Разработка методики и системы диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот с применением тарированного излучателя

На правах рукописи

Десятников Валерий Евгеньевич РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ОСЕЙ И КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ МЕТОДОМ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТАРИРОВАННОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Специальность: 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2009 2

Работа выполнена при кафедре Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Волков Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ерофеев В.И.

доктор технических наук, профессор Звягин А.Д.

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта нижегородского отделения (ГУП НО ВНИИЖТ, г. Н.Новгород)

Защита состоится 29 апреля 2009 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.165.08 в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.24, корп.1, ауд. 1258.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя Ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Е.М. Грамузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Колесная пара – одна из самых ответственных деталей вагона, от исправной работы ее зависит безопасность движения поездов. При этом замена колесной пары, или одного из ее элементов – буксы с роликовыми подшипниками, цельнокатаного колеса или оси – приводит к внеплановым ремонтам и, как следствие, к большим экономическим затратам. Наиболее опасны в эксплуатации изломы и разрушения элементов колесных пар. В 30- годы к основным причинам изломов относили трещины обода, ступицы и диска в зоне отверстия под ось из-за нарушения технологии производства.

Начиная с 60–х годов, в эксплуатации стали выявляться трещины в цельнокатаных колесах в зоне перехода диска к ободу. Можно констатировать тот факт, что дефекты колес и осей, наблюдавшиеся в 1930 – 1970-х годах, в редких случаях встречаются и по сегодняшний день. И, тем не менее, эти немногочисленные дефектные колеса и оси, могут привести к катастрофическим последствиям.

Применение средств и методов входного, межоперационного и выходного неразрушающего контроля технического состояния колёсных пар при выполнении ремонтных работ является в современных условиях неотъемлемой частью обеспечения безопасности движения. Такие факторы, как существенный процент износа эксплуатируемого подвижного состава, ужесточение требований к качеству ремонта с одной стороны, и необходимость увеличения производительности труда с другой стороны, требуют разработки новых эффективных методов неразрушающего контроля элементов колёсных пар, узлов и деталей подвижного состава.

В настоящее время при дефектоскопии элементов колесных пар железнодорожных вагонов используются магнитопорошковый, вихретоковый, ультразвуковой методы контроля. Но при существующем многообразии различных методов неразрушающего контроля пропуски опасных дефектов элементов колесных пар (трещины в диске, гребне и ободе колеса, трещины в средней части, шейки и подступичной части оси) при проведении дефектоскопии все еще имеют место быть.

К основным причинам пропуска дефектов относятся отсутствие специалистов соответствующей квалификации и низкий уровень автоматизации процесса контроля. Кроме того, эти методы, при проведении контроля, требуют предварительной подготовки поверхности контроля, сканирование всей контролируемой поверхности датчиками, и больших затрат времени.

Из сказанного следует, что создание новых, современных систем неразрушающего контроля является весьма актуальным. Поэтому возникла необходимость разработать новую систему диагностики, в частности, основанной на методе собственных частот.

Таким образом, исследования, направленные на разработку системы автоматического контроля железнодорожных колес и осей, основанной на методе собственных частот, в настоящее время являются актуальной научной задачей.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методики и системы неразрушающего контроля для диагностики осей и колес железнодорожных вагонов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

выбрать метод неразрушающего контроля и усовершенствовать его применительно к локальной задаче – выявление дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов;

разработать методику проведения диагностирования и выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот;

разработать и апробировать образцы устройств, основанные на методе собственных частот, для выявления дефектов в осях и колёсах в условиях ремонтного депо;

разработать алгоритм и программное обеспечение для проведения диагностики осей и колес методом собственных частот;

провести эксперименты: в лаборатории на моделях и в условиях ремонтного предприятия на реальных объектах, как на бездефектных, так и дефектных осях и колесах.

Методы математической статистики, Методы исследования.

математическое моделирование упругих колебаний в твёрдых телах методом конечных элементов. Теоретические исследования базируются на методе конечных элементов и непараметрических критериях сравнения амплитуд в спектрах (в разработанной методике диагностирования), которые имеют дело не с численными значениями измеренных величин, а с их рангами. В экспериментальных исследованиях использованы, помимо метода собственных частот, методы неразрушающего контроля, используемые на ремонтных предприятиях железнодорожной отрасли (ультразвуковой и магнитопорошковый). Обработка экспериментальных и теоретических результатов выполнена на персональном компьютере с применением разработанных в диссертационной работе и типовых программ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

разработана система и методика диагностирования методом собственных частот с автоматической постановкой диагноза о техническом состоянии осей и колес железнодорожных вагонов;

обоснован выбор и использование тарированного излучателя акустических сигналов для возбуждения собственных колебаний в объектах контроля во время проведения диагностики;

разработаны алгоритм и программное обеспечение системы неразрушающего контроля осей и колес железнодорожных вагонов, на основе метода собственных частот;

получено, что результат диагностики выдается непосредственно по каждому конкретному объекту контроля без привязки к другим однотипным изделиям и без обязательного накопления статистической выборки по однотипным осям и колесам.

Практическая значимость работы определяется:

методикой выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот;

анализом сдвига частот по методу конечных элементов для первых 25 форм колебаний моделей колес и осей, как с измененной геометрией, так и с внесением в них искусственных дефектов;

созданием и работой программного обеспечения для проведения диагностики осей и колес железнодорожных вагонов по методу собственных частот;

результатами лабораторных экспериментов для макетных моделей с наличием искусственных дефектов, а так же для бездефектных осей и колес;

результатами экспериментальных исследований для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;

предельными (пороговыми) значениями для реальных осей и колес железнодорожных вагонов;

сокращением времени проведения диагностики, упрощением технологического процесса диагностики, по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, применительно к железнодорожному транспорту;

исключение человеческого фактора при вынесении диагноза объекту контроля.

Достоверность разработанной автоматизированной системы диагностики методом собственных частот осей и колес подтверждена моделированием и проведёнными расчётами методом конечных элементов, а так же экспериментами, проведенными в депо Горький-Сортировочный (ВКМ) Горьковской железной дороги - филиала ОАО «РЖД». Общее испытанное количество осей - девять, из которых шесть бездефектные и три с дефектами.

Количество колес участвовавших в экспериментах составило восемь штук, из которых пять бездефектные и три с дефектами. Все объекты контроля, участвовавшие в исследованиях, предварительно проходили технический контроль существующими в депо методами неразрушающего контроля (ультразвуковой и магнитопорошковый).

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Разработка системы, основанной на методе собственных частот, для обнаружения дефектов в колесах и осях вагонов железнодорожного подвижного состава.

2. Методика выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов методом собственных частот.

3. Алгоритм и программное обеспечение выявления неисправностей в объектах контроля.

4. Результаты экспериментальных исследований выявления дефектов в колесах и осях методом собственных частот, с предварительно проверенным их техническим состоянием другими методами неразрушающего контроля.

Внедрение результатов исследования. Разработанная в диссертации система по определению технического состояния осей и колес железнодорожных вагонов может быть использована на заводах изготовителях осей и колес, например, на ОАО «Выксунский металлургический завод», а так же на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта, в частности вагонно-ремонтное депо «Горький-Сортировочный» (вагонно-колесные мастерские).

Основные положения и результаты Апробация работы.

диссертационной работы доложены на конференциях: Всероссийской научно технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве», 23-26 октября 2006 г., г. Н.Новгород;

VI Международной молодежной научно технической конференции "Будущее технической науки", посвященной 90-летию НГТУ, 16-17 мая 2007 г., г. Нижний Новгород;

Второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций, 29-30 октября 2007 г., г. Нижний Новгород;

VII Международной молодежной научно - технической конференции "Будущее технической науки", май 2008 г., г. Нижний Новгород;

18-ой Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», сентябрь-октябрь 2008 г., г. Нижний Новгород. А так же публикация в журнале «Контроль.

Диагностика» - «Комплекс диагностики осей и колес колесных пар железнодорожных вагонов методом собственных частот с пьезоизлучателем тарированных акустических сигналов», Выпуск 8, 2008 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Общий объем диссертации составляет 162 стр., включая 74 рисунка, 8 фотографий и таблиц. Список литературы состоит из 102 наименований.

Публикации. Общее число работ по результатам исследований, представленных в диссертации, составляет 8 публикаций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность выбранной темы, цель, задачи, научная новизна, практическое значение и апробация работы.

Глава 1. В первой главе затронуты вопросы теории колебаний применительно к стержням и стержневым системам;

анализ отечественных и зарубежных аналогов применения методов акустической дефектоскопии в различных объектах;

основ теории по анализу Фурье. А так же вопросы определения критериев обработки сигналов;

выбор статистических информативных признаков, определение параметров процесса колебаний при ударно-динамическом воздействии, выбор способа возбуждения собственных колебаний в исследуемых объектах и построение решающего правила распознавания дефектов.

Исследованию выявления дефектов в различных объектах методами акустической дефектоскопии (на основе метода собственных частот) посвящены труды многих Российских и зарубежных ученых и фирм: А.Л.

Фогеля в государственном унитарном предприятии всероссийского научно исследовательского института железнодорожного транспорта Нижегородского отделения (ГУП НО ВНИИЖТ);

Ю.В. Ванькова в научно-исследовательской лаборатории Казани;

американской фирмы PCB P’ezotronics.

В работах И.М. Рабиновича, С.Я. Соколова, Ю.А. Нилендера, А.К.

Бируля, Т.К. Пауэрса, Б.Лонга, Г. Курца, Т. Санденава, А. Лесли, В. Чизмена, Ж. Шефдевиля, Г. Дауанса и многих других использовались акустические методы для определения прочностных, упругих, пластических свойств материалов, с начала прошлого века.

А в настоящий момент в области пассивных и активных акустических методов контроля, теорией и практическим использованием, занимаются такие видные ученые как: Ерофеев В.И., Звягин А.Д., Мишакин В.В., Хлыбов А.А., Тамаров В.А., Демидик С.Д., Углов А.Л., Ваганов А.О., Быстров В.Ф., Григорьев А.Н.

Проведенный анализ показал, что существующие системы основанные, так или иначе, на методе собственных частот (свободных колебаний) не в полной мере соответствуют тем требованиям, предъявляемым в настоящее время к новым системам неразрушающего контроля. Все существующие системы на основе метода собственных частот, обладая рядом преимуществ, не могут быть применены для контроля осей и колес железнодорожных вагонов из-за того, что обладают рядом недостатков, это наличие в них: 1) механического ударника маятникового типа (ударный молоточек), что приводит к низкой достоверности обнаружения дефектов при воздействии на изделия;

2) микрофона при съеме сигналов с объекта контроля, что в условиях депо недопустимо из-за наличия посторонних шумовых факторов, которые, так или иначе, будут искажать и затруднять процесс диагностики. В связи с этим и возникла необходимость разработки системы автоматической диагностики, основанной на методе собственных частот, которая удовлетворяла бы наибольшему числу требований, предъявляемых к системам, основанных на неразрушающих методах контроля. Кроме того, в первой главе приведены теоретические сведения по методу собственных колебаний тела. Частота собственных колебаний тела определяется формой тела (шириной, высотой, толщиной) и физическими постоянными тела (модулем упругости первого рода, плотностью и коэффициентом Пуассона), а так же частота собственных колебаний зависит от неоднородности материала, наличия дефектов, несплошностей и т.п.

Глава 2. Во второй главе произведены расчеты методом конечных элементов типовых колеса и оси, как бездефектных и с измененной геометрией, так и с наличием искусственных дефектов в них. Существующие программы, основанные на методе конечных элементов и предназначенные для расчета собственных значений, используют следующее матричное уравнение:

(C pМ ) X 0, (1) где С – матрица жесткостей;

М – матрица масс;

p – собственные значения модели динамической системы (колеса или оси);

X – собственные вектора, характеризующие собственные формы колебаний).

В п. 2.1 проводилась работа по моделированию объектов контроля и расчету собственных мод колебаний с помощью ориентированных для этих задач программ. Сначала бездефектные колесо и ось были рассчитаны методом конечных элементов. Потом изменялся посадочный диаметр для оси (место, на которое происходит напрессовка колеса, при формировании колесной пары) и внутренний и наружный диаметры для колеса, все данные размеры брались в разрешенных нормативно-технической документацией допусках. И только затем моделировались всевозможные дефекты в них.

Были произведены расчеты для оси и колеса без дефектов с наиболее типовыми геометрическими размерами элементов колесной пары.

Геометрические размеры колеса принимались следующими: посадочный диаметр - 185 мм;

внешний диаметр колеса - 870 мм. Количество конечных элементов – 35567. В расчетах использовалась сталь с физическими постоянными: модуль упругости первого рода - Е = 2,0*105 МПа, коэффициент Пуассона - = 0,3, плотность металла - = 7,8*103 кг/м3. Посадочный диаметр для оси принимался следующим - 190 мм. Количество конечных элементов – 39426. Число рассматриваемых мод собственных колебаний для оси и колеса было равно 25.

При расчете применялся следующий тип конечного элемента – Solid 92.

Он представляет собой объемный четырехгранник с десятью узлами, расположенных в углах и серединах сторон, рисунок 1. Элементы данного типа лучше всего использовать в нерегулярных сетках. Данный тип элементов позволяет использовать изотропные пластичные и другие нелинейные виды материалов, за исключением гиперэластичных.

Рисунок 1. Вид конечного элемента Solid Следующим этапом исследования было создание моделей с измененной геометрией (п. 2.2). Было построено 4 модели колеса и 2 модели оси с разной геометрией. Ось для расчета методом собственных колебаний бралась типа РУ-1Ш-950. После произведенных расчетов были построены графики изменения собственных частот для колес и осей с наиболее типовыми геометрическими размерами, а так же с измененной их геометрией (изменения касались внутренних посадочных диаметров и внешнего диаметра колеса).

В п. 2.3 и п. 2.4 была поставлена задача – а можно ли в качестве основного критерия – брак/годен, в разрабатываемой методике, использовать сдвиг собственных частот объектов контроля при внесении в них искусственных дефектов с различными поперечными сечениями? Были смоделированы следующие объекты контроля с неисправностями:

1) Модели осей с дефектами:

OS_1_D1 – Продольный дефект («пропил») в центральной части оси, в виде параллелепипеда, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина х высота х глубина) – 10х32,35х50.

OS_1_D2 – Дефект типа – «пропил» в области посадки внутреннего кольца буксовых подшипников, прямоугольного сечения, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина х высота х глубина) – 10х8,42х45.

2) Четыре модели колес с дефектами:

Koleso_2.2_D1 – Дефект на внутренней поверхности ступицы, треугольного сечения, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина у основания х высота х глубина) – 4х14,05х195.

Koleso_2.2_D2 - Дефект в виде вертикального сквозного отверстия в диске колеса, сечения в виде эллипса, с геометрическими размерами дефекта, мм (ширина х длина) – 20х108.

Koleso_2.2_D3 - Дефект в виде сквозного отверстия по радиусу в диске колеса, шириной 3 мм и с угловым сектором 56,65о.

Koleso_2.2_D4 – Дефект в виде сквозного отверстия в реборде колеса по радиусу шириной 1,5 мм и с угловым сектором 49,51о.

Произведеные расчеты методом конечных элементов собственных колебаний типовых колес и осей железнодорожных вагонов с имитацией искусственных дефектов показали, что наличие в объекте контроля дефекта вызывает изменение собственных частот колеса и оси. Но следует заметить, что данные сдвиги частот у колес и осей колеблются в Герцах от единиц до нескольких сотен. В результате проведеного анализа влияния различного рода дефектов на собственные частоты колебаний колеса и оси железнодорожного вагона получены следующие результаты:

установлено влияние различного рода дефектов на частоты и формы колебаний оси и колеса;

размер дефекта влияет на величину сдвига частот относительно «бездефектной оси» и «бездефектного колеса»;

местоположение дефекта также влияет на сдвиг частот;

сдвиг частот нельзя принимать в качестве основного признака по выявлению неисправностей в осях и колесах, так как в некоторых случаях наблюдается, что при существенном «дефекте» сдвиг незначителен.

В Главе 3 п. 3.1 рассмотрена задача выбора способа возбуждения собственных колебаний в исследуемых объектах. В контрольно измерительной аппаратуре, использующей метод собственных частот, обычно производят возбуждение колебаний в изделии с помощью удара. При этом необходимо обеспечить такие параметры удара, при котором в изделии будут наилучшим образом возбуждаться колебания в необходимом для измерения частотном диапазоне. В случае выбора удара с помощью ударного молоточка, как способа возбуждения собственных частот в исследуемых объектах, повышается влияние человеческого фактора на результаты диагностики.

Были произведены эксперименты с целью подтверждения или опровержения данного предположения о возникновении человеческого фактора и как следствие понижения качества диагностики при использовании устройства возбуждения колебаний через ударный молоточек. Эксперименты проводились в лаборатории ООО «ДиаТех» г. Н.Новгород.

За объект исследования были приняты макетные экземпляры колес и осей железнодорожных вагонов небольших размеров (например, для колеса в масштабе 1:2,5 к полноразмерному колесу). Размеры данных образцов следующие: колесо – D = 350 мм;

ось – L = 500 мм.

Так же эксперименты проводились и для двух макетов колес и осей с привнесенными в них искусственными дефектами. Образцы устанавливались на резиновую прокладку с целью уменьшения влияния посторонних вибраций.

Возбуждение собственных колебаний в испытуемых образцах осуществлялось механическим устройством маятникового типа (ударный молоточек). Удар производился с фиксированной высоты и по возможности с отсутствием первоначального ускорения со стороны проводившего эксперимент человека.

Результаты лабораторных экспериментов для макетных образцов (двух колес и двух осей) получились с достоверностью 50%. То есть из двух осей было определено, что дефектная ось является бездефектной, а в случае с бездефектной осью диагноз о фактическом состоянии поставлен был правильно. Аналогичные – результаты были получены для макетов колес. Это могло быть вызвано использованием механического ударника в качестве источника возбуждения собственных колебаний в колесах и осях.

Поэтому было решено отказаться от возбуждения при помощи механического ударника. В качестве элемента возбуждения собственных колебаний в объекте контроля было решено применить электронный пьезоизлучатель акустических сигналов тарированного воздействия (далее излучатель).

В п. 3.2. был определен состав, устройство и работа системы диагностики методом собственных частот. В состав системы входят устройства, представленные на рисунке 2.

Было определено, что конструктивно система диагностики колес и осей колесных пар методом собственных частот должна включать в себя резиновые опоры, на которых размещаются ось или колесо. Излучатель на контролируемом объекте будет крепиться с помощью электромагнита, а приемник сигнала – пьезоакселерометр (далее датчик) - на контролируемом объекте с помощью магнита (датчик соединен с магнитом посредством металлической шпильки). Перед установкой датчика и излучателя поверхности соприкосновения на объектах контроля должны смазываться смазкой Литол-24.

1 - Пьезоакселерометр АР-57;

2 – Тарированный излучатель;

3 - Ось;

4 - Колесо;

5 – Усилитель заряда;

6 – Плата АЦП Е-440;

7 – ПК и ПО для записи и обработки сигналов;

8 – Монитор;

9 – Источник бесперебойного питания;

10 – Принтер.

Рисунок 2. Состав аппаратуры и технологического оборудования диагностической системы В состав системы, кроме излучателя и датчика, также входят усилитель заряда, внешняя плата АЦП и ноутбук с программным обеспечением (возможно применение и персонального компьютера с внутренней платой АЦП типа L-791). Установка осей и колес на опоры (установку) должна производится с помощью кран-балки. А время диагностики одного объекта должно составлять не более 10 минут (от постановки объекта контроля на место диагностики до выдачи результата).

Программное обеспечение включает в себя следующие основные части:

программу регистрации акустических сигналов;

программу формирования спектров;

программу сравнения спектров с диагностируемого объекта.

Блоки системы соединяются кабелями согласно структурной блок-схемы, которая приведена на рисунке 3.

Объект Излучатель Датчик диагностики ПК Intel Усилитель АЦП PentiumIV заряда Рисунок 3. Структурная блок-схема диагностической системы На рисунке 4 (а, б) показана схема установки объектов контроля при проведении диагностики.

а) б) 1 – прокладка (резиновая);

2 – опора;

3 – ось;

4 – излучатель;

5 – приемник (пьезоакселерометр);

6 – колесо.

Рисунок 4 – Схема установки объектов контроля Укрупненная блок-схема алгоритма работы системы диагностики приведена для оси и колеса на рисунке 5.

Начало Тип ОК нет колесо Ось да Номер колеса Номер оси Запись 1.1 Запись 2.1 Запись 3. Запись 1.1 Запись 4. Запись 1.2 Запись 1.2 Запись 2.2 Запись 3.2 Запись 4. Запись 1.3 Запись 1.3 Запись 2.3 Запись 3.3 Запись 4. «Эталонный» Спектр 1 Спектр 2 Спектр 3 Спектр спектр Запись 2. Запись 2. нет 1Корр.0, Запись 2. да Спектр брак Годен нет 1Корр.0,4 брак да Годен выход Рисунок 5. Укрупненная блок-схема алгоритма работы системы диагностики В четвертой главе п. 4.1 рассмотрены эксперименты с колесом. Они проводились в вагонно-ремонтном депо ВЧД-3 Горьковской железной дороги (ВКМ). Объектами контроля являлись колеса железнодорожных грузовых вагонов. Первоначально данные объекты контроля подвергались плановой дефектации, предусмотренной технологическими картами для вагонно ремонтных депо.

Для подтверждения разработанной методики браковки по методу собственных частот с тарированным излучателем были проведены испытания с пятью колесами без дефектов (рекомендованных к сбору в колесную пару и постановку под вагон) и тремя колесами с наличием, как поверхностных (видимых), так и внутренних дефектов.

Колесо устанавливалось на резиновую прокладку размером 500х500х100 мм (см. рисунок 4б). Установка излучателя и датчика осуществлялась на гребень колеса с внутренней стороны. Далее производился удар, съем сигнала и затем формировался программой диагностики спектр собственных частот объекта контроля. Преобразование Фурье - математическая основа спектрального анализа:

1 jwt jwt dw;

S ( w) x(t )e dt, x (t ) S (w)e (2) 2 где x(t) – непрерывный сигнал;

w – частота;

j – мнимая единица;

S(w) – спектральная плотность сигнала x(t).

Первое выражение в (2) называется прямым интегральным преобразованием Фурье, а второе – обратным преобразованием Фурье.

Современные цифровые средства спектрального анализа сигналов используют быстрое преобразование Фурье в дискретной форме. В настоящей работе использовался алгоритм быстрого преобразования Фурье. Прямое и обратное дискретные преобразования Фурье можно представить в виде:

N 1 N 1 jwi tn jwi tn S (wi )e w;

S ( wi ) t x(t n )e x(t n ) i, (3) 2 i 0 n где – x(tn) – отсчеты входного сигнала в дискретные моменты времени t n tn ;

N – объем выборки, хранящейся в памяти цифровой измерительной системы;

t - шаг дискретизации;

n [0, N 1] - целые числа;

wi wi - частоты анализа;

i [0, N 1] - целые числа;

S ( wi ) - коэффициенты вещественного сигнала xn.

Для вещественного сигнала xn, коэффициенты являются эрмитово сопряженными, что позволяет разбить матрицу размером N=2M на матрицы меньшего размера с их максимальным количеством M=log2N, причем в каждой из них отличными от нуля оказываются всего два элемента. Такое преобразование Фурье и называется быстрым преобразованием Фурье.

Далее программой после трех записанных сигналов в одном направлении формируется один усредненный спектр.

Выбор в пользу трех записываемых сигналов с последующим по ним усреднениям принимался из-за того, что если производить удар и съем информации только по одному замеру, то возможен ряд ошибок. Наличие данных ошибок приведет к резкому снижению качества диагностики.

Съем информации происходил в четырех взаимно перпендикулярных направлениях. Данное предположение о необходимости производить замеры и обработку именно таким образом вызвано следующими моментами:

нет привязки к идентичности геометрических форм от одного объекта контроля к другому. То есть результаты диагностики выдаются программой по одному, установленному в данный момент на стенд, колесу;

в случае наличия какого-либо дефекта в одном из четырех направлений съема информации, автоматически приведет к изменению частотного и амплитудного распределения прямого спектра по отношению к трем другим направлениям. Это будет вызвано изменением интенсивности приходящего на датчик колебаний, их искажений, вследствие затрат энергии на преодоление дефекта, а так же огибания волнами данного дефекта;

контроль всего объема металла;

удобство постановки и съема датчика и излучателя.

В случае сравнения одновременно более двух спектров вычисляется относительный коэффициент корреляции спектров (повторяемости значений величин амплитуд по первым семи собственным частотам сравниваемых спектров). В данном случае определение относительного коэффициента корреляции выглядит следующим образом:

S W, (4) S max где S – сумма квадратов разности между полученной суммой рангов и ожидаемой суммой рангов:

n S ( i * - )2, (5) i m ( n 1) - ожидаемое значение суммы рангов;

m – число где сравниваемых спектров;

n – число взятых первых гармоник из спектра для дальнейшего сравнения (собственные частоты объекта контроля);

m i* N i k - фактическое значение суммы рангов для i-ой гармоники и k m рассматриваемых спектров. Здесь N i k - текущее значение ранга для i-ой гармоники и k-го спектра;

i=1…n – количество рассматриваемых гармоник;

m=1…4.

В выражении (4) Smax - максимальное значение квадрата разности между полученной суммой рангов и ожидаемой суммой рангов (это достигается при полном совпадении m спектров, и когда суммы рангов столбцов будут равны m, 2m, 3m, …, nm):

2 m(n 1) m( n 1) m( n 1) (6) S max m 2m... nm.

2 2 После преобразований правой части формулы (6), S max можно представить m 2 ( n 3 n) S max.

в виде: (7) Если спектры полностью совпадают, то относительный коэффициент корреляции W=1, если нет, то W=0.

Для примера работоспособности системы диагностики методом собственных частот, выявления дефектов в колесах железнодорожных вагонов, приведем сигнал во временной области и спектр (рисунки 6,7). На рисунках 8, представлены результаты диагностики по разработанной программе контроля технического состояния осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот, для бездефектного колеса (рисунок 8) и для дефектного колеса (рисунок 9).

На данных рисунках в левой нижней части отображаются ранги гармоник контролируемых спектров (соответственно для четырех положений датчика и излучателя). В правой нижней части рисунков показаны предельные и рассчитанный для конкретного испытуемого колеса коэффициент корреляции идентичности спектров колеса ([W] = 0,85 – пороговое значение коэффициента, W = 0,884 – полученное значение для бездефектного колеса, W = 0,625 – для дефектного колеса). В левой верхней части рисунков происходит отображение результата диагностики по каждому конкретному объекту контроля, либо «В норме», либо «В данном узле имеется дефект».

Рисунок 7. Спектр бездефектного Рисунок 6. Сигнал бездефектного колеса (для положения 1 излучателя и колеса (для положения 1 излучателя датчика) и датчика) Рисунок 8. Окно программы диагностики по методу собственных частот с результатами для бездефектного колеса Проведенная диагностика (в соответствие с рисунком 8, где m=4;

n=7) для бездефектного колеса дала следующие результаты: S=396, Smax=448, W=0,884.

Проведенная диагностика (в соответствие с рисунком 9, где m=4;

n=7) для дефектного колеса дала следующие результаты: S=280, Smax=448,W=0,625.

В ходе проведенных экспериментов на восьми колесах, из которых три дефектные и пять бездефектные (техническое состоянии колес определено с помощью ультразвукового и магнитопорошкового методов контроля) было установлено, что значение порога (браковочного параметра) должно составлять [W] = 0,85. В случае если: W [W] – колесо бездефектное, при W [W] – дефектное колесо. В дальнейшем по накоплению выборки при проведении экспериментов на других колесах данное значение [W] =0,85 может уточняться.

Рисунок 9. Окно программы диагностики по методу собственных частот с результатами для дефектного колеса Результаты по проведенным экспериментам для опытных колес 1-8.

Распределение полученных значений относительного коэффициента корреляции представлено на рисунке 10.

Рисунок 10. Распределение относительного коэффициента корреляции для бездефектных колес (первые пять точек на графике) и с дефектами (последние три точки) В п.4.2 рассмотрены эксперименты с осью, которые проводились в вагонно-ремонтном депо ВЧД-3 Горьковской железной дороги (ВКМ), филиала ОАО «РЖД». Объектами контроля являлись оси железнодорожных грузовых вагонов. Первоначально данные объекты контроля подвергались плановой дефектации, предусмотренной технологическими картами для вагонно ремонтных депо. Для подтверждения разработанной методики браковки по методу собственных частот с тарированным излучателем были проведены испытания с шестью осями без дефектов (рекомендованных к сбору в колесную пару и постановку под вагон) и тремя осями с наличием, как поверхностных (видимых), так и внутренних дефектов.

Ось устанавливалась на стенд (см. рисунок 4а), датчик и излучатель располагались в плоскости оси симметрии объекта контроля (вдоль оси симметрии объекта контроля на торцах оси), на противоположных концах оси.

Тарированный удар производится из условного положения 1, и съем информации происходит в этом же направлении, исходя из плоскости чувствительности датчика, но на другой стороне испытуемого объекта.

Затем производится перестановка, как излучателя, так и датчика на угол 180, меняются местами излучатель и датчик (условное положение 2) и производится повторный удар и съем информации. Методика возбуждения и съема механических колебаний аналогична условному положению 1 (после трех раз возбуждения и съема информации, формируется усредненный «эталонный» спектр) дальше происходит сравнение двух усредненных сигналов условных точек положения излучателя и датчика 1 и 2. Сравнение двух усредненных спектров для условного положения 1 и 2 происходит в программном обеспечении системы, основанной на методе собственных частот, посредством коэффициента ранговой корреляции Спирмена R, согласно формуле:

6d (8) R 1 3, n n где R – коэффициент ранговой корреляции Спирмена, n – число частот в спектре, d – разность рангов. Используя эту формулу можно выявить наличие или отсутствие корреляции двух спектров.

Коэффициент ранговой корреляции Спирмена (8) равен +1, когда два спектра полностью совпадают, и –1, когда они взаимно обратны.

Для примера приведем результаты диагностики, см. рисунок 11 и 12 (в обоих приведенных случаях n=10), для осей с дефектом и без дефекта. На рисунке 11, в правой нижней части, приведен результат диагностики по программе методом собственных частот для бездефектной оси. [R] = 0,4 – пороговое значение при проведении диагностики методом собственных частот для осей. В случае если R [R] – бездефектная ось, где R – полученное значение коэффициента ранговой корреляции Спирмена для конкретной продиагностированной оси. Для рисунка 11 (бездефектная ось) значение R = 0,758, для рисунка 12 (дефектная ось) R = 0,358.

Рисунок 11. Окно программы диагностики по методу собственных частот с результатами для бездефектной оси На рисунке 10 в правой нижней части приведен результат диагностики по программе методом собственных частот для дефектной оси.

Рисунок 12. Окно программы диагностики по методу собственных частот с результатами для дефектной оси Результаты по проведенным экспериментам для опытных осей 1-9.

Распределение полученных значений коэффициента ранговой корреляции представлено на рисунке 13.

Рисунок 13. Распределение коэффициента ранговой корреляции Спирмена для бездефектных осей (первые шесть точек на графике) и с дефектами (последние три) ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Здесь приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы, которые сводятся к следующему:

1. Разработана методика проведения диагностики и выявления внутренних, подповерхностных и поверхностных дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов. Данная методика основывалась на том, что результат диагностики выдается непосредственно по каждому конкретному объекту контроля без привязки к другим однотипным изделиям. Это позволило избежать таких затруднений при выдаче результатов диагностики, как допустимая нормативно-техническими документами в железнодорожном транспорте разность геометрии от одного объекта к другому, невозможность абсолютно точного повторения постановки объекта контроля на стенд (то есть разные начальные условия проведения диагностики).

2. Разработаны и апробированы образцы устройств, позволяющие выявлять дефекты в осях и колёсах методом собственных частот, таким образом, чтобы данный процесс позволял выявлять дефекты, и при этом соблюдалась технологичность процесса диагностики в условиях ремонтного предприятия.

3. Разработан алгоритм и программное обеспечение выявления дефектов в осях и колесах железнодорожных вагонов по методу собственных частот.

4. Составлено руководство по эксплуатации работы системы для персонала, работающего в области неразрушающего контроля на предприятиях изготавливающих колеса и оси для железнодорожных вагонов, а так же на ремонтных предприятиях данной отрасли.

5. В ходе проведенных расчетов для моделей колес и осей по методу конечных элементов построены зависимости собственных колебаний, для 10-ой, 20-ой и 25-ой форм, от геометрии объекта контроля, а так же при внесении в модель различных искусственных дефектов.

6. В разработанной системе сделан и обоснован выбор использования электронного пьезоизлучателя акустических сигналов для тарированного воздействия на объект диагностики для повышения качества диагностики.

7. Установлены пороговые значения браковки для колеса и оси железнодорожных вагонов 0,85 и 0,4 соответственно.

8. Результаты экспериментов в депо опытной системы для обнаружения дефектов в колесах и осях по методу собственных частот с использованием излучателя тарированных акустических сигналов показали, что предлагаемая методика и система в целом показывают достоверные результаты.

9. При работе системы на основе метода собственных частот не требуется сканирование всей поверхности объекта контроля, при этом достигается существенная экономия времени, а так же не требуется в разработанной системе производить подготовку (очистку) всей поверхности колес и осей, проходящих контроль.

10. В разработанной системе, основанной на методе собственных частот, от оператора, производящего диагностику колес или осей не требуется высокой квалификации, что в существующих реалиях ремонтных предприятий это является весьма актуальным.

11. Работа созданной системы неразрушающего контроля позволяет с минимально возможным человеческим фактором ставить диагноз объекту контроля.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ 1. Десятников В. Е. Разработка проекта установки для диагностирования осей и колес колесных пар методом собственных частот // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве», 23-26 октября 2006 г. с.404-406.

2. Ваганов А.О., Десятников В.Е. Информационные технологии диагностики подвижного грузового железнодорожного состава // Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы машиноведения: новые технологии и материалы», посвященная 20-летию Нижегородского филиала Института машиноведения РАН 29-30 ноября 2006 г. с. 67.

3. Десятников В. Е. Обнаружение дефектов типа трещины при моделировании осей колесных пар железнодорожных вагонов с помощью ANSYS // Труды VI Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", посвященной 90-летию НГТУ. 2007 г. с. 101-102.

4. Десятников В. Е. Обнаружение дефектов типа трещины при моделировании колес железнодорожных вагонов с помощью ANSYS // Труды второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций, 29-30 октября 2007 г с. 5. В.Е. Десятников Разработка программного обеспечения для диагностики осей и колес железнодорожных вагонов методом собственных частот // Труды VII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". 2008 г. с. 79.

6. Ваганов А.О., Быстров В.Ф., Десятников В.Е. Универсальные комплексы вибродиагностики ответственных узлов всех типов железнодорожного подвижного состава // Журнал «Вибрация машин измерение снижение защита» Выпуск №2(13). Изд-во «КОМПРО». Украина. 2008 г. с. 19-21.

7. Десятников В.Е., Ильинский Д.И., Григорьев А.Н. Комплекс диагностики осей и колес колесных пар железнодорожных вагонов методом собственных частот с пьезоизлучателем тарированных акустических сигналов // Журнал «Контроль. Диагностика». Выпуск. 8..- Москва:

Изд-во ООО "Издательство Машиностроение" 2008. - с. 29-33.

8. Карелин А.В., Леньков С.В., Молин С.М., Ваганов А.О., Григорьев А.Н., Десятников В.Е. Мобильная система вибродиагностики подвижного тягового состава железнодорожного транспорта // Журнал «Контроль. Диагностика». Выпуск. 11. - Москва: Изд-во ООО "Издательство Машиностроение" 2008. - с. 23-28.