Вибрационное диагностирование узлов вагонов

Вибрационное диагностирование сборочных единиц подвижного состава – один из наиболее эффективных методов повышения их надежности.

Историю вибрационного контроля можно разбить на несколько этапов.

Первый этап относится ко времени создания первых машин, когда обслуживающий их персонал, ориентируясь на свои ощущения (слуховые, зрительные и др.) стал обнаруживать различного рода дефекты и отклонения в функционировании машин. Доля виброакустических измерений параметров не превышала 50 %, а качество диагностики определялось опытом и знаниями специалиста.

Второй этап развития диагностики начался после появления первых измерительных приборов, характеристики которых превышали возможности слуха. Этот этап характеризуется широкими исследованиями объектов как источников шума и вибрации. Пик исследований в России пришелся на 1970–1980-е гг. Именно этот период характеризуется интенсивным развитием средств измерений типовых параметров процессов, происходящих в машинах и оборудовании, и созданием мощных систем мониторинга, т.е. систем наблюдения за изменением измеряемых параметров во времени и сравнения этих величин с пороговыми значениями. Применение средств автоматизации и компьютерной техники позволило создать системы автоматического мониторинга. Эти системы стали включаться в состав средств аварийной защиты машин и оборудования в аварийных ситуациях.

В этот же период произошел переход к определению технического состояния машин на основе идентификации имеющихся дефектов и прогнозу их развития. Параллельно создавались экспертные программы, повышающие эффективность работы специалистов.

Именно этот период стал началом третьего этапа развития диагностики, который характеризуется активным развитием работ по созданию математического и программного обеспечения, заменяющего эксперта в задачах интеграции результатов, получаемых системами мониторинга. Отличительной чертой этого этапа будет создание единых компьютерных систем мониторинга без участия человека.

Все в жизни совершает колебания (сердце, смена дня и ночи, маятник часов, атомы в материалах, струна гитары, колебания плотности и давления воздуха при распространении звука, напряженности магнитных полей в волноводах и т.д.).

Для изучения колебаний механических частей (системы) на объекте выбирают несколько точек (реперные точки), по движению которых определяют колебания всего агрегата.

Процесс многократного возрастания и убывания параметра во времени – колебательный процесс.

Колебательные процессы делятся на типы:

- вынужденные колебания, вызываемые переменным внешним воздействием (например, дисбаланс карданного вала);

- случайные колебания, вызванные силами трения, качения и скольжения в подшипниках;

- гармонические колебания, вызванные воздействием гармонической силы.

Уравнение, описывающее гармоническую силу, имеет вид

F(t) = A · sin(ωt + φ), (1.1)

где t – время, с;

A – амплитуда колебаний (максимальная сила);

ω – угловая частота, рад/с;

φ – начальная фаза колебаний, рад;

(ωt + φ) – фаза колебания.

Амплитуда – это максимальное отклонение колеблющегося параметра от среднего значения.

(ωt + φ) определяет состояние колебательного процесса в момент времени t.

φ характеризует состояние колеблющейся системы в момент времени t = 0.

Период колебаний Т – это промежуток времени, через который колеблющаяся система возвращается к исходному состоянию.

Частота f – число колебаний в 1 с.

. (1.2)

Угловая частота ω – число колебаний за 2π с. (одно полное колебание синусоида совершает за 2π с).

ωt = 2π, ω = 2π/t = 2π · f. (1.3)

Кинематические характеристики колебательных процессов:

- амплитуда смещения (несколько десятков микрон), являющаяся единицей измерения вибраций в смещении, мкм;

- виброскорость, мм/с;

- ускорение в метрах в секунду за секунду, м/с².

Обычно пользуются несколькими представлениями единиц измерений (размах колебаний 2А (мкм или мм), энергия (мм/с), сила (м/с²).

Основными измеряемыми параметрами вибрационных процессов являются виброперемещения, виброскорость, виброускорение, размах колебаний, звуковое давление, ударный спектр, длительность удара и др.

Вибрационное диагностирование объектов проводится в три этапа:

– первичное описание вибрационного состояния объекта;

– выделение признаков;

– принятие решения.

Для измерения информационных вибросигналов с меньшим уровнем помех применяются индукционные, индуктивные, пьезоэлектрические вибропреобразователи (ВИП), которые могут использоваться для диагностики вагонов, как в эксплуатации, так и на стадии ремонта в депо и на заводах. Наиболее широко используются пьезоэлектрические ВИП, которые по своим техническим характеристикам превосходят другие типы ВИП, так как они имеют достаточно высокий коэффициент преобразования, широкий частотный и динамический диапазон измерений, достаточно простую и надёжную конструкцию, небольшие размеры и массу [4, 5, 6, 7, 8].

Известны две основные конструктивные разновидности пьезоэлектрических ВИП: с предварительным поджатием и клееные.

На рис. 1.1 представлена первая разновидность пьезоэлектрических преобразователей с предварительным поджатием. В этой конструкции М₁ – масса инерционного тела, М₂ – масса детали, через которую передаётся усилие поджатия. Модель содержит три упругих элемента: пьезоэлемент С₂, пружину С₃ и деталь, передающую усилие поджатия С₁. Деформация упругого элемента С₂, преобразованная в электрический заряд при заданном ускорении, зависит не только от массы М₁, но также от массы М₂ и соотношения жёсткостей.

Преобразователи абсолютной вибрации в электрический сигнал делят на два класса:

– генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в электрическую;

– параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических полей (индуктивности, ёмкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т.д).

Простейший преобразователь (пьезоакселерометр) приведен на рис. 1.2. Пьезоэлемент 2 прикрепляют к воспринимающему внешние колебания объекту контроля 6. На поверхность пьезопластины наносят электрод. Сверху на пьезопластине располагают инерционную массу 3, на которой размещается пружина 4.

Собственная частота сейсмической системы такого преобразователя

, (1.4)

где С₁ – коэффициент упругости пьезоэлемента в направлении приложения силы инерции груза массой m.

В частотном диапазоне f_i << f₀ на выходе преобразователя образуется заряд q (t), пропорциональный воспринимаемому виброускорению a(t)

, (1.5)

где d₁₁ и k – соответственно пьезомодуль и коэффициент преобразования.

Для преобразования заряда q(t) в электрическое напряжение или ток применяют усилители напряжения или заряда.

Пьезоэлектрические преобразователи для измерения вибрации и ускорений имеют чувствительность 10–15 мВ/g, диапазон измерения ускорений 1000–20000 g и вибраций частотой от 2 Гц до 10 МГц.

1.1.1. Диагностирование роликовых подшипников

На вагоноремонтных предприятиях в настоящее время эксплуатируется широкий спектр диагностического оборудования для оценки технического состояния буксовых узлов грузовых и пассажирских вагонов: ОМСД-02 (изготовитель ООО «ДиаТех», г. Нижний Новгород), УДП-85 (изготовитель ООО «ИнфотексАТ», г. Екатеринбург), УДП-2001 (изготовитель ООО «Промышленная экология и безопасность», г. Воронеж), МПП-93 (фирма «ПриборЖТ», г. Владимир), СКБУ-01(изготовитель ООО «НПФ» Технологическая аппаратура», г. Санкт-Петербург), АЛ-2-3 (разработчик ООО «ЭП», г. Озерск), Прогноз-1М ( ОАО «НИИТКД», г. Омск).

Наибольшее распространение (≈50 %) получила система ОМСД-02. Во всех установках (за исключением СКБУ-01 и «Прогноз 1-М») в качестве устройства для раскручивания колесной пары используется стенд УДП-85 производства Екатеринбургского завода ОАО «ВНИИЖТ».

Все установки используются при входном и выходном контроле.

При поступлении вагонов в ремонт все колесные пары подвергаются визуально-измерительному контролю, по результатам которого направляются на полное освидетельствование в случаях:

- неясности клейм и знаков последнего полного освидетельствования на торце шейки оси;

- после выполнения допускаемых вырубок волосовин и других пороков в пределах установленных норм;

- после крушений и аварий поездов;

- через одну обточку по предельному прокату и другим неисправностям ободьев цельнокатаных колес;

- после схода тележек вагонов с рельсов;

- при наличии на поверхности катания ползуна глубиной более 1 мм, навара и неравномерного проката более 2 мм у пассажирских вагонов и ползуна более 3 мм у грузовых.

Если по результатам визуально-измерительного контроля нет причин направить колесную пару на полное освидетельствование, то их направляют на обязательную вибродиагностику:

- «годные» по ее результатам колесные пары проходят обыкновенное освидетельствование и промежуточную ревизию букс;

- «негодные» направляются на полное освидетельствование и полную ревизую букс.

Выходной виброакустический контроль проводится после полного освидетельствования, нового формирования колесных пар, а также после обыкновенного освидетельствования и промежуточной ревизии букс.

Большинство отказов эксплуатируемых машин связано с дефектами их подшипников. В подшипниках качения с учетом возможностей их вибрационной диагностики дефекты целесообразно разделить на группы.

1. Износ поверхностей качения (наружных и внутренних колец, роликов, шариков).

2. Износ поверхностей скольжения (сепаратора, колец).

3. Раковины, сколы, трещины на поверхностях качения.

4. Дефекты сборки, увеличивающие нагрузку на поверхности качения (увеличенный радиальный и осевой зазор, перекос колец или сепаратора).

5. Проскальзывание колец.

6. Ухудшение свойств смазки.

Практически все из указанных групп дефектов обнаруживаются на начальной стадии развития по следующим основным диагностическим признакам:

– изменению свойств сил трения и возбуждаемой ими высокочастотной случайной вибрации в виде роста уровня вибрации и (или) появления ее амплитудной модуляции;

– появлению ударных импульсов при контакте дефектных участков поверхностей качения и возбуждаемой ими высокочастотной вибрации ударного вида;

– росту колебаний вала (ротора) в подшипниках на частотах, определяемых параметрами подшипника.

Изменение сил трения является основным признаком для обнаружения зарождающихся дефектов первой, второй и четвертой из указанных групп. Появление ударных импульсов является основным признаком для обнаружения зарождающихся дефектов третьей и шестой групп. Рост колебаний ротора на подшипниковых частотах, особенно в области низких и средних частот, является признаком наличия развитых дефектов не только из указанных групп, но и дефектов изготовления как собственно подшипников, так и других узлов машины. Отдельно следует рассматривать дефекты пятой группы, а именно проскальзывание колец, так как этот вид дефекта проявляет себя не постоянно, а только в момент проскальзывания, поэтому может быть надежно обнаружен только при непрерывном контроле вибрации подшипника.

В процессе эксплуатации вагонов наиболее интенсивно изнашиваются и повреждаются подшипники буксовых узлов и колеса. Дефекты и неисправности тележек ускоряют процессы изнашивания и повреждения подшипников. С ними связаны также геометрия и профиль колес с подрезом гребня, усталостные дефекты на поверхности катания.

Дефекты подшипников, как правило, завершаются отказами и перегревом, приводящими часто к сходу с рельсов подвижного состава. Отцепки вагонов по неисправностям буксовых узлов составляют более 60 % от общего числа браков. Причем основное количество отказов буксовых узлов происходит под гружеными вагонами.

Поэтому при плановых ремонтах вагонов особое внимание уделяется техническому состоянию подшипников и буксового узла в целом после их ремонта. Одним из используемых технических средств для диагностирования подшипников является микропроцессорный пульт для анализа акустических шумов МПП-93.

Микропроцессорный пульт (в дальнейшем «пульт МПП-93») используется в комплекте с установками УДП-85/90 и УДП-2001 ОАО «ВНИИЖТ» (рис. 1.3) и предназначен для выявления неисправностей роликовых подшипников без демонтажа буксовых узлов при промежуточной ревизии в соответствии с Инструктивными указаниями 3-ЦВРК. Пульт МПП-93 повышает достоверность и информативность диагностирования. Он устойчиво работает при температуре от плюс 10 до плюс 35 ºС, влажности до 80 % при температуре 20 ºС и не требует специальной защиты от магнитных и электрических полей в условиях колесных цехов (участков).

Технические данные пульта МПП-93:

Пульт МПП-93 имеет следующую структуру:

– собственно пульт МПП-93;

– съемный монитор;

– зажим с пьезоакселерометром.

Принцип действия пульта МПП-93 основан на измерении, обработке и анализе акустических сигналов, возникающих при диагностировании нагруженных буксовых узлов с роликовыми подшипниками. Неисправности на рабочих поверхностях деталей нагруженного подшипника возбуждают упругие механические колебания буксового узла, параметры которых, содержащие информацию о техническом состоянии подшипника, измеряются с помощью пьезоакселерометра, преобразующего энергию колебаний в электрические сигналы, пропорциональные ускорениям.

Полученные значения сигналов поступают в аналого-цифровой преобразователь /АЦП/ и в виде числового двоичного кода заносятся в память процессора, где обрабатываются по алгоритму, построенному с учетом теории математической статистики.

Параметры сигналов, поступающих в процессор от пьезоакселерометра, установленного на диагностируемый буксовый узел, выводятся на экран монитора и сравниваются с параметрами сигналов образцовой буксы, хранящимися в памяти процессора.

Если амплитуда ускорений диагностируемого буксового узла превышает допустимое (пороговое) значение амплитуд ускорений образцовой буксы (рис. 1.4, б), то на экране монитора индицируются данные о необходимости полной ревизии буксы: «Выявлен брак. Букса подлежит ремонту». Если амплитуда ускорений буксового узла не превышает порогового значения, то на экране монитора индицируется «Годен» (рис. 1.4, а).

В процессе диагностирования подшипники должны быть нагружены, а колесная пара – вращаться по инерции с определенной скоростью. Время диагностирования составляет две секунды после отключения электродвигателей, разгоняющих колесную пару (в УДП-85/90 время диагностирования составляет 100 оборотов сепаратора, что при скорости вращения колёсной пары около 25 об/мин равно примерно 4 минутам). Пульт МПП-93 может применяться для колесных пар с любым типом букс. Зажим пьезоакселерометра устанавливается на нижнюю головку болта М24 крепительной крышки, предварительно очищенную от масла и грязи стальной щеткой и ветошью.

В настоящее время на вагоноремонтных предприятиях для оценки технического состояния подшипников чаще всего используются комплексы вибродиагностики.

В состав комплексов вибродиагностики входят следующие технические средства:

– системы вибродиагностики ОМСД-02, ОМСД-03;

– система вибродиагностики подшипников качения в составе стендов СВП-01, СВП-01В, СВП-01ПМ и размещенного в них программно-аппаратного модуля;

– система для вибродиагностики буксовых узлов колесных пар грузовых вагонов в составе стендов СВП-01ПМ, УДП-2001 и программно-аппаратного модуля в шкафу управления;

– программное обеспечение «Вариант 2» и «ПКДМ».

Системы вибродиагностики предназначены для виброускорений при диагностике узлов и деталей подвижного состава во время ремонта.

Стенды предназначены для диагностики подшипников качения и буксовых узлов колесных пар после их монтажа.

Пакеты программ «Вариант 2» предназначены для регистрации, обработки, хранения и анализа вибрационных сигналов с целью выявления дефектов и неисправностей деталей и узлов подвижного состава во время плановых ремонтов на предприятиях железнодорожного транспорта.

В программное обеспечение входят модули:

– Client EDDC.exe – программа для регистрации, обработки, анализа и хранения вибросигналов, формирования отчётов о техническом состоянии объектов диагностики;

– Synce.exe – программа синхронизации данных локального рабочего места и сервера диагностического центра;

– EDDCreg.exe – программа настройки подключений к базам данных.

На стенде СВП-01 диагностируются подшипники типа 30-32726Е1М, 30-2726Л1М, 30-42726Л, 30-42726Е1М, 30-232726Л1М с внутренним диаметром 130 мм, наружным – 250 мм и диаметром роликов 32 мм.

Стенд СВП-1В (далее «Стенд») предназначен для диагностики технического состояния подшипников в роликовых отделениях вагоноремонтных предприятий при температуре окружающего воздуха от плюс 10 ºС до плюс 35 ºС, относительной влажности воздуха до 80 % при температуре 25 ºС и атмосферном давлении от 630 до 800 мм рт. ст.

Технические характеристики стенда:

Устройство и работа СВП-1В

Стенд (рис. 1.5) состоит из следующих деталей и узлов:

– стол специальный 1 с двигателем 12 и защитным кожухом 13;

– плита 22;

– шпиндель 9 с защитным кожухом 8;

– панель пневматики 18;

– узел нагружения 3.

Стол 1 представляет собой сварной каркас из стального профиля квадратного и прямоугольного сечения, облицованный панелями, на верхней плоскости которого установлена плита 22, где крепятся корпус 10 со шпинделем 9 и запрессованной на нём оправкой 7 и двигатель 12 на виброопорах 15. Под оправкой снизу плиты установлен узел нагружения 3. На лицевой стороне стола крепятся панель пневматики 18 и пускатель 17. Под ними, на каркасе, установлен воздушный фильтр 2. В конструкции стола предусмотрены две сдвижные боковые стенки 16 и полки для размещения комплекта измерительной аппаратуры.

На конус шпинделя 9 запрессована оправка 7. Вал шпинделя вращается в подшипниках скольжения 24, выполненных из бронзы БрАЖ-9-4, в шпиндель залито масло «Индустриальное-20».

Двигатель 12 установлен на виброопорах и соединен со шпинделем через упругую муфту 11, что позволяет исключить влияние вибрации двигателя на результаты измерений. Несоосность валов шпинделя и двигателя не должна превышать 0,2мм. Она регулируется за счет сжатия амортизаторов 15 гайками 14 в вертикальной плоскости и перемещения корпуса 10 шпинделя в горизонтальной плоскости.

Узел нагружения 3 служит для создания радиальной нагрузки на испытуемый подшипник в процессе измерения вибрации. Нагружение производят два зажимных цилиндра 4, воздух в которые поступает от распределителя 19 панели пневматики 18.

Панель пневматики включает в себя регулятор давления 21, распределитель с рукояткой 19 и манометр 20. Сжатый воздух подается от фильтра 2 на регулятор давления 21, на котором устанавливается выходное давление 3...5 атм., и далее поступает в распределитель 19 и манометр 20.

Снятие шумовых характеристик производится с помощью виброакустического датчика, устанавливаемого на верхней плите узла нагружения 3.

Стенд работает следующим образом:

– испытуемый подшипник 23 устанавливается на оправку 7, закрепленную на валу шпинделя 9 и фиксируется посредством крышки 6 и болтом 5;

– поворотом рукоятки распределителя 19 сжатый воздух подается в зажимные цилиндры 4 и производится нагружение подшипника 23 до требуемой величины ~ 80...200 кгс, контролируемой манометром 20;

– нажатием кнопки «Вперед» («Назад») на пускателе 17 включается вращение шпинделя 9, и с виброакустического датчика производится запись уровней вибрации на компьютер.

Диагностирование позволяет выявлять следующие дефекты подшипников:

– повреждения сепаратора;

– дефекты тел качения;

– износ тел качения;

– коррозия, шелушение поверхностей качения;

– дефекты наружного и внутреннего кольца;

– износ внутреннего кольца.

Техническое состояние подшипника определяется при частоте вращения вала стенда 750±10 об/мин. в четырех положениях подшипника (при поворотах подшипника на 90º), при вращении в противоположных направлениях.

B случае, если хотя бы в одном из четырех замеров амплитуды ускорений по одному подшипнику Система показала дефект типа «Дефект наружного кольца», то необходимо повторить все пункты технологии для данного подшипника. Если хотя бы в одном из замеров подтвердится диагноз, связанный с дефектом наружного кольца, считать этот подшипник дефектным.

Результаты контроля дефектного подшипника заносятся в поле «Результаты выкатки» с соответствующей записью.

Диагностирование подшипников буксовых узлов после их монтажа проводится на стенде СВП-01, СВП-01ПМ или УДП-2001.

Диагностирование позволяет выявить следующие дефекты:

– повышенные биения колесной пары (дисбаланс колесной пары);

– повреждения сепаратора;

– дефекты тел качения;

– износ тел качения;

– коррозия, шелушение поверхностей качения;

– дефекты наружного кольца;

– дефекты внутреннего кольца;

– износ внутреннего кольца;

– недостаток смазки или плохое ее качество.

Перед диагностикой подшипников буксовых узлов должна быть проведена проверка правильности монтажа букс согласно п.п. 5.3.4.1 и 5.3.4.2.

Стенд вибродиагностики СВ-01 ПМ (рис. 1.6) предназначен совместно с системой диагностики механизмов ОМСД-03 для определения технического состояния и выявления неисправностей буксовых узлов колесных пар грузовых вагонов в условиях депо, при температуре окружающего воздуха (20±10) °C, относительной влажности воздуха от 30 до 80 %, и атмосферном давлении от 84 до 106,7 кПа.

Технические характеристики стенда:

Стенд состоит из двух стоек 1 и 2, связанных внизу рамой 3, подвижной (верхней) рамы 4, на которую устанавливается контролируемая колесная пара. Подвижная рама 4 перемещается на роликах 5, которые движутся по направляющим 6, пневмоцилиндра подъема 7, закрепленного на раме. Для ограничения высоты подъема рамы с колесной парой на стойках смонтированы упоры 8. На стойках имеются отверстия для установки упоров, позволяющих стопорить подвижную раму в верхнем положении. На стойках, через амортизаторы 11, установлены опорные площадки 12, на которые устанавливается колесная пара своими буксами. Снизу опорных площадок крепятся датчики измерения вибрации 13. Прижатие роликов 14 к колесной паре и ее разгон осуществляется электродвигателями 15. Для измерения частоты вращения колесной пары на одной из стоек монтируется бесконтактный оптический датчик 17. Подключение электродвигателей осуществляется через тепловые реле, расположенные в распределительной коробке 18. Торможение колесной пары осуществляется двумя тормозными колодками 19, подводимыми к колесной паре пневмоцилиндпами 20.

Пневмооборудование установлено в стойке 1 и включает в себя входной штутцер 9, фильтр 10 и блок клапанов 11, (на рисунке не показаны),

Шкаф управления 21 служит для размещения: панели управления, приборной части системы вибродиагностики ОМСД-03, преобразователя частоты, дросселя и других элементов управления стендом.

Принцип работы стенда заключается в установке колесной пары на подвижную раму накатом вручную и опусканию колесной пары опорными плоскостями букс на опорные площадки стоек стенда.

Далее колесную пару разгоняют механизмами разгона до частоты вращения 320 об/мин (частота вращения считывается оптическим бесконтактным датчиком), после чего механизмы разгона отводятся и тормозятся. Производится снятие вибрационных характеристик с помощью датчиков измерения вибрации, расположенных снизу опорных площадок, значения которых отображаются на пульте шкафа управления. По полученным значениям делаются выводы о состоянии подшипников буксовых узлов. Торможение колесной пары осуществляется тормозными колодками механизмов торможения.

Буксовый узел считается забракованным, если из трех измерений два из них покажут на какой-либо дефект. В случае обнаружения дефекта следует снять колесную пару со стенда, произвести демонтаж буксы и произвести осмотр подшипников согласно п.п. 5.1 и 5.2.2.1. Занести результаты контроля в поле «Результаты выкатки» с соответствующей записью. Распечатать результаты диагностирования.

1.1.2. Диагностирование редукторов приводов вагонных

генераторов от средней части оси колесной пары

Диагностирование редукторов осуществляется на катковой станции испытания редукторов (КСИ-Р), разработанной ООО «Дизель-тест-комплект» [7]. Объектами диагностирования в автоматическом и ручном режимах являются редукторы:

– ЕЮК-160-1М;

– ВБА-32/2;

– ДМИ-44;

– МАБ-II.

Диагностирование редукторов в сборе с колесной парой проводится в соответствии с требованиями руководства по ремонту редукторно-карданных приводов вагонных генераторов пассажирских вагонов Л2.003/12-4694 РВ, включая редукторы, установленные на колесные пары с тормозными дисками.

Станция обеспечивает:

– установку колесной пары с редуктором на станине и креплением по штатным местам буксовых узлов;

– фрикционную подачу крутящего момента на колеса колесной пары от двух катков с полиуретановым покрытием;

– плавное управление разгоном и торможением при вращении в обе стороны в диапазоне эквивалентных скоростей движения вагона от 0 до 160 км/ч (скорость вращения оси от 0 до 900 об./мин);

– управление процессами разгона и торможения, а также обеспечение возможности аварийного останова испытаний с пульта управления;

– поддержание требуемой частоты вращения колесной пары с точностью ±10 об/мин;

– электрическую нагрузку на нагрузочном генераторе 32 кВт ±10 % (механическая мощность на редукторе 40 кВт ±10 %);

– контроль температуры корпуса и подшипников редуктора во время обкатки;

– отображение в удобном для оператора виде основных режимов работы стенда, информации об измеряемых физических величинах и параметрах на индикаторах шкафа управления, а также на средствах отображения информационно-измерительного комплекса;

– регистрацию измеряемых параметров в моменты времени, определяемые методикой испытаний;

– ввод снятых данных в информационно-измерительный комплекс и протоколирование.

Программное обеспечение и аппаратные средства станции обеспечивают возможность перепрограммирования предельных установок, временных и скоростных параметров в алгоритмах испытаний.

Контролируемые параметры:

– температура нагрева поддона корпуса редуктора и подшипниковых узлов, предел допускаемой основной погрешности ±1,0 ºС;

– температура окружающего воздуха, предел допускаемой основной погрешности ±1,0 ºС;

– частота вращения колесной пары, предел допускаемой основной погрешности ±10 об/мин;

– напряжение нагрузочного генератора (после выпрямителя), предел допускаемой основной приведенной погрешности 1,5 %;

– ток нагрузочного генератора (после выпрямителя), предел допускаемой основной погрешности 1,5 %;

– мощность, рассеиваемая нагрузкой;

– продолжительность испытаний.

Состав управляющих команд:

– включение привода колесной пары;

– выключение привода колесной пары;

– управление разгоном, торможением и изменением направления вращения приводного двигателя;

– ступенчатое изменение мощности нагрузки;

– аварийный останов испытаний;

– команда на регистрацию контролируемых параметров;

– команда на распечатку протокола испытаний;

– команды переключения режимов работы.

Система аварийной защиты станции обеспечивает сброс нагрузки и остановку привода колесной пары, вывод сообщения на монитор о предполагаемой причине аварийного останова при:

– превышении напряжения нагрузочного генератора значения U_max;

– превышении тока нагрузочного генератора значения I_мах;

– превышении скорости вращения вала приводного двигателя значения N_max;

– превышении температуры нагрева корпуса редуктора и в любой из контролируемых точек значения Т_max.

Предельные значения параметров выставляются при настройке станции.

Система отображения информации станции обеспечивает индикацию на мнемосхеме, выводимой на экран монитора всех контролируемых параметров. Индикация напряжения и тока нагрузочного генератора после выпрямителя дублируется на цифровых щитовых приборах, размещенных на генераторном шкафу. На пульте оператора также отображаются состояние силовых коммутационных элементов, выводится световая аварийная сигнализация.

В состав станции входят следующие устройства:

– пульт оператора – информационно-измерительный комплекс, включающий: ЭВМ, печатающее устройство, устройство отображения информации, стендовую аппаратуру измерения, контроля и управления;

– шкаф управления приводом и нагрузкой ШпиН;

– шкаф нагрузки ШН;

– карданный вал для генератора;

– датчик температурный;

– катковое устройство в сборе;

– узел крепления колесной пары с редуктором (ставлюга);

– станины под оборудование стенда;

– пружины подпорные;

– гаситель колебаний вагонный;

– программное обеспечение;

– генератор синхронный типа ЭГВ 08.У1;

– муфта для генератора;

– кабельное хозяйство.

Устройство и работа станции

Станция включает в себя следующие основные структурные элементы:

– механические конструктивы, обеспечивающие крепление приводного двигателя и испытываемых редукторов и передачу вращающего момента на колесную ось, вал нагрузочного генератора;

– схему ввода силового трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц и управления приводным двигателем;

– систему регулирования напряжения и защиты нагрузочного генератора;

– нагрузку;

– стендовую аппаратуру измерения, контроля и управления;

– кабельное хозяйство;

– программное обеспечение.

В автоматическом режиме формирование управляющих команд, измерение параметров и отображение информации выполняется в реальном времени под управлением программного обеспечения станции.

В ручном режиме управление испытаниями ведется с помощью органов управления, расположенных на пульте оператора и на мнемосхеме.

Механическая часть станции включает в себя станину под приводной двигатель, станину под нагрузочный генератор, ставлюги под испытываемый редуктор в количестве 2 шт, узел крепления мертвой точки редуктора. На станинах размещены элементы крепления, два электродвигателя мощностью по 22 кВт каждый с номинальной частотой 3000 об/мин со встроенными вентиляторами, карданный вал.

Система ввода силового трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц и управления приводом включает в себя:

– ручной силовой трехфазный выключатель, предназначенный для подключения привода к сети;

– автоматические выключатели для защиты цепей питания инверторов, аппаратуры питания станции, вентиляторов шкафа нагрузки, пускатель;

– реле;

– два инвертора;

– кнопки сброса инверторов в начальное состояние;

– светодиоды отображения состояния инвертора и двигателя;

– блок питания ±24 В; преобразователь интерфейса RS485/Ethernet NP 5150 (M5).

Схема управления двигателем работает в режиме программного управления.

Запуск системы управления двигателем и его выключение производится командой, поступающей с пульта оператора. Управление двигателем и анализ состояния инвертора и двигателя производится по последовательному каналу передачи данных типа RS485/ Ethernet через преобразователь М5.

Независимо от используемого режима управления при срабатывания тепловой защиты пускателя происходит его обесточивание. Информация об изменении состояния пускателя передается через блок-контакты на пульт оператора. При необходимости аварийного останова нажимается соответствующая кнопка на пульте оператора, и за счет этого происходит обесточивание реле, что вызывает выключение пускателя.

Схема электрическая общая системы регулирования напряжения и защиты нагрузочного генератора содержит: силовой выпрямитель, схему управления цепью возбуждения генератора (регулятор мощности, цифровые указатели тока генератора и тока возбуждения, стрелочные индикаторы величины напряжения и тока возбуждения, используемые при наладке), предохранители, преобразователи интерфейса RS485/Ethernet NP 5150, модуль дискретного ввода/вывода и коммутационный).

Схема управления цепью возбуждения предназначена для размыкания цепи возбуждения генератора при несанкционированном увеличении напряжения генератора выше предельно допустимого значения и регулирования тока возбуждения в зависимости от требуемой мощности нагрузки при текущем значении частоты вращения генератора.

При увеличении напряжения генератора (после выпрямителя) выше установленного значения срабатывает реле максимального напряжения РСН50 6/250, и разрывается цепь возбуждения генератора. При этом напряжение генератора будет уменьшаться. При снижении напряжения ниже порога срабатывания реле максимального напряжения цепь возбуждения замыкаться не будет. Для приведения схемы в исходное состояние предусмотрена кнопка «Сброс».

Величина тока возбуждения задается блоком регулирования мощности в пределах от 0 до 4 А с интервалом 0,064 А в зависимости от требуемой мощности нагрузки на генератор и текущего значения частоты вращения генератора. Сопротивление нагрузки генератора при этом остается постоянным, а мощность при установившейся частоте вращения поддерживается регулированием напряжения генератора через изменение тока возбуждения.

Напряжение и ток генератора (после выпрямителя) измеряются приборами. Измеренные значения тока и напряжения через модули в цифровой форме передаются в ЭВМ и отображаются на мнемосхеме пульта оператора.

В качестве нагрузки генератора используется четыре последовательно включенных блока балластных резисторов РБ-306 У2. Требуемое сопротивление нагрузки набирается путем включения нужного количества ступеней РБ-306. При этом максимальный ток не должен быть выше 300 А, а ток через отдельные резистивные элементы не должен превышать максимальных паспортных значений.

Нагрузочные элементы размещены в шкафу. В нижней части шкафа расположены четыре вентилятора для охлаждения резисторов.

Стендовая аппаратура измерения, контроля и управления включает в себя: пульт оператора (ПО), датчики температуры и принтер.

ПО предназначен для размещения управляюще-вычислительного комплекса (УВК), органов управления станцией и отображения информации о текущем состоянии элементов станции. На ПО размещены:

– кнопка включения питания;

– кнопка аварийного останова.

УВК является одним из основных элементов станции. Он обеспечивает формирование всех управляющих команд независимо от режима управления, анализ состояния нагрузочного генератора и аппаратуры станции, измерение и регистрацию параметров, отображение информации обо всех измеренных параметрах и состояниях, определение и обработку аварийных ситуаций, настройку станции на проведение испытаний.

УВК состоит из системных плат ЭВМ, дискового накопителя, электронных модулей цифрового ввода/вывода, модулей гальванической развязки, аналогичных элементам персонального компьютера.

Датчики температуры выполнены на основе пирометрических термометров «Кельвин ИКС», помещенных в алюминиевые корпуса с напрессованными постоянными магнитами. Корпуса термометров не имеют гальванической связи с корпусами датчиков и магнитами. Термометры данного типа имеют цифровой выход с интерфейса RS-232. Передача данных в УВК станции осуществляется через четырехпортовый преобразователь RS482×4/Ethernet. Измеренные значения температуры отображаются в цифровом виде на мнемосхеме пульта оператора. На мнемосхеме в цифровом виде отображается также значение мощности, отдаваемой генератором в нагрузку (по результатам прямых измерений напряжения и тока генератора).

Программное обеспечение предназначено для контроля параметров испытываемых редукторов, контроля электрических параметров нагрузочного генератора, управления частотой вращения двигателя, управления мощностью нагрузки, ведения протокола испытаний.

Программа управления станцией для испытания редукторов начинает работать сразу по включении компьютера без дополнительных команд и операций.

При включении компьютера после загрузки операционной системы и программы управления станцией на экране компьютера появляется главное окно программы.

Кнопки, расположенные в окне, позволяют пользователю:

– перейти к проведению испытаний;

– перейти к архиву проведенных ранее испытаний;

– перейти к просмотру документации.

При нажатии на кнопку «Испытание» открывается окно, в котором предлагается ввести номер и тип редуктора.

После ввода типа и номера редуктора на экране появляется окно, в котором необходимо ввести фамилию, имя и отчество оператора.

После ввода типа и номера редуктора, номера вагона, имени исполнителя и нажатия на кнопку «Ввод» на экране появляется мнемосхема (рис. 1.7), на которой отображаются основные элементы станции и их параметры.

В правой верхней части экрана размещается графа текущей даты и времени, имени исполнителя. Ниже в текстовой рамке индицируется режим работы станции (РУЧНОЙ, АВТОМАТИЧЕСКИЙ).

Далее, в рамке отображается продолжительность текущего испытания с точностью до секунды. Ниже – индикатор аварии, который подсвечивается красным цветом при возникновении аварийной ситуации. Причина возникновения аварийной ситуации фиксируется в виде текстового комментария. В самой нижней графе таблицы указан номер и тип редуктора. Измеренные и рассчитанные значения контролируемых параметров (U_r, I_r, P_механ, Р_электр, t₁, t₂, t₃) отображаются в соответствующих местах мнемосхемы.

В левой верхней части экрана символически изображен силовой шкаф, двигатель и контактор включения двигателя. Ниже – шкала, отображающая частоту вращения двигателя.

В верхней части мнемосхемы между генератором и двигателем отображается направление вращения якоря.

Если двигатель остановлен, то отображается красная пиктограмма (картинка) с надписью STOP.

Если двигатель вращается, то отображается зеленая пиктограмма в виде направленной стрелки, по часовому, либо обратного часовому направлению.

Включение/выключение нагрузки генератора в ручном режиме производится с помощью кнопок на мнемосхеме.

В автоматических режимах нагрузкой управляет программа согласно заданному алгоритму.

1.2. Диагностирование нагрева букс пассажирских

Вагонов

Система контроля нагрева букс (СКНБ) пассажирских вагонов постройки ТВЗ и Германии предназначена для выдачи светового и звукового сигналов при превышении температуры хотя бы одного из буксовых узлов установленного порогового значения.

По типу применяемых термодатчиков СКНБ подразделяются на две группы:

– с термодатчиками на основе легкоплавкого сплава;

– с термодатчиками на основе полупроводниковых терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (позисторами).

Технические характеристики СКНБ указаны в табл. 1.1.

Таблица 1.1