Техническое диагностирование в локомотивном хозяйстве

Для определения параметров вибрации диагностируемого объекта применяют чувствительные элементы, реагирующие на звук (шум) или вибрацию и преобразующие звуковой и вибрационный сигналы в электрический. Звуковой сигнал измеряют электромагнитными, электродинамическими и пьезоэлектрическими преобразователями (наподобие микрофонных устройств). Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический эффект получают с помощью давления на противоположные грани пьезокристалла, на которых возникают равные, пропорциональные давлению, но разные по знаку электрические заряды (знаки зависят от направления силы давления).

Для измерения вибрационного сигнала используют акселерометры (вибродатчики) — приборы, применяемые для измерения ускорения движения тел, содержащие чувствительные элементы (инерционную массу в системе упругого подвеса) и преобразователи сигналов. Действие прибора основано на перемещении относительно корпуса чувствительного элемента пропорционально ускорению движения объекта диагностирования. В качестве преобразователя сигнала используется пьезоэлемент. Акселерометры устанавливаются на объекте диагностирования с помощью магнитов или крепятся механически.

В зависимости от способа снятия диагностического сигнала, его использования и представления вибрационный метод имеет несколько разновидностей: виброакустический; метод измерения виброперемещений; диагностика по спектрам вибросигнала; диагностика по спектрам огибающих; метод ударных импульсов, метод акустической эмиссии.

Виброакустический метод заключается в оценке интенсивности звукового давления (дБ), генерируемого диагностируемым узлом в процессе его работы. При этом в качестве критерия степени развития дефекта принимаются нормативные значения звукового давления, устанавливаемые для конкретного узла. Для измерения акустического сигнала можно использовать простейшие устройства (шумомеры, прибор ПИК-1М и др.).

Диагностика по общему уровню вибрации основана на непосредственном измерении параметров виброскорости и виброперемещения или виброускорения диагностируемого узла. Критерием наличия и степени развития дефекта служат нормативные уровни вибрации, принятые для диагностируемого узла. Дефектным считается такой узел, величина вибрации которого превышает установленную норму. Однако метод диагностики по общему уровню вибрации позволяет определять дефекты лишь на последней стадии их развития, когда они уже приводят к разрушению узлов.

Диагностика по спектрам вибросигнала основана на анализе спектральных составляющих вибросигнала диагностируемого узла. Критерием наличия и степени развития дефекта служат характерные составляющие спектра на несущих частотах элементов узла, их интенсивность и периодичность. Для реализации этого метода необходимо иметь спектроанализатор с высоким разрешением в спектре — не менее 3200 линий. При более низком разрешении распределение мощности узкого пика дефекта по широкой спектральной полосе приведет к резкому занижению уровня характерной гармоники и непригодности ее к использованию как диагностирующего сигнала (параметра).

Диагностика по спектрам огибающих основана на спектральном анализе огибающей вибропараметров диагностируемого узла. Уровень дефекта на диагностических спектрах огибающей определяется по величине модуляции огибающей данного вибросигнала характерной гармоники. Выявляемые дефекты принято характеризовать в данном методе условными уровнями порогов — слабым, средним, сильным; величиной дефекта и степенью вероятности его появления, выраженных в процентном отношении. Этот метод получил широкое распространение благодаря возможности выявления с его по мощью дефектов на сравнительно ранней стадии развития, а также возможности прогнозирования остаточного ресурса узла. Внедрение метода требует сложной и дорогостоящей сборки данных и анализирующих пакетов прикладных программ, превращая прибор в сложный диагностический комплекс.

Метод ударных импульсов, при котором выполняется анализ взаимного обобщенного количественного соотношения двух характерных величин: среднего уровня вибрации (фон максимального значения) и «пика» ударного виброускорения на частотах, равных 30-32 кГц. Для оценки приведенных составляющих средства диагностирования оснащаются также датчиками виброускорения.

Использование обобщенного количественного соотношения двух величин «средний уровень — пик» позволяет выявлять дефекты в подшипниковых узлах на достаточно ранних стадиях развития дефекта. Однако этот метод не особенно эффективен при определении качества смазки узлов.

Метод акустической эмиссии, обладающий рядом преимуществ перед другими методами, основан на регистрации и анализе акустических сигналов ультразвукового диапазона, сопровождающих зарождение и развитие микро- и макродефектов контролируемого объекта при его работе.

Зарождение дефекта, пластическая деформация, коррозионное растрескивание, фазовые превращения и другие процессы динамической перестройки структуры материала сопровождаются излучением акустических ультразвуковых сигналов акустической эмиссии. Регистрация сигналов акустической эмиссии, определение параметров и координат их источников позволяют на ранних стадиях структурных изменений идентифицировать дефекты материала, контролировать интенсивность их развития. При этом оценивается степень опасности дефектов, прогнозируется остаточный ресурс работы материала и конструкции в целом.

3.4. Тепловые методы

Тепловые методы основаны на анализе теплового излучения деталей, элементов или устройств при их функционировании. Интенсивность теплового излучения зависит от электрических параметров электроаппаратуры и электрических машин, а также от скрытых дефектов в узлах с трением и сопряжением деталей. Изменение характеристик теплового излучения свидетельствует об изменении режима работы устройства. Для отдельных деталей и элементов увеличение интенсивности их теплового излучения характеризует локальные тепловые перегревы, связанные с наличием дефектов или неоднородностей. Своевременное обнаружение этих дефектов позволяет принять меры по предупреждению выхода из строя деталей и устройства в целом. Тепловые методы по способу получения информации об интенсивности излучения делятся на контактные и неконтактные. К контактным относятся методы с использованием термопар, температурно-чувствительных красок, жидкокристаллических соединений.

Метод измерения с помощью термопар достаточно прост, хорошо отработан, благодаря малому быстродействию позволяет замерять температуру в локальных точечных участках. Метод температурочувствительных красок прост и удобен, но обладает необратимостью процессов и дискретностью индикации значений температуры. Метод с использованием жидкокристаллической индикации основан на свойстве жидкокристаллических соединений приобретать окраску в зависимости от температуры среды. С их помощью можно измерять разность температур 0,1°С. При помощи ряда холестерических жидкокристаллических соединений проводится измерение температуры от +10 до +100°С. Применяются также методы, основанные на свойстве фотографических эмульсий изменять скорость проявления в зависимости от температуры.

Неконтактные методы измерений характеристик теплового поля основаны на свойствах тел излучать электромагнитную энергию, пропорциональную их температуре. Используют методы с одновременной и последовательной регистрациями теплового излучения. Последовательный метод заключается в фиксации теплового излучения, преобразовании его в электрический сигнал с последующим усилением его и регистрацией. Развертка луча приемника-преобразователя осуществляется механической, оптико-механической или фотоэлектронной системами. Для регистрации тепловых лучей используют радиометры, микрорадиометры, болометры, тепловизоры и другие устройства.

К основным техническим параметрам приемных устройств относятся: порог чувствительности — минимальное значение обнаруживаемого теплового потока; значение выходного сигнала на единицу потока падающего излучения; инерционность приемника, определяемая его постоянной времени.

Обычно порог чувствительности измеряется при воздействии на приемник излучения черного тела с температурой +300°С для неохлаждаемых и +100°С для охлаждаемых приемников. Тепловой метод используется при диагностировании узлов с трением деталей на локомотивах, электрических контактов, полупроводниковых приборов (диодов и тиристоров), электронных устройств и др.

В процессе работы локомотива в некоторых узлах (подвижных соединениях и т.п.) возникает повышенный нагрев. К ним относятся буксовые узлы, силовые электрические контакты, преобразовательные полупроводниковые установки и др. Особенно опасными являются электрические соединения в тяговых двигателях, между трансформатором и коммутирующими аппаратами. Внедрение инфракрасной термографии позволяет снизить время контроля и повысить его достоверность, При работе используются малогабаритные тепловизоры (матричные инфракрасные камеры) и термографы (линейные инфракрасные сканеры). Они обладают высокой точностью измерения температуры (до десятых — сотых долей градуса). При этом с большой точностью определяется тепловое состояние не только силовой электронной аппаратуры, но и низковольтных электрических и электронных сборок и схем, попадающих в поле кадра ИК-камеры устройства, стоимость которых сопоставима со средствами вибродиагностики.

3.5. Методы спектрального анализа

В процессе работы происходит износ узлов с трением или в местах сопряжения деталей. Для уменьшения износа и удаления продуктов износа применяют различные масла и смазочные материалы. О состоянии узлов и деталей можно судить по концентрации продуктов износа, используя физико-химический анализ масел и смазочных материалов: чем больше в них концентрация продуктов износа, тем сильнее происходит износ деталей в узлах. Отбирая пробы масел через определенный промежуток времени и используя методы математической статистики, можно определить скорость накопления в смазочном материале продуктов износа, а по ним судить об износе деталей. Применяя математический метод экстраполяции, можно построить кривую износа, прогнозируя при этом момент предельного состояния деталей. Износ деталей и сопряжений оценивается также по результатам спектрального анализа смазочного материала на продукты износа. Иногда в смазочном материале можно найти и продукты неполного сгорания топлива, что позволяет с помощью спектрального анализа определять состояние таких узлов, как поршни дизеля, кольца и др.

Нарушение плотности водяной системы дизеля, приводящее к обводнению картерного масла, можно диагностировать по накоплению в масле продуктов, содержащихся в присадках к охлаждающей воде. Методом спектрального анализа можно определить техническое состояние масляных фильтров, если в масле окажутся продукты неочищенного воздуха; аналогично можно судить о техническом состоянии моторно-осевых подшипников, буксовых подшипников и других узлов с деталями трения.

Известно несколько методов количественного определения продуктов износа в масле (смазочном материале). Наибольшее распространение получили следующие: калориметрический; полярографический; магнитоиндуктивный; радиоактивный; спектрографический; рентгенографический; атомно-абсорбционный; фотометрический. В основе всех методов количественного спектрального анализа лежит зависимость между интенсивностью спектральной линии излучения того или иного элемента и концентрацией этого элемента в анализируемой пробе.

При диагностировании методами спектрального анализа для получения достоверных данных необходимо иметь большой набор эталонных параметров при проверке буксовых, моторно-осевых под шинников и дизельного масла.

Калориметрическим методом можно определять техническое состояние дизелей по параметрам картерного масла. При этом пробу масла анализируют в лаборатории на содержание железа, меди и алюминия, а затем сравнивают с предельно допустимыми параметрами.

Радиоактивный метод заключается в том, что на дизеле устанавливаются детали, активированные радиоактивными изотопами. По мере износа деталей радиоактивные частицы попадают в масло картера, откуда отбираются, анализируются и по ним определяется интенсивность износа узлов трения.

Рентгенографический метод позволяет проводить не только анализ масла, но и структуру поверхностного состояния деталей трения. В основе использования этого метода лежит способность рентгеновских лучей проникать в поверхностные слои металла, анализируя их. Пучок рентгеновских лучей скользит по поверхности изношенной детали, анализируя послойно ее техническое состояние. Таким образом, с помощью рентгеновских лучей можно более достоверно и объективно оценивать состояние масла и его влияние на процесс износа в узлах с деталями трения. Это позволяет прогнозировать остаточный ресурс, а также дает возможность правильно подбирать масла.

Атомно-абсорбционный метод анализа основан на изучении атомных спектров резонансного поглощения. Атомы способны не только излучать волны определенной длины, но и поглощать их (резонансное поглощение). Оно связано со строением атома, является его характеристикой, что и положено в основу анализа.

Для того чтобы добиться атомно-резонансного поглощения, необходимо задать резонансное излучение, соответствующее спектру искомого элемента, и пропустить его через атомизированную пробу. При сравнении измеренного исходного излучения до прохождения пробы и после нее можно определить, что при наличии искомых атомов в пробе первоначальное излучение уменьшится из-за поглощения данного элемента в тем большей степени, чем больше искомого элемента в пробе. По уменьшению интенсивности заданного излучения можно судить о количестве искомого элемента. Так как природа происхождения процессов поглощения и излучения (при эмиссионном анализе) различна, то и возможности основанных на этих явлениях спектральных методов также неодинаковы. Наиболее точные показания и надежные результаты дает атомно-абсорбционный метод, который чувствительнее, например, эмиссионного метода в 1000 раз.

Эмиссионные или атомно-абсорбционные спектры можно получить, используя атомизатор — высокотемпературный источник света, в который вводится исследуемая проба масла для разрушения молекулы до атомарного состояния. В качестве источника тепла можно использовать любой горючий газ.

3.6. Оптические методы

Одним из наиболее распространенных методов обнаружения дефектов в конструкции является визуальный осмотр. Однако для осмотра труднодоступных узлов и деталей необходима полная или частичная разборка узла, а иногда и разрушение детали. Для расширения возможности проверки технического состояния цилиндров дизеля, различных резервуаров, трубопроводов необходимо использование оптических средств. К ним относятся эндоскопы, перископические дефектоскопы. Но наибольшее распространение получают жесткие и гибкие эндоскопы.