umm_465

УДК 681.518:629.45/.46

З 96

Зыков Ю.В. Теоретические основы технической диагностики вагонов: учебное пособие. – Екатеринбург: УрГУПС, 2007. – 101 с.

В пособии изложены основы теории распознавания и теории контролепригодности, даны приложения теории информации к задачам технической диагностики вагонов. Приведен анализ функциональной схемы грузового вагона как объекта диагностирования, дана классификация средств технического диагностирования вагонов, содержатся сведения об устройстве и физических принципах действия приборов контроля технического состояния вагонов в процессе их технического обслуживания и ремонта.

Пособие адресовано студентам механического факультета всех форм обучения специальности 190302 «Вагоны» для использования в процессе изучения дисциплины «Основы технической диагностики вагонов», а также слушателям курсов повышения квалификации и переподготовки специалистов вагонного хозяйства.

Учебное пособие утверждено редакционно-издательским советом университета.

Автор Ю.В. Зыков, доцент кафедры «Вагоны», канд. техн. наук УрГУПС,

Рецензенты: А.А. Соломенников, главный инженер службы вагонного хозяйства Свердловской железной дороги – филиала ОАО «РЖД»,

А.В. Третьяков, профессор кафедры «Вагоны», д-р технических наук, ПГУПС,

М.И. Глушко, главный научный сотрудник Уральского отделения ВНИИЖТ, д-р технических наук.

2.СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСПОЗНАВАНИЯ………………. 11

3.МЕТОДЫ СТАТИСТИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ………………………… 15

4.ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ……………………………. 22

4.1.Оценка количества диагностической информации………………….. 22

4.2.Информация о состоянии сложной системы…………………………. 27

4.3.Диагностическая ценность признака………………………………….. 30

5.ВАГОН КАК ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ…………………… 33

5.1.Обеспечение технического диагностирования……………………….. 33

5.2.Классификация параметров, определяющих функционирование сложного объекта……………………………………………………… 33

5.3.Функциональная схема вагона………………………………………….. 36

5.4.Отказы вагонов…………………………………………………………… 40

5.5.Причины крушений и аварий по вине вагонного хозяйства………….. 45

6.ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВАГОНА…………………………………………………. 53

6.1.Общие положения………………………………………………………… 53

6.2.Диагностическая модель грузового вагона……………………………… 54

7.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ…… 65

7.1.Классификация методов измерений……………………………………… 65

7.2.Характеристики преобразователей………………………………………. 65

7.3.Измерение деформаций с помощью тензодатчиков…………………….. 67

7.4.Индуктивные преобразователи…………………………………………… 67

7.5.Емкостные преобразователи……………………………………………… 68

7.6.Вихретоковые преобразователи………………………………………….. 70

7.7.Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………… 72

7.8.Преобразователи на магнитных эффектах………………………………. 73

7.9.Акустические методы технической диагностики………………………. 74

7.10.Ультразвуковая техника…………………………………………………. 76

7.11.Метод акустической эмиссии…………………………………………… 80

7.12.Оптико-электронные преобразователи………………………………… 82

7.13.Метод триангуляции…………………………………………………….. 93

7.14.Оптико-электронные системы измерения температуры (ОЭСИТ)….. 94

7.15.Некоторые диагностические методы и приборы……………………… 96 Библиографический список…………………………………………….. 98

3

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность работы железнодорожного транспорта основана на максимальном использовании ресурса пути и подвижного состава по скорости движения, по массе и длине поезда, по нагрузке на ось. Проблемы контроля технического состояния подвижного состава, технической диагностики особенно остро стоят в настоящее время, когда параметры конструкций и машин достигли предельных значений, а последствия аварий могут иметь тяжелый и даже катастрофический характер.

Предотвращение отказов, браков, аварий и крушений на железнодорожном транспорте при помощи диагностики повреждений конструкций является важнейшей задачей как при проектировании, так и при эксплуатации подвижного состава. Техническое состояние вагонов является одним из определяющих факторов обеспечения безопасности движения поездов.

Современное состояние науки и техники позволяет создавать разнообразную контрольную и диагностическую аппаратуру для решения практически любых возникающих задач, а также для предвидения, прогнозирования новых проблем. Это дает возможность оценки критических условий эксплуатации подвижного состава и находить способы оценки технического состояния объекта.

Перечень известных средств технического диагностирования вагонов, используемых в вагонном хозяйстве, включая электронные средства измерений и средства неразрушающего контроля, содержит около 150 наименований. Но сам по себе набор технических средств еще не означает, что в технологии осуществляется техническое диагностирование. В частности, технология технического обслуживания подвижного состава основана на так называемом человеческом факторе – вся технология базируется в нашем случае на осмотрщике вагонов. Примерно половина работников вагонного хозяйства выполняют работы по осмотру и контролю технического состояния вагонов.

С 1969 г. на сети дорог внедряются напольные устройства контроля перегрева букс: первые устройства – это приборы обнаружения нагретых букс (ПОНАБ), затем дистанционная система контроля (ДИСК) и комплекс технических средств (КТСМ). В настоящее время они расположены на основных направлениях через каждые 30 км. Но до сих пор не отменена обязанность осмотрщика ощупывать корпуса букс рукой и продолжаются случаи разрушения буксовых подшипников в эксплуатации с тяжелыми последствиями.

При деповском ремонте вагонов используется комплексная система устройств дефектоскопирования практически всех ответственных деталей ходовых частей и автосцепки, но в эксплуатации, как и 100 лет назад, на каждом ПТО осмотрщик осматривает вагон с пролазкой, выявляя трещины в деталях ходовых частей и автосцепки. Более того, введено новое требование– простукивание осмотрщиком вагонов колес на предмет выявления трещин по тону звука.

Одной из причин такого положения является то, что организация системы технического диагностирования базируется, как правило, на технике, а не на

4

технологии, как должно быть. При проектировании и постройке вагонов не обеспечиваются требования контролепригодности.

Чтобы совершенствовать технологию, технические средства должны разрабатываться по обоснованному и грамотному техническому заданию, разработанному технологом - специалистом вагонного хозяйства, который должен знать основы науки о распознавании состояния технического объекта, в нашем случае – вагона. И только в этом случае будет возможность грамотно выбрать и организовать технологию использования имеющихся технических средств.

Каждый специалист – вагонник, как эксплуатационник, ремонтник, так и проектировщик должны знать теоретические основы технической диагности-

ки как науки о распознавании технического состояния объекта в условиях ограниченной информации без разборки изделия, включающей широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации.

Основная цель настоящего учебного пособия не изучение технических средств, а правильное понимание проблем технической диагностики вагонов.

5

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Термин «диагностика» происходит от греческого слова «диагнозис», что в буквальном переводе означает определение, распознавание. В процессе диагностики определяется, распознается состояние объекта. Если объектом распознавания является техническая система, то вводится понятие «техническая диагностика».

«Техническая диагностика», как отрасль знаний, включает:

-исследование технического состояния объекта диагностирования;

-разработку методов определения видов технического состояния;

-разработку принципов построения и организацию использования систем технического диагностирования.

Техническое состояние – характеристика в определенный момент времени свойств объекта, изменяющихся в процессе эксплуатации и заданных признаками, параметрами, установленными нормативно-технической документацией (НТД).

Объект диагностирования – изделие и его составные части, техническое состояние которых подлежит определению.

Вид технического состояния – категория технического состояния, характеризуемая соответствием или несоответствием качества объекта определенным техническим требованиям, установленным нормативно-технической документацией на этот объект.

Основные категории технического состояния:

-работоспособное или неработоспособное;

-исправное или неисправное;

-предельное.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные (требуемые) функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.

Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные (требуемые) функции, не соответствует требованиям нормативнотехнической и конструкторской документации.

Исправное состояние - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.

Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и конструкторской документации.

Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Система технического диагностирования – совокупность средств и объекта диагностирования и, при необходимости, исполнителей, подготовлен-

6

ная к диагностированию и осуществляющая его по правилам, установленным соответствующей документацией.

Диагностический признак (параметр) – признак (параметр) объекта ди-

агностирования, используемый в установленном порядке для определения технического состояния объекта.

Для объекта диагностирования, как правило, можно указать множество признаков или параметров, характеризующих его техническое состояние, и не все из них можно использовать для определения, распознавания. Если какое то значение диагностического параметра не поддается непосредственной оценке или измерению, то его значение находят путем анализа значений других параметров, связанных с искомым известной функциональной зависимостью.

Формализованные методы определения диагностических признаков (параметров) предусматривают построение и анализ математической модели объекта и моделей его возможных дефектов. Такие методы дают возможность определить ценность данного диагностического признака и выбрать необходимые и достаточные признаки (параметры) для проведения диагностирования.

Например, глубина ползуна как высота сегмента в центре площадки износа на поверхности катания колеса может быть измерена непосредственно, специальным шаблоном. Результат измерения шаблоном является прямым признаком технического состояния колеса. Контроль шаблоном требует значительных затрат времени и определенных условий для измерения (протяжки состава). Но этот опасный дефект может образоваться практически мгновенно при торможении поезда, и несвоевременное обнаружение его приводит к разрушению пути и подвижного состава, поэтому его необходимо своевременно обнаружить в пути следования поезда.

В автоматической аппаратуре контроля колес в движущемся поезде используется косвенный диагностический признак – величина амплитуды виброускорения механических колебаний рельса от удара ползуна о рельс. Амплитуда виброускорений связана с глубиной ползуна сложной функциональной зависимостью, но может быть измерена на ходу поезда и использована для оценки глубины ползуна. Кроме того, известны устройства, принципы действия которых основаны на измерении деформации шейки рельса, уровня и частоты звуковых колебаний от удара колеса о рельс, параметров перемещения вершины гребня колеса (оптическим, вихретоковым, ультразвуковым, контактным и другими методами), на контроле электрического контакта колеса с рельсом (при скорости более 40 км/ч),.

Техническое диагностирование – процесс определения технического состояния объекта диагностирования с помощью технических средств диагностирования с определенной точностью.

Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии объекта с оценкой ресурса работы, а при необходимости с указанием места, вида и причины дефекта.

Функциональное техническое диагностирование – диагностирование,

осуществляемое во время функционирования объекта, на который поступают

7

только рабочие воздействия (не путать с понятием диагностики правильности функционирования).

Тестовое техническое диагностирование – диагностирование, при ко-

тором на объект подаются тестовые воздействия. Тестовые воздействия могут подаваться как в момент функционирования, так и во время нерабочего состояния объекта (простукивание колеса).

Алгоритм технического диагностирования – совокупность предписа-

ний о проведении диагностирования. Алгоритмом технического диагностирования устанавливается состав и порядок проведения так называемых элементарных проверок объекта диагностирования и правила анализа результатов этих проверок. Элементарная проверка определяется рабочим или тестовым воздействием на объект, а также составом признаков (параметров), образующих ответ объекта на соответствующее воздействие.

Алгоритм распознавания в технической диагностике основывается на диагностических моделях. Диагностическая модель устанавливает связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов.

Техническая диагностика обеспечивает раннее обнаружение дефектов и неисправностей объекта в условиях эксплуатации, что повышает надежность и эффективность эксплуатации, а также дает возможность эксплуатации технических систем ответственного назначения по техническому состоянию, т. е. к переходу от планово – предупредительной системы ремонта к ремонту по техническому состоянию.

В условиях эксплуатации получение информации о техническом состоянии объекта бывает крайне затруднено, поэтому основной задачей технической диагностики является распознавание вида технического состояния объекта в условиях ограниченной информации.

Теоретическим фундаментом для решения этой задачи являются теория распознавания (образов) и теория контролепригодности. Теория распознавания исследует диагностические модели, алгоритмы распознавания, а также использует методы теории статистических решений. Теория контролепригодности изучает средства и методы получения диагностической информации, методы разработки автоматизированных систем контроля (рис. 1.1).

Существуют два основных подхода к задаче распознавания: вероятностный и детерминистский. При детерминистском подходе области диагнозов не пересекаются ( рис.1.2), т. е. диагностический признак либо встречается при данном диагнозе, либо отсутствует.

Имеются средства технического диагностирования, которые однозначно определяют техническое состояние объекта. К таким устройствам относится детектор юза колес. Неисправности приборов автотормозного оборудования являются причиной заклинивания колесных пар вагонов и возникновения юза, т. е. скольжения колес по рельсам во время движения вместо их вращения. Вследствие юза на поверхности катания колес образуются ползуны или навары, которые во время движения поезда вызывают значительные ударные нагрузки на ходовые части вагона и рельсы, приводящие к их разрушению.

8

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

Для своевременного обнаружения вагонов, у которых колесные пары скользят по рельсам юзом, используют напольный детектор юза колес, установленный в горловине парка отправления сортировочной станции и в местах проверки эффективности действия автотормозов.

D1

D1

D2

Рис. 1.2. Области диагнозов в пространстве признаков: а – пересекающиеся; б – непересекающиеся; х1, х2 – диагностические признаки;

D1, D2 – области диагнозов; о-с – разделяющая линия (функция)

9