностики технического состояния узлов экипажной части локомотива, представляющих собой подшипниковый узел и/или зубчатую передачу заключается в осуществлении непрерывного измерения значений сигналов акустической эмиссии в процессе эксплуатации локомотива при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени с помощью акустико-эмиссионного датчика (1), установленного на корпусе каждого диагностируемого узла экипажной части локомотива. Измеренные значения сигналов посредством каналов (8) связи передают по меньшей мере на один промежуточный аналитический блок (2), установленный в локомотиве. С помощью по меньшей мере одного промежуточного аналитического блока (2) осуществляют обработку принятых сигналов и отправку их посредством каналов (9) связи на расположенный в кабине (15) управления локомотива центральный аналитический блок (3), с помощью которого осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование бригады о техническом состоянии каждого диагностируемого узла экипажной части локомотива. Изобретение обеспечивает диагностику и контроль подшипниковых узлов и зубчатых передач экипажной части локомотива в процессе его эксплуатации без необходимости остановки локомотива и постановки его на проверочные линии, своевременное выявление дефектов подшипниковых узлов и зубчатых передач локомотива. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ диагностики технического состояния узлов экипажной части локомотива, представляющих собой подшипниковый узел и/или зубчатую передачу, заключающийся в том, что в процессе эксплуатации локомотива при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени с помощью акустико-эмиссионного датчика, установленного на корпусе каждого диагностируемого узла экипажной части локомотива, осуществляют непрерывное измерение значений сигналов акустической эмиссии, измеренные значения сигналов посредством каналов связи передают по меньшей мере на один промежуточный аналитический блок, установленный в локомотиве, с помощью по меньшей мере одного промежуточного аналитического блока осуществляют обработку принятых сигналов и отправку их посредством каналов связи на центральный аналитический блок, расположенный в кабине управления локомотива, с помощью центрального аналитического блока осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование бригады о техническом состоянии каждого диагностируемого узла экипажной части локомотива.

2. Способ по п. 1, в котором используют акустико-эмиссионные датчики и промежуточные аналитические блоки, соединенные измерительными каналами связи в виде кабелей, уложенных в защитные рукава и закрепленные к раме тележки локомотива.

3. Способ по п. 2, в котором используют промежуточные аналитические блоки, связанные друг с другом посредством информационных каналов связи, при этом промежуточные аналитические блоки осуществляют анализ всех измерительных каналов связи одновременно в режиме постоянной синхронизации.

4. Способ по п. 1, в котором непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии осуществляют в полосе частот от 20 кГц до 300 кГц.

5. Способ по п. 1, в котором при обработке на по меньшей мере одном промежуточном аналитическом блоке принятых сигналов осуществляют их усиление с помощью усилителя, фильтрацию с помощью широкополосного фильтра, преобразование в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя и отправку оцифрованного сигнала на центральный процессор.

6. Способ по п. 5, в котором с помощью центрального процессора осуществляют хранение обработанных сигналов, привязку их к скорости движения локомотива и расчет ресурса диагностируемого узла.

7. Способ по п. 1, в котором с помощью центрального аналитического блока осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных аналитических блоков, хранение диагностической информации, ее привязку к скорости движения локомотива.

8. Способ по п. 1, в котором информирование бригады осуществляют посредством дисплея, установленного в кабине управления локомотива и связанного с центральным аналитическим блоком.

9. Способ по п. 1, в котором информацию о рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла отправляют в сервисное предприятие посредством беспроводных каналов связи.