НДРС. Техническое диагностирование в локомотивном хозяйстве

• Название: Техническое диагностирование в локомотивном хозяйстве
• Дата: 18.06.2022
• Размер: 1.56 Mb.
• Имя файла: НДРС.docx
• Тип: Документы; #602406
• страница: 1 из 2

НДРС

Тема: Техническое диагностирование в локомотивном хозяйстве

студент 3-Л

Колесник А.В.

доцент

Гущин А.М.

ЗМІСТ

1. 
   Вступление.
   
2. 
   Характеристика средств диагностирования.
   
   1. 
      Задачи и средства диагностирования.
      
   2. 
      Классификация систем технического диагностирования.
      
   3. 
      Алгоритм и информационные характеристики технического диагностирования.
      
3. 
   Характеристика средств диагностирования.
   
   1. 
      Метод экспертов.
      
   2. 
      Математические методы.
      
   3. 
      Вибрационные методы диагностирования.
      
   4. 
      Тепловые методы.
      
   5. 
      Методы спектрального анализа.
      
   6. 
      Оптические методы.
      
   7. 
      Газоаналитический метод.
      
4. 
   Методы неразрушающего контроля.
   
   1. 
      Классификация видов неразрушающего контроля.
      
   2. 
      Сравнение свойств и особенностей различных видов
      

неразрушающего контроля.

5. 
   Локомотив как объект диагностирования.
   

Список литературы

1. 
   Вступление
   

Техническая диагностика — это отрасль знаний, включающих в себя теорию и методы определения технического состояния объекта диагностирования.

Техническая диаг­ностика решает три типа задач. К первому типу относятся задачи оп­ределения состояния объекта в момент его обследования — это уста­новление диагноза. Задачи второго типа направлены на предсказание состояния, в котором объект окажется в некоторый момент времени, — это задачи прогноза. И, наконец, к третьему типу относятся задачи определения состояния, в котором находился объект в некоторый момент в прошлом, — это задачи генеза. Задачи первого типа фор­мально можно отнести к задачам технической диагностики; второго типа — к техническому про­гнозированию; отрасль знания, занимающуюся решением задач третьего типа, можно назвать технической генетикой.

Необходи­мость использования технической генетики возникает чаще всего при расследовании аварий и их причин. К задачам технической прогно­стики относятся такие вопросы, как определение срока службы объ­екта, его остаточного ресурса, периодичности ремонта или осмотра. Решение этих задач связано с установлением возможных или вероят­ных эволюции состояния объекта, начало которых соответствует данному времени. Таким образом, знание технического состояния в настоящий момент времени является обязательным для генеза и про­гноза, поэтому техническая диагностика является основой для техни­ческого прогноза и генетики. Практически все три процесса пред­ставляют собой неразрывное диалектическое единство, выражающее­ся в динамике состояния функционирующего объекта.

Интерес к техническому диагностированию тягового подвижного состава связан с тем, что сложность конструкции, интенсивность экс­плуатации и повышение требования к надежности и безопасности не позволяют интуитивным и ручным способом определить его тех­ническое состояние. И только применение специализированных средств диагностирования дает возможность достоверно определить техническое состояние локомотива.

К основным задачам диагностирования относятся проверка ис­правности объекта, его работоспособности, правильности функцио­нирования и поиск неисправностей. Решение всех этих задач воз­можно только в том случае, когда диагностирование проводится на стадии производства, эксплуатации и ремонта объекта.

2. Характеристика средств диагностирования

2.1. Задачи и средства диагностирования

Создание систем технического диагностирования является состав­ной частью комплекса работ по обеспечению качества функциониро­вания машин и механизмов. Основная цель технического диагности­рования состоит в организации эффективных процессов определения технического состояния тягового подвижного состава. В зависимости от задач диагностирования локомотивов применяют аппаратурные или программные средства, встроенные или внешние технические средства, реализующие разработанный алгоритм диагностирования.

При исследовании, разработке и реализации процессов техниче­ского диагностирования локомотивов решается также задача, связан­ная с разработкой и реализацией процесса управления вообще.

Наря­ду с перечисленными задачами решаются и другие:

• 
  изучение физических свойств объектов и их неисправностей;
  
• 
  по­строение математических моделей объектов и моделей неисправно­стей;
  
• 
  анализ модели объекта с целью получения данных, необходи­мых для построения алгоритмов диагностирования.
  

Следующую группу составляют задачи, связанные с разработкой принципов по­строения, экспериментальным опробованием и промышленным вне­дрением технических средств диагностирования. Классификация ос­новных предметов исследований технической диагностики приведена на рис. 1.



Рис. 1. Структурная схема классификации основных задач технического диагностирования.

Техническая диагностика изучает методы, определяющие действи­тельное состояние технических объектов, в отличие от теории надежности, которая занимается изучением и использованием для рас­четов средневероятностных статистических показателей, характери­зующих технические объекты.

Существуют следующие виды систем технического диагностиро­вания:

• 
  тестовое, при котором сигнал проверки фор­мируется в блоках системы диагностирования и по каналам передачи информации подается на входы объекта диагностирования; при этом тестовые воздействия могут подаваться на основные входы объекта и дополнительные, используемые специально для це­лей диагностирования (рис, 2, а);
  
• 
  функциональное, при котором на основные входы объекта диагностирования поступают рабочие воздействия, со­гласно его рабочему алгоритму функционирования, а сигналы ди­агноза снимаются с объекта, используя контрольные точки (рис. 2, б);
  
• 
  комбинированное, когда используются и те­стовые и рабочие воздействия, особенно в сложных многофункци­ональных объектах, какими являются электровоз и тепловоз.
  

Рис. 2. Структурные схемы систем тестового (а) и функционального (б) диагностирования: БУ — блок управления; ИВ — источник воздействия; ФМ — физическая мо­дель; ИУ — измерительное устройство; УС — устройства связи объекта ди­агностирования ОД с системой диагностирования СД; БРР — блок расшифров­ки результатов диагностирования.

Для реализации алгоритма диагностирования средства диагности­рования должны иметь источники воздействий, измерительные устройства, устройства связи и обработки информации. Целью анализа результатов проверок яв­ляется установление диагноза. В простейшем случае дан­ные диагностирования или их расшифровка представляют собой ре­зультаты сравнения значений сигналов в контрольных точках с за­данными эталонными значениями этих сигналов. Операцию рас­шифровки полученных сигналов можно проводить с использованием вычислительных устройств или автоматизированных схем.

Средства, сопоставляющие информацию об объекте, хранящуюся в его физической модели, с фактическими результатами элементар­ных проверок и вырабатывающие сигнал «Результаты диагностиро­вания», называются блоками расшифровки результатов.

Носителями алгоритмов диагностирования обычно является аппаратура, кон­структивно объединенная с остальной аппаратурой диагностирования (магнитные барабаны, ленты, диски и интегральные микросхемы).

В последнее время в средствах технического диагностирования широко ис­пользуется микропроцессорная техника, в том числе одноплатные и од­нокристальные микро-ЭВМ, которые дают воз­можность обрабатывать данные по довольно сложным алгоритмам, осуществлять операции сравнения полученных данных с эталонными, представлять информацию в более удобной для восприятия форме. Это введение значительно усложнило структуру, но и увеличило технические воз­можности (рост числа каналов, накапливаемых информацию, повышение числа параметров сигналов, поступающих отдатчиков и т.д.).

При построении современной аппаратуры широкое распростра­нение получил магистрально-модульный метод, в соответствии с которым измерительные приборы компонуются из конструктивно за­вершенных и совместимых друг с другом элементов или модулей, в свою очередь, информационно объединяющихся через специальные системы связи (интерфейсы), Значительный объем электронных уст­ройств в системах диагностирования реализуется на больших инте­гральных схемах (БИС), поэтому для обеспечения надежной и безот­казной работы приборов и быстрой локализации дефектных элемен­тов необходимо осуществлять периодическое тестирование (самодиагностирование) этих БИС как автономно, так и в составе аппаратуры диагностирования. В первую очередь это относится к микропроцес­сорам, оперативным и постоянным запоминающим устройствам, опе­рационным усилителям, аналого-цифровым и цифроаналоговым пре­образователям и другим элементам и блокам.

Существенную роль в системах диагностирования играют датчики для получения первичной информации о техническом состоянии узла или детали локомотива.

2.2. Классификация систем технического диагностирования

Под техническим состоянием объекта понимают совокупность свойств объекта, установленных технической документацией и под­верженных изменению в процессе эксплуатации. Процесс определе­ния технического состояния объекта с определенной точностью на­зывается техническим диагностированием. Основная его задача состоит в орга­низации эффективных процессов определения технического состоя­ния различных, особенно сложных, многокомпонентных объектов.

Контроль технического состояния — это определение вида технического состояния. Для оп­ределения вида технического состояния необходимы знание технического состояния, установленного при диагностировании, и на­личие требований, характеризующих исправное или работоспособное состояние путем задания в технической документации номенкла­туры и допустимых значений количественных и качественных свойств объекта. При одном и том же объективно существующем техническом состоянии изделие может быть работоспособным для одних условий эксплуатации и неработоспособным для других. По­этому номенклатура свойств изделия, включаемая в техническую до­кументацию, должна содержать диагностические параметры, доста­точные для проведения тех видов диагностирования, которые тре­буются в условиях эксплуатации для проверки исправного и рабо­тоспособного состояния объекта, его правильного функционирования и поиска неисправностей с заданной глубиной. Последняя определя­ется числом диагностических (контролируемых) параметров, опреде­ляющих надежность изделия. Чем больше контролируемых парамет­ров используется при диагностировании, тем глубже и полнее будет диагностирование.

Полнота технического диагностирования — характеристика, оп­ределяющая возможность выявления отказов (неисправностей) в объ­екте при выбранном методе его диагностирования (контроля). Глуби­на поиска места отказа (неисправности) — характеристика, задава­емая указанием составной части объекта, с точностью до которой оп­ределяется место отказа (неисправности).

К средствам диагностирования относятся аппаратура, различного рода датчики, преобразователи, измерительные и специализиро­ванные приборы, пульты, стенды, вычислительные устройства и др.

Систему диагностирования представляют собой средства, объекты и исполнители, в совокупности необходимые для проведения диагно­стирования по правилам, установленным в технической документа­ции. Система диагностирования должна быть обязательной составной частью системы планово-предупредительного ремонта железнодо­рожного тягового подвижного состава. Системы технического диаг­ностирования предназначаются для решения следующих задач: про­верки исправности; проверки работоспособности; проверки правиль­ного функционирования, поиска дефектов.

Вид системы диагностирования должен выбираться на основании технико-экономических расчетов и технических требований, отра­жающих специфику процесса диагностирования локомотивов в про­цессе производства, эксплуатации и ремонта. Системы технического диагностирования могут быть классифицированы по ряду признаков, определяющих их назначение, задачи, структуру и состав техниче­ских средств.

По степени охвата объекта диагностирования системы техниче­ского диагностирования могут быть локальными и общими. С помо­щью локальных систем решается одна или несколько из вышепере­численных задач. Общие системы технического диагностирования решают все поставленные задачи.

По характеру взаимодействия средств диагностирования с объек­том диагностирования системы подразделяются на системы функ­ционального диагностирования, в которых информация о техничес­ком состоянии объекта поступает в процессе его нормального функ­ционирования, и системы тестового диагностирования, когда ин­формация о техническом состоянии объекта поступает в процессе по­дачи на объект специальных тестовых сигналов.

По используемым средствам различают следующие системы ди­агностирования: с универсальными средствами диагностирования и контроля объектов различных типов: со специализированными сред­ствами (стенды, имитаторы и др.); с внешними средствами, располо­женными на постах диагностирования, (связь с объектом диагнос­тирования осуществляется через стыковочные узлы); со встроенными средствами диагностирования, составляющими единое целое с объ­ектом диагностирования и располагающимися непосредственно на объекте диагностирования.

По степени автоматизации системы диагностирования можно раз­делить на автоматические, в которых обработка и получение ин­формации осуществляются без участия человека по заранее раз­работанной программе, автоматизированные, в которых получение и обработка информации осуществляются с применением средств ав­томатизации и участием человека, ручные (неавтоматизированные), в которых получение и обработка информации осуществляются оператором.

Аналогично классифицируются средства технического диагности­рования (рис. 3).



Рис. 3. Структурная схема классификации средств технического диагностирования.

Системы технического диагностирования должны обеспечивать полное выполнение алгоритма диагностирования: предупреждать постепенные отказы; выявлять неявные отказы; осуществлять поиск неисправных узлов, блоков, сборочных единиц и локализировать ме­сто отказа.

Любой объект, подлежащий техническому диагностированию, обладает определенной структурой и набором диагностических па­раметров, определяющих техническое состояние объекта и способ­ность его к выполнению заданных функций. Под диагностическим параметром понимается параметр, изменение которого приводит либо к физическому отказу, либо к увеличению интенсивности про­цесса накопления повреждений в деталях локомотива. Количество и набор диагностических параметров определяют исходя из заданной глубины диагностирования. Увеличение числа диагностических па­раметров приводит к усложнению средств диагностирования и их удорожанию.

2.3. Алгоритм и информационные характеристики технического диагностирования

Алгоритм технического диагностирования устанавливает состав и порядок проведения элементарных проверок объекта диагности­рования и правила анализа их результатов. Элементарная проверка осуществляется функциональным или тестовым воздействием на объект и полученными диагностическими параметрами, образую­щими ответ на соответствующее воздействие. Алгоритмы разделя­ются на условные и безусловные. К условным алгоритмам относят­ся такие, у которых выбор очередных элементарных проверок оп­ределяется результатами предыдущих элементарных проверок, а к бе­зусловным алгоритмам — такие, у которых порядок выполнения элементарных проверок определен заранее и фиксирован. Иногда безус­ловный алгоритм называют комбинационным или комбинаторным, а условный — последовательным. Все виды алгоритмов диагностиро­вания находят применение в системах тестового диагностирования. В системах функционального диагностирования последовательность реализации элементарных проверок алгоритма диагностирования оп­ределяется рабочим алгоритмом функционирования объекта.

Для построения алгоритма диагностирования технического со­стояния некоторого объекта необходимо иметь описание объекта, принципы его функционирования и поведения в исправном и неис­правном состояниях. Такое формальное описание в аналитической, табличной, векторной, фактической или в другой форме называется .математической .моделью объекта диагностирования.

Математическая модель может быть задана в явном или неявном виде. Явная .модель объекта диагностирования представляет собой совокупность формальных описаний его исправного состояния и всех возможных неисправных состояний. Неявная модель объекта диаг­ностирования содержит, как правило, одно формальное описание объекта и чаще всего исправное его состояние, по которому можно в дальнейшем построить любые модели неисправных модификаций.

Исправный или неисправный объект может быть представлен как динамическая система, состояние которой в любой момент времени определяется значениями входных, внутренних и выходных парамет­ров. При этом следует отметить, что наиболее достоверными будут те параметры, которые получают в динамическом состоянии объекта. В любом сложном объекте можно выделить достаточное количество узлов, которые можно представить как отдельные законченные бло­ки, взаимосвязанные и взаимозависимые между собой. Выход из строя одного блока влияет на работоспособность и техническое со­стояние другого блока.

Построению диагностической модели должны предшествовать различные исследования, в результате которых необходимо выяс­нить структуру объекта, выполняемые функции блоков и объекта в целом, режим работы, состав элементов и связи между ними, нали­чие обратных связей и возможность их разрыва на время диагности­рования, признаки и параметры нормального функционирования,

3. Характеристика методов диагностирования

Для диагностирования технического состояния локомотивов, их систем, узлов и агрегатов используются различные методы. Много­образие методов диагностирования обусловлено в основном двумя причинами; сложностью систем диагностирования, определяемой сложностью структуры локомотивов как объектов диагностирования, большим разнообразием технических задач, вытекающих из требова­ний, предъявляемых к обслуживанию и ремонту локомотивов. Клас­сификация методов диагностирования основывается на признаках, отражающих наиболее существенные отличия между ними. Методы диагностирования (рис. 7) локомотивов различаются в зависимости от комбинации признаков, характеризующих особенности структуры и взаимодействия трех основных частей системы технического диаг­ностирования; объекта диагностирования; системы сбора, преобразо­вания и передачи информации; системы обработки, накопления и отображения результатов диагностирования.

Чаще всего методы диагностирования локомотивов различают в зависимости от физической природы контролируемых процессов и диагностических параметров.

3.1. Метод экспертов

На этапе создания и доводки опытных образцов основным ме­тодом диагностирования сложных изделий является метод экспер­тов. Надежность локомотивов, их долговечность и рентабельность во многом зависят от качества их изготовления, уровня механиза­ции и автоматизации технологического процесса изготовления от­дельных деталей, а также от уровня их обслуживания и ремонта. С этой целью в процессе опытной эксплуатации партии локомотивов проводится анализ дефектов, выясняются причины отказов, условия их появления и влияние их на общее техническое состояние локомо­тивов. Эта работа выполняется экспертно-технической комиссией, которая создается из опытных специалистов, занимающихся разработкой, изготовлением и эксплуатацией локомотивов. После проведенного анализа дефектов и выявления их причин разрабаты­вается методика их устранения. Метод экспертов субъективен, так как не всегда можно получить достоверную информацию о причинах появления дефекта из-за ограниченных человеческих возможно­стей при обработке поступающей информации. Многие дефекты одних деталей способствуют появлению дефектов других деталей локомоти­вов, что вызывает дополнительные субъективные погрешности.

Таким образом, метод экспертов — это анализ рабочих парамет­ров и диагностических признаков, проводимый человеком-экспертом, или измерение их приборами, завершающийся постановкой диагноза. Данным методом пользуются при разработке более совершенных ме­тодов диагностирования, выборе диагностических параметров и раз­работке систем диагностирования, используя при этом автома­тические и микропроцессорные устройства.

3.2. Математические методы

Применяемые в технической диагностике математические методы можно разделить на два больших класса: математическое моде­лирование диагностических процессов и применение различных те­орий (теория распознавания образов, теория множеств и пр.). Наи­более эффективно применение математического моделирования при определении неисправностей в устройствах, содержащих электрон­ные элементы. При диагностировании сложных динамических объек­тов, какими являются локомотивы, использование математического моделирования затруднено из-за сложности определения аналитиче­ских зависимостей, связываю-



Рис. 4. Структурная схема классификации методов диагностирования.

щих внешние признаки и соответствую­щие им неисправности в деталях объекта. Так, для определения де­фектов в дизеле необходимо составить систему дифференциальных уравнений, связывающих внешние признаки с состоянием отдельных деталей и узлов. Тем не менее, использование математического моделирования позволяет расширить возможности диагностирования ло­комотивов благодаря применению микропроцессорной вычисли­тельной техники. Математическое моделирование позволяет сокра­тить и удешевить процесс диагностирования, выбрать наиболее ин­формативные диагностические параметры, проводить накопление информации в аналитической форме для прогнозирования техни­ческого состояния объекта.

При построении систем диагностирования большое распростра­нение получили табличные алгоритмы (или матричные), особенно если объект диагностирования имеет небольшой набор диагности­ческих параметров. Чаще всего они применяются для предварительного диагноза, так как устройства диагностирования могут работать только по жесткой программе — детерминистской ло­гике. Ее простота во многих случаях не позво­ляет поставить достоверный диагноз, так как необходимым условием является полное совпадение диагностических параметров, при несо­блюдении которого могут появиться признаки, отсутствующие в мат­рице. Табличные алгоритмы легко можно реализовать на релейных элементах, диодных матрицах или микропроцессорных устройствах.

Аналитические модели позволяют решать оптимизационные за­дачи и получать соотношения между состояниями объекта, диагно­стическими параметрами и показателями качества в аналитическом виде. Аналитическими моделями являются различные функции, свя­зывающие между собой внешние и внутренние параметры элементов системы и выходные параметры. Решая функциональные уравнения зависимостей с помощью микропроцессорных устройств, можно выявить техниче­ское состояние объекта в произвольный промежуток времени с уче­том изменения внешних и внутренних параметров.

При разработке математической диагностической модели необхо­димо учитывать вероятность появления отказов и законы распределе­ния отказов по времени работы или по пробегу локомотивов. Для этого используют вероятностные ал­горитмы, основанные на вероятности возникновения определенных дефектов при наличии определенных диагностических параметров.

Таким образом, существует возможность формализовать логи­ческий процесс анализа дефектов при несовпадении всех диагности­ческих параметров по вероятностному алгоритму.

Метод граф-моделей основан на использовании теорий отноше­ний и теории графов. Применение этого метода позволяет значи­тельно сократить объем вычислений при достаточной точности ре­шения. Задачу технической диагностики, связанную с построением программы поиска неисправностей и контроля работоспособности, можно отнести к задачам математического программирования. Од­ним из вариантов решения задач математического программирования является метод «ветвей и границ». Преимущество данного метода за­ключается в том, что для него не требуется точных количественных соотношений между параметрами. Топологическая модель позволяет описать работу сложного объекта в целом и дает возможность легко­го построения модели в случае конструктивных изменений в объекте.

Для решения логических задач технического диагностирования иногда наиболее эффективной оказывается теория распознавания об­разов. Под термином «образ» подразумевается совокупность воспри­нимаемых параметров объекта или явлений, принадлежащих одному классу. Параметры образа могут изменяться тогда, как образ будет относиться к одному и тому же классу. Задача теории состоит в том, чтобы построить узнающую систему, которая бы по описанию произ­вольного объекта из начального множества устанавливается при­надлежность к соответствующему классу. Техническую диагностику можно считать частным случаем теории распознавания образов, со­гласно которой сначала устанавливаются варианты различаемых со­стояний, а затем выбирают такие признаки, по которым можно су­дить о том, какой из установленных вариантов состояния имеет в данный момент диагностируемый объект.

Частным случаем решения задачи распознавания образов явля­ется задача распознавания размытых множеств. Для этого составляется граф-модель и проводится предварительная минимизация числа точек снятия диагностической информации; определяется значение контролируемых параметров; определяются техническое состояние и значение функ­ций принадлежности к заранее составленному перечню классов со­стояний; определяется класс состояний, соответствующий неизвест­ной входной ситуации, поиском наибольшей степени разделимости классов.

3.3. Вибрационные методы диагностирования

В локомотивном хозяйстве эти методы диагностирования получа­ют широкое распространение, так как не требуют разборки агрегатов и узлов локомотивов. Методы основаны на использовании процессов, возникающих в узлах трения и сопряжения деталей во время рабоче­го режима. Работа этих узлов, как правило, сопровождается шумами и колебаниями, по которым обслуживающий персонал определяет техническое состояние объекта, вслушиваясь в работу каждого узла. Вибрация механизма — его реакция на действие приложенных воз­мущающих сил. Обычно на механизм одновременно воздействует не­сколько различных сил, приводящих его в такое состояние, когда на­рушается равновесие, возникают посторонние шумы, удары, усили­вается вибрация. Причинами неисправностей могут быть максималь­ные перемещения, скорости или ускорения вибрации, максимальные значения деформации, напряжения или усилия. В процессе работы узла неисправность дает о себе знать усиленной вибрацией или коле­баниями. Разным дефектам соответствуют колебания разной частоты.

Существует несколько причин, вызывающих колебания механиз­ма. Одна из них связана с неуравновешенностью движущихся дета­лей. Она вынуждает механизмы колебаться как единое целое отно­сительно положения равновесия. Эти колебания характеризуются низкими частотами, сравнительно большими амплитудами переме­щения и малыми ускорениями. Зависимость частоты вибрации от скоростного режима механизма является характерной чертой этого вида колебаний, позволяющей их легко обнаружить и выделить. Ос­новная частота вибрации механизма равна частоте вращения вала, на котором находится несбалансированная масса. Амплитуда вибрации пропорциональна квадрату угловой скорости вращения вала и зави­сит от массы механизма и жесткости крепления его к основанию.

Второй источник колебаний механизма — соударения его деталей, вызванные увеличенными зазорами. Эти колебания характеризуются более высокими частотами, малыми амплитудами смещения и значи­тельными ускорениями.

Появление отклонений в работе узлов и механизмов приводит к изменению периодичности колебаний. Они становятся иногда не­предсказуемыми и имеют случайные величины. Для получения пол­ных характеристик таких колебаний необходимо вести постоянное наблюдение с последующими записями информации и результатов ее обработки. Имея набор различных колебаний в узле, можно с по­мо­щью датчиков виброколебаний определить степень износа той или иной детали. Для определения технического состояния раньше ис­пользовался стетоскоп или простая палочка, один конец которой при­ставляли к корпусу узла, а другой брали в зубы, получая при этом до­вольно точную информацию. С помощью современных виб­родатчиков с элементами электроники и микропроцессорными уст­ройствами можно получать более глубокую и достоверную инфор­мацию за небольшой про­межуток времени.

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.

Жесткие эндоскопы имеют цилиндрическую конструкцию, внут­ри которой расположены линзы и механизм настройки. Основой гибких эндоскопов являются светопроводящие волокна, из которых формируются световодные жгуты. Обычный волоконно-оп­тический эндоскоп состоит из источника света; двух световодных жгутов, один из которых предназначен для передачи изображения, а другой — для передачи света; окуляра и микрообъектива, соеди­ненного с торцом световодного жгута. В локомотивных депо нашли применение жесткие линзовые эндоскопы АС-1 и гибкие ОД-20Э, ВОЛЭНД-Т.

3.7. Газоаналитический метод

Метод заключается в определении скорости потока воздуха, его температуры, давления, а также химического состава выхлопных га­зов. Имея эталонные данные рассматриваемых параметров, можно определить техническое состояние дизельных и карбюраторных дви­гателей. Метод нашел применение при диагностировании тепловоз­ных дизелей.

4. Методы неразрушающего контроля

4.1. Классификация видов неразрушающего контроля

Неразрушающий контроль составляет группу методов, объеди­ненных общностью физических явлений, происходящих в процессе оп­ределения технического состояния узла или детали подвижного состава. В настоящее время существует 9 видов неразрушающего контроля;

• 
  магнитный, включающий в себя магнитно-порошковый, маг­нитографический и магнитоферрозондовый методы;
  
• 
  акустический, включающий в себя различные контактные и бес­контактные ультразвуковые методы;
  
• 
  капиллярный, основанный на явлении проникновения специ­альных жидкостей в зону дефекта, включает в себя методы цветной, люминесцентной дефектоскопии, метод меловой пробы и др.;
  
• 
  оптический;
  
• 
  радиографический;
  
• 
  радиоволновой;
  
• 
  электромагнитный (вихретоковый);
  
• 
  метод магнитной памяти.
  

По назначению неразрушающий контроль может подразделяться на несколько типов: дефектоскопия; толщинометрия; структуроскопия; течеискание.

Применение всех видов неразрушающего контроля основано на взаимодействии контролируемого изделия с электромагнитными или акустическими полями и проникающими частицами или веществами. Совокупность методов и средств, позволяющих выявлять дефекты в изделиях без их разрушения, называется дефектоскопией. Для выяв­ления дефектов в проверяемом изделии методами неразрушающего контроля промышленностью выпускаются специальные приборы — дефектоскопы. В определенных случаях при помощи дефектоскопа можно установить не только наличие дефекта, но и определить его координаты, размеры и ориентацию.

Качество неразрушающего контроля оценивается достовернос­тью его методов, которая зависит не только от качества используе­мого оборудования и особенностей физических процессов, но и от человеческого фактора. Для обеспечения достоверности контроля оборудование проходит регулярную проверку в органах метрологического контроля, а операторы-дефектоскописты — периодичес­кую проверку знаний и повышение квалификации.

4.2. Сравнение свойств и особенностей различных видов неразрушающего контроля

Перечисленные виды неразрушающего контроля отличаются большим разнообразием физических принципов и, следовательно, технических средств. Одни из них наиболее просты в применении и выполняются простейшими устройствами. Например, капиллярный контроль относительно легко осваивается и не требует сложных уст­ройств, но не отличается высокой производительностью. Он удобен для обнаружения поверхностных дефектов в объектах с довольно сложной конфигурацией, где применение других методов не дает такого эффекта.

Простотой устройств и легкостью расшифровки отличаются вих­ретоковый, магнитопорошковый методы, которые распространены при обслуживании подвиж­ного состава и в промышленности. Осо­бенно широко распространен ультразвуко­вой эхо-импульсный метод. Глубоко проникающие в металл ультразвуко­вые волны по­зволяют обнаруживать не только поверхностные, но и заглубленные дефекты. Относительно простое устройство аппаратуры, высокая производитель­ность кон­троля, возможность ее дальнейшего повыше­ния при автоматизации рас­шифровки результатов с помощью вычис­лительных устройств — все эти достоин­ства обеспе­чили ультразву­ковому методу одно из ведущих мест при дефектоско­пии изделий. Контроль ответственных элементов без полной разборки узлов пред­ставляет собой уникальную возможность применения ультразвуково­го метода на подвижном со­ставе железных дорог. Метод незаменим при дефектоскопировании подступичных частей и шеек осей колес­ных пар в сборе с колесными центрами и кольцами роли­коподшипников, а также валов якорей тяговых электрических дви­гателей в зоне под железным сердечником. Исключение необходи­мости полной разборки этих уз­лов при ремонте увеличивает срок их эксплуатации, дает значи­тельную экономию средств и повышает производительность ремонта подвижного состава.