Выбор параметров для диагностирования гасителей колебаний

В последние годы при техническом обслуживании подвижного состава стремятся к расширению применения технической диагностики. Обязательным условием ее внедрения является знание и возможность регистрации параметров, характеризующих состояние различных узлов и деталей. Так, гидравлические гасители колебаний проходят техническое обслуживание в рамках системы планово-предупредительных ремонтов. Преждевременные их отказы выявляются в ходе плановых осмотров, при этом, как правило, обращают внимание на следы масла и наружные повреждения. Ведутся поиски методов испытания гасителей колебаний непосредственно на подвижном составе, что позволяет перейти к системе их ремонта по техническому состоянию.

Особое значение имеет база данных об их повреждениях, на основе которой разрабатывают методы диагностики.

Основное внимание уделяется разработке фундаментальной базы данных о повреждениях гасителей колебаний, поскольку имелась лишь неполная информация об их видах и объеме. Создается база данных по видам повреждений и характеристикам. Она используется при моделировании характеристик гасителей колебаний вагонов. Моделирование проводится на основе характеристик реальных гасителей, которые затем подготавливаются для экспериментов на катковом стенде и в измерительных поездках.

В ходе этих поездок собирается информация о реальных нагрузках гасителей колебаний (исправных и неисправных), а также данные для проверки разработанного алгоритма бортовой диагностики в условиях реальных колебаний подвижного состава. Получены значения рабочего хода гасителей, скорости перемещения их поршней, а также величины сил, действующих на гасители.

В измерительных поездках учитываются следующие переменные параметры: состояние пути, режимы движения по стрелочным переводам, в тоннелях, по мостам и в кривых, а также проводили экстренное торможение до полной остановки и исследовали режим движения с различными скоростями.

Условия экспериментов на катковом стенде

На стенде проводятся эксперименты с промежуточным вагоном, имевшим исправные и поврежденные гасители колебаний (с повреждениями четырех основных типов). Ходовая часть вагона оснащается различными измерительными устройствами, регистрировавшими параметры при моделируемых возбуждениях пути, которые соответствуют реальным и приводят к срабатыванию гасителя. Полученные сигналы проверяются на пригодность для использования в качестве параметров в системе бортовой диагностики; при этом особый интерес представляют ход гасителя, действующие в нем силы и ускорения элементов его крепления.

При моделировании, выполняющему применительно к промежуточному вагону, ставятся следующие цели:

получить аналитическим путем без обширных измерений первые конкретные данные по видам, числу и размещению на ходовой части датчиков, необходимых для диагностики гасителей колебаний;

определить пригодность выбранного вида возбуждения колебаний подвижного состава (искусственные или естественные) для эффективной диагностики гасителей;

исследовать влияние повреждений гасителей колебаний на динамику движения, а также проверить пороговые значения параметров.

Моделирование выполнялось с учетом реальных сил и перемещений, а также определяемых ими нелинейных силовых и скоростных характеристик.

В целом исследование повреждений гасителей колебаний показывает следующие их характеристики (рис. 1). Установлено, что наряду с классическими дефектами, т.е. слишком высокой или слишком низкой силой F при максимальной скорости перемещения поршня, возникали колебания этой силы в области мертвых точек. Колебания проявлялись в форме уплощения эллипса характеристики и соответствовали увеличению жесткости гасителя при малых перемещениях поршня (в мертвых точках скорость поршня равна нулю).

Рис. 1. Характеристики гасителя колебаний: F - сила; s - перемещение поршня; h - полный ход

Наиболее часто возникающие классифицируемые аномалии характеристик исследованных гасителей колебаний распределялись следующим образом:

повышенные значения силы в мертвых точках в области характеристики, соответствующей сжатию, - 14%;

пониженные силы сжатия при максимальной скорости поршня - 10%;

пониженные силы сжатия при максимальной скорости поршня и повышенные в области мертвых точек на стороне сжатия - 8%;

повышенные силы в области мертвых точек в обеих областях характеристики - 7%.

Результаты экспериментов на катковом стенде

Сигналы (возможные параметры диагностики), полученные при измерениях, оценивались по различным алгоритмам в функции времени и частоты. В первом случае проводились расчеты статистических параметров и разбиение их на классы, во втором - анализ частотных спектров и расчеты передаточной функции. Пригодными для диагностики оказались лишь некоторые из алгоритмов оценки. Так, разбиением результатов измерения на классы оценивали силы в гасителях колебаний (рис. 2). Различия в распределении значений, соответствующих четырем состояниям гасителей (одно исправное и три с наличием разных дефектов), таковы, что позволяют с учетом граничных условий эксперимента использовать этот параметр для обнаружения повреждений.

Рис. 2. Процентное распределение средних значений сил в классе Km для исправного гасителя (жирная кривая) и четырех неисправных (тонкие кривые)

Частотные спектры вертикальных ускорений в верхней точке крепления гасителя для тех же четырех его состояний практически одинаковы. Различия наблюдаются лишь в диапазоне частот 10 - 15 Гц. Распознаваемость дефектов гасителей в зависимости от вертикальных ускорений рамы тележки усиливается с повышением скорости движения, что позволяет использовать параметр ускорения для обнаружения повреждений.

Выявлено также, что от места установки гасителя колебаний в тележке результаты измерения параметров зависят мало. Это означает, что при разработке алгоритмов их бортовой диагностики невозможно установить общие пороговые значения параметров, которые могли бы расцениваться как предупреждение о возможном отказе. Для распознавания неисправного гасителя необходимо анализировать тенденции изменения измеряемых параметров каждого из них или находить критерий оценки неисправности на основе сравнения измеренных параметров всех гасителей колебаний.

Следует отметить, что при стендовых испытаниях всегда рассматривалось по одному гасителю для каждого вида неисправностей, и поэтому в настоящее время статистически надежных результатов пока нет.

Результаты измерительных поездок

Выполненные ранее измерительные поездки позволяют получить данные о реальных напряжениях в гасителях колебаний и на их основе определить параметры, необходимые для контроля гасителей при их изготовлении и после ремонта в депо в смонтированном состоянии. Измерениями установлено, что в эксплуатации реальный ход поршня составляет 20 - 25 мм. Это значительно меньше хода, применявшегося при испытаниях и достигавшего 50 мм. По величинам времени и хода рассчитывают скорость поршня. Следует отметить, что при реальных возбуждениях, создаваемых неровностями пути, максимальная скорость поршня (520 мм/с при сжатии и 580 мм/с при растяжении) значительно выше скорости при экспериментах на стенде, где она составляла 100 - 300 мм/с.

Экстремальные нагрузки в виде кратковременных пиков регистрируются на всех оснащенных датчиками гасителях колебаний. Они возникают, главным образом, при проследовании тоннелей, мостов, стрелок и сильнее проявляются при повышении скорости.

Исследования показывают, что реальные напряжения в компонентах гасителей колебаний отличаются от значений, полученных на стационарных испытательных стендах. Отсюда следует, что необходимо внести соответствующие изменения в инструкции по испытаниям на катковых стендах.