Куликов Андрей Борисович. Вибродиагностика подшипников грузовых вагонов

Короткий опис

Куликов Андрей Борисович. Вибродиагностика подшипников грузовых вагонов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.22.07.- Москва, 2001.- 125 с.: ил. РГБ ОД, 61 02-5/115-9

Московский государственный университет путей сообщения (МНИТ)
На правах рукописи
УДК 629.46:621.822:534.647
Куликов Андрей Борисович
ВИБРОДИАГНОСТИКА ПОДШИПНИКОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и
электрификация
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель- доктор технических наук, профессор В.Д.Хусидов
Москва - 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ.... 4
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ВИБРОДИАГНОСТИКЕ ПОДШИПНИКОВ
ВАГОННЫХ БУКС 8
1.1. Выводы по главе 1 14
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИБРАЦИЙ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ И
БУКСОВОГО УЗЛА ПРИ НАЛИЧИИ ДЕФЕКТОВ . 16
2.1. Исходные дифференциальные уравнения задачи 16
2.2. Дискретизация расчетной схемы колебаний колесной пары на стенде.
Преобразование дифференциальных уравнений в частных производных в обыкновенные дифференциальные уравнения 20
2.3. Векторно-матричный вид дифференциальных уравнений математической
модели «стенд-колесная пара» 28
2.4. Расчетные методы, используемые при компьютерном моделировании
динамики стенда .' 31
2.4.1. Метод численного интегрирования дифференциальных уравнений 32
2.4.2. Вычисление собственных значений системы 35
2.5. Возмущения динамической модели, определяемые дефектами
подшипников -. 37
2.6. Выводы по главе 2.. ...... 39
3. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НА ПВМ ....41
3.1. Краткое описание программы для ПВМ 41
3.2. Собственные числа и вектора 42
3.3. Функционирование программы интегрирования 61
3.4. Выводы по главе 3 65
4. КОМПЬЮТЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ
ПОДШИПНИКОВ 66
4.1. Цели теоретических исследований вибраций корпусов букс при наличии
дефектов подшипников 66
4.2. Возмущения, принятые в математической модели 67
4.3. Определение жесткости в контакте роликов и колец подшипников 74
4.4. Результаты компьютерных расчетов виброускорений корпусов букс на
стенде при наличии дефектов подшипников и сопоставление расчетных и экспериментальных данных 78
4.4.1. Данные тарировки пьезоакселерометров 80
4.4.2. Экспериментальное определение виброускорений корпусов букс при
заданных повреждениях подшипников и их сопоставление с теоретическими расчетами на модели 83
з
4.5. Определение пороговых характеристик микропроцессорной системы и
системы компьютерной обработки сигналов с пьезоакселерометров 88
4.6. Микропроцессорная система диагностики неисправностей подшипников 91
4.7. Выводы по главе 4 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...99
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 104
Стенд диагностики неисправностей подшипников 104
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 107
Элементы матрицы жесткости [С] ..107
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 , 118
Дефекты подшипников 118
ВВЕДЕНИЕ
Надежная работа подшипников вагонных букс во многом определяет безопасность движения на железнодорожном транспорте.
Диагностика неисправностей подшипников является составной частью технологического процесса содержания колесных пар.
При промежуточных ревизиях колесных пар демонтируют смотровые крышки буксовых узлов и в результате визуального осмотра отбраковывают неисправные или поврежденные подшипники.
Субъективные методы анализа неисправностей, основанные на визуальном осмотре, могут приводить к ошибкам диагноза.
В настоящее время во многих областях техники применяют компьютерные методы диагностирования неисправностей.
В механических системах неисправности проявляются как правило в виде дополнительных динамических составляющих на фоне рабочего вибрационного процесса.
Компьютерные системы анализа и диагностики анализируют сигналы, поступающие с датчиков перемещений, скоростей, ускорений, частот и т.п., которые установлены на работающем механизме.
В результате анализа этих сигналов дается заключение об исправности или неисправности проверяемого механизма или его узла.
Разработке компьютерных анализирующих систем предшествует физическое или математическое моделирование неисправностей.
Обычно это необходимо для того, чтобы определить частотный и амплитудный диапазоны измеряемых и обрабатываемых в компьютере
сигналов.
Главная же задача моделирования - это определение пороговых значений сигналов, которые фиксируют неисправности.
Если удается создать достоверную математическую модель диагностируемого объекта, то задача разработки компьютерной анализирующей системы становится практически разрешимой.
Возвращаясь к диагностированию неисправностей подшипников вагонных букс, необходимо отметить, что разработка компьютерных комплексов, определяющих фактическое состояние буксовых узлов, представляет актуальную для железнодорожного транспорта проблему, решение которой существенно повысит безопасность движения поездов.
Решение этой проблемы состоит из нескольких этапов, это:
- разработка математической модели вибраций колесной пары и буксового узла при наличии неисправностей в подшипниках;
- частотный и амплитудный анализ выходных вибрационных процессов;
- определение пороговых значений выходных процессов, при которых фиксируются неисправности;
- разработка компьютерной диагностической системы;
- экспериментальная проверка математической модели и программного комплекса диагностики.
Библиографический поиск, проведенный автором диссертации, показал, что среди работ отечественных и зарубежных ученых в настоящее время нет математической модели вибродиагностического стенда, которая описывала бы упругие колебания системы «колесная пара - подшипники - корпуса букс - основание стенда».
В результате сказанного, автор поставил и решил на разных уровнях проработки все перечисленные составляющие проблемы вибродиагностики подшипников буксовых узлов. В соответствии с этим в диссертации предложена континуально-дискретная схема колесной пары на стенде.
В этой схеме ось колесной пары представлена сплошным упругим телом (круглым стержнем, который совершает изгибные колебания), колеса и корпуса букс представлены дискретными массами, которые упруго или жестко соединены с осью. Корпуса букс через упругие элементы опираются на неподвижное основание.
Автор полагает, что указанная расчетная схема колесной пары на стенде предложена им впервые.
Колебания такой расчетной схемы в продольной вертикальной плоскости симметрии описывается дифференциальным уравнением в частных производных и двумя обыкновенными дифференциальными уравнениями.
Эти дифференциальные уравнения представляют математическую модель вибраций колесной пары на стенде.
В исходном виде математическая модель представляет собой нестационарную граничную задачу, так как массы колес, закрепленных на оси, и контактирующие зоны роликов и колец формируют инерционные и реактивные усилия, которые неявно зависят от времени.
При интегрировании дифференциальных уравнений модели в работе дано дискретно-разностное преобразование дифференциального уравнения в частных производных, что позволило перейти от граничной задачи к задаче Коши.
Резюмируя все вышеизложенное, можно констатировать, что повышение достоверности диагностирования подшипников вагонных букс на стенде является актуальной для железнодорожного транспорта научной и технической задачей, решение которой позволит повысить безопасность
движения поездов. Разработка компьютерной системы диагностики неисправностей подшипников должна базироваться на математическом моделировании вибрационных процессов при проверке колесной пары на стенде.
Математическое моделирование вибраций колесной пары позволит определить частотный и амплитудный диапазоны измерений выходных процессов и обосновать пороговые значения ускорений корпусов букс, при которых должны фиксироваться различные неисправности подшипников.
На основе исследований, проведенных автором диссертации, во Владимирском политехническом институте был разработан микропроцессорный диагностический пульт.
Этот пульт был спроектирован на базе серийного компьютера с тактовой частотой процессора 16 Мгерц. В этот компьютер была вмонтирована плата, осуществляющая дискретное преобразование непрерывного сигнала, поступающего с пьезоакселерометра.
Преобразованная дискретная информация обрабатывалась по специальной программе, которая анализировала пороговые значения ускорений, средние значения, декременты и давала на экран и в протокол сообщения об исправности или неисправности подшипников.
Общий вид микропроцессорного пульта, который работает на стенде УДП-85, показан в приложении 1.
Результаты исследований, посвященных вибрационному анализу состояния подшипников, приведены в последующих главах диссертации.

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Исследования, направленные на повышение достоверности определения неисправностей подшипников вагонных букс, являются актуальными, так как позволяют практически безошибочно отбраковывать подшипники при промежуточных ревизиях колесных пар без их демонтажа.
Это мероприятие повышает безопасность движения поездов и снижает трудоемкость промежуточных ревизий колесных пар.
2. Решение поставленных в диссертации задач должно базироваться на механико-математической модели вибраций колесной пары на стенде, которая может дать информацию о частотном и амплитудном диапазонах ускорений корпусов букс и их пороговых значениях, превышение которых фиксирует неисправности подшипников.
3. Для анализа вибрационных процессов в системе «колесная пара¬стенд» разработана математическая модель, которая описывает упругие колебания оси колесной пары с учетом инерционных свойств колес, насаженных на ось, корпусов букс, упругих свойств оси, роликов и основания стенда.
Диссипативные свойства модели приняты в соответствии с гипотезой Фойхта, при этом коэффициенты неупругого сопротивления были определены расчетно-экспериментальным путем.
Жесткости зон контакта роликов и колец определены расчетным путем на основании контактной теории упругости.
4. Разработка указанной математической модели основывается на дискретном и континуальном представлении расчетной схемы колесной пары, которая вращается на стенде.
Вибрация такой расчетной схемы описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями и дифференциальным уравнением в частных производных, которое имитирует изгибные колебания оси колесной пары.
5. Для расчета виброускорений корпусов букс и создания микропроцессорной системы анализа неисправностей подшипников в диссертации разработана компьютерная программа на языке «Фортран», содержащая следующие функциональные блоки, которые осуществляют:
- расчет собственных частот и форм колебаний системы «колесная пара-стенд»;
- расчет статических перемещений колесной пары на стенде, которые представляют начальные значения координат (начальные условия интегрирования);
- численное интегрирование дифференциальных уравнений модели, в результате которого определяются амплитуды перемещений, скоростей и ускорений корпусов букс и их эффективные частоты.
6. Численный анализ дифференциальных уравнений модели позволил выявить частотный и амплитудный диапазоны виброускорений
колесной пары на стенде и определить пороговые характеристики
> '
выходных процессов, превышение которых сигнализирует о неисправностях подшипников.

7. Расчетный спектр ускорений корпусов букс лежит в пределах 50 герц-50 Кгерц.
8. Большинство повреждений подшипников может имитироваться в математической модели в виде периодических импульсных воздействий.
В виде таких воздействий могут моделироваться трещины в роликах, кольцах и сепараторах, раковины, следы электроожогов и другие.
9. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений максимальных виброускорений и эффективных частот показало их совпадение с погрешностью до 10%.
10. Проведенный комплекс исследований позволил обосновать пороги чувствительности и величину шага квантования непрерывного сигнала, значения которых были использованы при разработке микропроцессорной системы анализа неисправностей подшипников.
11 .Практическое использование стенда УДП-85 в совокупности с анализирующим микропроцессорным пультом (МПП) в вагонном депо станции Иваново позволило выявить при промежуточных ревизиях колесных пар в 1999 году 296 неисправностей и в 2000 году - 159 неисправностей подшипников.
Это составило примерно 5% от всех диагностируемых колесных пар.
Выявленные неисправности представляли угрозу безопасности движения.