Diagnostyka drgań podzespołów lokomotyw kolejowych: kompleksowy przewodnik dla inżynierów napraw

2.3.1.1. Podstawy wibracji: siły oscylacyjne i wibracje w urządzeniach wirujących

Podstawowe zasady drgań mechanicznych

Drgania mechaniczne oznaczają ruch oscylacyjny układów mechanicznych wokół ich pozycji równowagi. Inżynierowie pracujący z komponentami lokomotyw muszą zrozumieć, że drgania manifestują się w trzech podstawowych parametrach: przemieszczeniu, prędkości i przyspieszeniu. Każdy parametr zapewnia unikalny wgląd w stan sprzętu i charakterystykę operacyjną.

Przemieszczenie wibracyjne mierzy rzeczywisty ruch fizyczny komponentu od jego położenia spoczynkowego. Ten parametr okazuje się szczególnie cenny do analizy drgań o niskiej częstotliwości, typowo występujących w nierównowadze maszyn wirujących i problemach z fundamentami. Amplituda przemieszczenia bezpośrednio koreluje ze wzorcami zużycia powierzchni łożysk i elementów sprzęgających.

Prędkość wibracji reprezentuje szybkość zmiany przemieszczenia w czasie. Ten parametr wykazuje wyjątkową wrażliwość na usterki mechaniczne w szerokim zakresie częstotliwości, co czyni go najczęściej używanym parametrem w przemysłowym monitorowaniu drgań. Pomiary prędkości skutecznie wykrywają rozwijające się usterki w przekładniach, łożyskach silników i układach sprzęgających, zanim osiągną one krytyczne etapy.

Przyspieszenie wibracji mierzy szybkość zmiany prędkości w czasie. Pomiary przyspieszenia o wysokiej częstotliwości są doskonałe w wykrywaniu wczesnych defektów łożysk, uszkodzeń zębów przekładni i zjawisk związanych z uderzeniami. Parametr przyspieszenia staje się coraz ważniejszy podczas monitorowania szybkich maszyn pomocniczych i wykrywania obciążeń typu udarowego.

Charakterystyki okresu i częstotliwości

Okres (T) oznacza czas potrzebny na jeden pełny cykl oscylacji, podczas gdy częstotliwość (f) wskazuje liczbę cykli występujących w jednostce czasu. Parametry te stanowią podstawę wszystkich technik analizy drgań stosowanych w diagnostyce lokomotyw.

Komponenty lokomotyw kolejowych działają w różnych zakresach częstotliwości. Częstotliwości obrotowe zestawów kołowych zwykle mieszczą się w zakresie od 5 do 50 Hz podczas normalnej pracy, podczas gdy częstotliwości zazębienia kół zębatych wynoszą od 200 do 2000 Hz w zależności od przełożeń i prędkości obrotowych. Częstotliwości defektów łożysk często ujawniają się w zakresie od 500 do 5000 Hz, co wymaga specjalistycznych technik pomiarowych i metod analizy.

Pomiary drgań absolutnych i względnych

Pomiary drgań absolutnych odnoszą amplitudę drgań do stałego układu współrzędnych, zazwyczaj naziemnego lub bezwładnościowego układu odniesienia. Akcelerometry sejsmiczne i przetworniki prędkości zapewniają pomiary absolutne, wykorzystując wewnętrzne masy bezwładnościowe, które pozostają nieruchome, podczas gdy obudowa czujnika porusza się wraz z monitorowanym elementem.

Pomiary drgań względnych porównują drgania jednego komponentu z innym ruchomym komponentem. Sondy zbliżeniowe zamontowane na obudowach łożysk mierzą drgania wału względem łożyska, dostarczając krytycznych informacji o dynamice wirnika, rozszerzeniu cieplnym i zmianach luzu łożyska.

W zastosowaniach lokomotywowych inżynierowie zazwyczaj stosują pomiary bezwzględne w większości procedur diagnostycznych, ponieważ dostarczają one kompleksowych informacji o ruchu komponentów i mogą wykryć problemy mechaniczne i konstrukcyjne. Pomiary względne stają się niezbędne podczas analizy dużych maszyn obrotowych, w których ruch wału względem łożysk wskazuje na problemy z luzem wewnętrznym lub niestabilność wirnika.

Jednostki miary liniowej i logarytmicznej

Jednostki miary liniowej wyrażają amplitudy drgań w bezpośrednich wielkościach fizycznych, takich jak milimetry (mm) dla przemieszczenia, milimetry na sekundę (mm/s) dla prędkości i metry na sekundę do kwadratu (m/s²) dla przyspieszenia. Jednostki te ułatwiają bezpośrednią korelację ze zjawiskami fizycznymi i zapewniają intuicyjne zrozumienie nasilenia drgań.

Jednostki logarytmiczne, w szczególności decybele (dB), kompresują szerokie zakresy dynamiki do skal, które można zarządzać. Skala decybeli okazuje się szczególnie cenna podczas analizy widm drgań szerokopasmowych, w których zmiany amplitudy obejmują kilka rzędów wielkości. Wiele nowoczesnych analizatorów drgań oferuje zarówno opcje wyświetlania liniowego, jak i logarytmicznego, aby sprostać różnym wymaganiom analizy.

Międzynarodowe normy i ramy regulacyjne

Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) ustanawia globalnie uznawane standardy pomiaru i analizy drgań. Seria ISO 10816 definiuje kryteria nasilenia drgań dla różnych klas maszyn, podczas gdy ISO 13373 dotyczy procedur monitorowania stanu i diagnostyki.

W przypadku zastosowań kolejowych inżynierowie muszą brać pod uwagę konkretne normy dotyczące unikalnych środowisk operacyjnych. Norma ISO 14837-1 zawiera wytyczne dotyczące drgań przenoszonych przez podłoże dla systemów kolejowych, natomiast norma EN 15313 ustanawia specyfikacje zastosowań kolejowych dla konstrukcji ram zestawów kołowych i wózków z uwzględnieniem drgań.

Rosyjskie normy GOST uzupełniają międzynarodowe wymagania o przepisy specyficzne dla regionu. GOST 25275 definiuje procedury pomiaru drgań maszyn wirujących, podczas gdy GOST R 52161 dotyczy wymagań dotyczących testowania drgań taboru kolejowego.

Klasyfikacje sygnałów wibracyjnych

Wibracje okresowe powtarza identyczne wzorce w regularnych odstępach czasu. Obracające się maszyny generują głównie okresowe sygnatury drgań związane z prędkościami obrotowymi, częstotliwościami zazębienia i przejściami elementów łożyskowych. Te przewidywalne wzorce umożliwiają precyzyjną identyfikację usterek i ocenę ich powagi.

Losowe wibracje wykazuje cechy statystyczne, a nie deterministyczne. Drgania wywołane tarciem, hałas przepływu turbulentnego i interakcja droga/szyna generują losowe składowe drgań, które wymagają technik analizy statystycznej w celu prawidłowej interpretacji.

Drgania przejściowe występuje jako zdarzenia izolowane o skończonym czasie trwania. Obciążenia udarowe, zazębienie kół zębatych i uderzenia elementów łożyskowych wytwarzają przejściowe sygnatury drgań, które wymagają specjalistycznych technik analizy, takich jak uśrednianie synchroniczne w czasie i analiza obwiedni.

Deskryptory amplitudy drgań

Inżynierowie wykorzystują różne deskryptory amplitudy, aby skutecznie charakteryzować sygnały drgań. Każdy deskryptor zapewnia unikalny wgląd w charakterystykę drgań i wzorce rozwoju błędów.

Amplituda szczytowa reprezentuje maksymalną wartość chwilową występującą w okresie pomiaru. Ten parametr skutecznie identyfikuje zdarzenia typu uderzeniowego i obciążenia udarowe, ale może nie odzwierciedlać dokładnie ciągłych poziomów drgań.

Średnia kwadratowa amplitudy (RMS) zapewnia efektywną zawartość energii sygnału wibracji. Wartości RMS dobrze korelują ze współczynnikami zużycia maszyny i rozpraszaniem energii, co czyni ten parametr idealnym do analizy trendów i oceny nasilenia.

Średnia amplituda reprezentuje średnią arytmetyczną bezwzględnych wartości amplitudy w okresie pomiaru. Ten parametr zapewnia dobrą korelację z wykończeniem powierzchni i charakterystyką zużycia, ale może niedoszacować okresowych sygnatur usterek.

Amplituda szczytowa mierzy całkowite przesunięcie między maksymalnymi dodatnimi i ujemnymi wartościami amplitudy. Ten parametr okazuje się cenny przy ocenie problemów związanych z luzem i identyfikacji luzów mechanicznych.

Współczynnik szczytu reprezentuje stosunek amplitudy szczytowej do amplitudy RMS, dając wgląd w charakterystykę sygnału. Niskie współczynniki szczytu (1,4-2,0) wskazują na przeważające drgania sinusoidalne, podczas gdy wysokie współczynniki szczytu (>4,0) sugerują impulsywne lub udarowe zachowanie charakterystyczne dla rozwijających się usterek łożysk.

Technologie czujników drgań i metody instalacji

Akcelerometry stanowią najbardziej wszechstronne czujniki drgań do zastosowań w lokomotywach. Akcelerometry piezoelektryczne generują ładunek elektryczny proporcjonalny do zastosowanego przyspieszenia, oferując doskonałą odpowiedź częstotliwościową od 2 Hz do 10 kHz przy minimalnym zniekształceniu fazy. Czujniki te wykazują wyjątkową trwałość w trudnych warunkach kolejowych, zachowując jednocześnie wysoką czułość i niskie charakterystyki szumów.

Przetworniki prędkości wykorzystują zasady indukcji elektromagnetycznej do generowania sygnałów napięciowych proporcjonalnych do prędkości drgań. Czujniki te sprawdzają się w zastosowaniach o niskiej częstotliwości (0,5–1000 Hz) i zapewniają lepsze stosunki sygnału do szumu w zastosowaniach monitorowania maszyn. Jednak ich większy rozmiar i wrażliwość na temperaturę mogą ograniczać opcje instalacji na kompaktowych komponentach lokomotyw.

Sondy zbliżeniowe wykorzystują zasady prądów wirowych do pomiaru względnego przemieszczenia między czujnikiem a powierzchnią docelową. Czujniki te okazują się nieocenione w monitorowaniu drgań wału i ocenie luzu łożysk, ale wymagają starannych procedur instalacji i kalibracji.

Prawidłowa instalacja czujnika znacząco wpływa na dokładność i niezawodność pomiaru. Inżynierowie muszą zapewnić sztywne połączenie mechaniczne między czujnikiem a monitorowanym komponentem, aby uniknąć efektów rezonansu i zniekształceń sygnału. Gwintowane kołki zapewniają optymalny montaż w przypadku stałych instalacji, podczas gdy podstawy magnetyczne oferują wygodę w przypadku okresowych pomiarów na powierzchniach ferromagnetycznych.

Początki wibracji urządzeń obrotowych

Źródła drgań mechanicznych wynikają z nierównowagi masy, rozbieżności, luzów i zużycia. Niewyważone elementy obrotowe generują siły odśrodkowe proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej, tworząc drgania o częstotliwości obrotowej i jej harmonicznych. Niewyrównanie między sprzężonymi wałami powoduje promieniowe i osiowe składowe drgań o częstotliwości obrotowej i dwukrotności częstotliwości obrotowej.

Źródła drgań elektromagnetycznych pochodzą ze zmian siły magnetycznej w silnikach elektrycznych. Mimośrodowość szczeliny powietrznej, wady prętów wirnika i wady uzwojenia stojana tworzą siły elektromagnetyczne, które modulują częstotliwość linii i jej harmoniczne. Siły te oddziałują z rezonansami mechanicznymi, tworząc złożone sygnatury drgań wymagające zaawansowanych technik analizy.

Źródła drgań aerodynamicznych i hydrodynamicznych wynikają z interakcji przepływu cieczy z obracającymi się elementami. Przejście łopatki wentylatora, interakcje łopatki pompy i rozdzielenie przepływu turbulentnego generują drgania przy częstotliwościach przejścia łopatki/łopatki i ich harmonicznych. Źródła te stają się szczególnie istotne w maszynach pomocniczych pracujących z dużymi prędkościami i ze znacznymi wymaganiami dotyczącymi obsługi cieczy.

2.3.1.2. Układy lokomotywowe: WMB, WGB, AM i ich komponenty jako układy oscylacyjne

Klasyfikacja urządzeń obrotowych w zastosowaniach lokomotywowych

Sprzęt obrotowy lokomotywy obejmuje trzy główne kategorie, z których każda prezentuje unikalne charakterystyki drgań i wyzwania diagnostyczne. Bloki zestawów kołowych i silników (WMB) integrują silniki trakcyjne bezpośrednio z zestawami kołowymi napędowymi, tworząc złożone układy dynamiczne podlegające zarówno siłom wzbudzenia elektrycznego, jak i mechanicznego. Bloki zestawów kołowych i przekładni (WGB) wykorzystują pośrednie układy redukcji przekładni między silnikami i zestawami kołowymi, wprowadzając dodatkowe źródła drgań poprzez interakcje zazębienia przekładni. Maszyny pomocnicze (AM) obejmują wentylatory chłodzące, sprężarki powietrza, pompy hydrauliczne i inny sprzęt pomocniczy działający niezależnie od głównych układów trakcyjnych.

Te systemy mechaniczne wykazują oscylacyjne zachowanie regulowane przez podstawowe zasady dynamiki i teorii drgań. Każdy komponent posiada częstotliwości naturalne określone przez rozkład masy, charakterystyki sztywności i warunki brzegowe. Zrozumienie tych częstotliwości naturalnych staje się krytyczne dla uniknięcia warunków rezonansowych, które mogą prowadzić do nadmiernych amplitud drgań i przyspieszonego zużycia komponentów.

Klasyfikacje układów oscylacyjnych

Wolne drgania występują, gdy układy drgają z częstotliwościami naturalnymi po początkowym zakłóceniu bez ciągłego wymuszania zewnętrznego. W zastosowaniach lokomotywowych swobodne oscylacje ujawniają się podczas przejściowych rozruchów i wyłączeń, gdy prędkości obrotowe przechodzą przez częstotliwości naturalne. Te warunki przejściowe dostarczają cennych informacji diagnostycznych na temat sztywności układu i charakterystyk tłumienia.

Wymuszone drgania wynikają z ciągłych okresowych sił wzbudzenia działających na układy mechaniczne. Obrotowe niewyważenia, siły zazębienia i wzbudzenie elektromagnetyczne tworzą wymuszone drgania o określonych częstotliwościach związanych z prędkościami obrotowymi i geometrią układu. Amplitudy wymuszonych drgań zależą od relacji między częstotliwością wzbudzenia a naturalnymi częstotliwościami układu.

Oscylacje parametryczne powstają, gdy parametry systemu zmieniają się okresowo w czasie. Zmienna w czasie sztywność styku zazębienia, zmiany luzu łożysk i fluktuacje strumienia magnetycznego powodują wzbudzenie parametryczne, które może prowadzić do niestabilnego wzrostu drgań nawet bez bezpośredniego wymuszania.

Drgania samowzbudne (auto-drgania) rozwijają się, gdy mechanizmy rozpraszania energii w systemie stają się ujemne, co prowadzi do stałego wzrostu wibracji bez zewnętrznego okresowego wymuszania. Zachowanie stick-slip wywołane tarciem, trzepotanie aerodynamiczne i pewne niestabilności elektromagnetyczne mogą powodować samowzbudne wibracje wymagające aktywnej kontroli lub modyfikacji konstrukcyjnych w celu ich złagodzenia.

Określanie częstotliwości naturalnej i zjawisk rezonansowych

Częstotliwości naturalne reprezentują wrodzone charakterystyki drgań układów mechanicznych niezależne od zewnętrznego wzbudzenia. Częstotliwości te zależą wyłącznie od rozkładu masy układu i właściwości sztywności. W przypadku prostych układów o jednym stopniu swobody obliczenia częstotliwości naturalnej są zgodne z dobrze ugruntowanymi wzorami odnoszącymi się do parametrów masy i sztywności.

Złożone komponenty lokomotywy wykazują wiele częstotliwości naturalnych odpowiadających różnym trybom drgań. Tryby zginania, tryby skrętne i tryby sprzężone posiadają odrębne charakterystyki częstotliwości i wzorce przestrzenne. Techniki analizy modalnej pomagają inżynierom identyfikować te częstotliwości i powiązane kształty trybów w celu skutecznej kontroli drgań.

Rezonans występuje, gdy częstotliwości wzbudzenia pokrywają się z częstotliwościami naturalnymi, co skutkuje dramatycznie wzmocnionymi odpowiedziami drgań. Współczynnik wzmocnienia zależy od tłumienia układu, przy czym lekko tłumione układy wykazują znacznie wyższe szczyty rezonansowe niż układy silnie tłumione. Inżynierowie muszą zapewnić, aby prędkości robocze unikały krytycznych warunków rezonansowych lub zapewnić odpowiednie tłumienie w celu ograniczenia amplitud drgań.

Mechanizmy tłumiące i ich skutki

Tłumienie reprezentuje mechanizmy rozpraszania energii, które ograniczają wzrost amplitudy drgań i zapewniają stabilność systemu. Różne źródła tłumienia przyczyniają się do ogólnego zachowania systemu, w tym tłumienie wewnętrzne materiału, tłumienie tarcia i tłumienie płynów ze środków smarnych i otaczającego powietrza.

Tłumienie materiału powstaje w wyniku tarcia wewnętrznego w materiałach składowych podczas cyklicznego obciążenia naprężeniowego. Ten mechanizm tłumienia okazuje się szczególnie istotny w elementach żeliwnych, gumowych elementach montażowych i materiałach kompozytowych stosowanych w nowoczesnej konstrukcji lokomotyw.

Tłumienie tarcia występuje na powierzchniach styku między komponentami, w tym na powierzchniach łożyskowych, połączeniach śrubowych i zespołach pasowanych skurczowo. Podczas gdy tłumienie tarcia może zapewnić korzystną kontrolę drgań, może również wprowadzać efekty nieliniowe i nieprzewidywalne zachowanie przy zmiennych warunkach obciążenia.

Tłumienie płynne wynika z sił lepkich w filmach smarnych, układach hydraulicznych i oddziaływaniach aerodynamicznych. Tłumienie filmu olejowego w łożyskach ślizgowych zapewnia krytyczną stabilność dla szybkoobrotowych maszyn, podczas gdy tłumiki lepkościowe mogą być celowo włączane do kontroli drgań.

Klasyfikacje siły wzbudzenia

Siły odśrodkowe powstają z nierównowagi masy w obracających się elementach, tworząc siły proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej. Siły te działają promieniowo na zewnątrz i obracają się wraz z elementem, generując drgania o częstotliwości obrotowej. Wielkość siły odśrodkowej szybko wzrasta wraz z prędkością, co sprawia, że precyzyjne wyważenie jest krytyczne dla pracy przy dużej prędkości.

Siły kinematyczne wynikają z ograniczeń geometrycznych, które narzucają nierównomierny ruch elementom układu. Mechanizmy posuwisto-zwrotne, popychacze krzywkowe i układy przekładniowe z błędami profilu generują siły wzbudzenia kinematycznego. Siły te zazwyczaj wykazują złożoną zawartość częstotliwościową związaną z geometrią układu i prędkościami obrotowymi.

Siły uderzeniowe wynikają z nagłych obciążeń lub kolizji między komponentami. Zazębienie zębów przekładni, toczenie się elementów łożyskowych po defektach powierzchni oraz interakcje koło-szyna tworzą siły uderzeniowe charakteryzujące się szeroką częstotliwością i wysokimi współczynnikami szczytu. Siły uderzeniowe wymagają specjalistycznych technik analizy w celu właściwej charakterystyki.

Siły tarcia powstają w wyniku ślizgowego kontaktu między powierzchniami z ruchem względnym. Zastosowania hamulców, ślizganie się łożysk i pełzanie koła-szyny generują siły tarcia, które mogą wykazywać zachowanie stick-slip, prowadzące do samowzbudnych wibracji. Charakterystyka siły tarcia zależy w dużym stopniu od stanu powierzchni, smarowania i normalnego obciążenia.

Siły elektromagnetyczne pochodzą z oddziaływań pola magnetycznego w silnikach elektrycznych i generatorach. Radialne siły elektromagnetyczne wynikają ze zmian szczeliny powietrznej, geometrii biegunów i asymetrii rozkładu prądu. Siły te powodują drgania przy częstotliwości linii, częstotliwości przejścia szczeliny i ich kombinacjach.

Właściwości układu zależne od częstotliwości

Układy mechaniczne wykazują zależne od częstotliwości charakterystyki dynamiczne, które znacząco wpływają na transmisję i wzmocnienie drgań. Sztywność układu, tłumienie i właściwości bezwładnościowe łączą się, tworząc złożone funkcje odpowiedzi częstotliwościowej opisujące amplitudę drgań i zależności fazowe między wzbudzeniem wejściowym a odpowiedzią układu.

Przy częstotliwościach znacznie poniżej pierwszej częstotliwości naturalnej układy zachowują się quasi-statycznie z amplitudami drgań proporcjonalnymi do amplitud siły wzbudzenia. Wzmocnienie dynamiczne pozostaje minimalne, a relacje fazowe pozostają niemal zerowe.

W pobliżu częstotliwości naturalnych, dynamiczne wzmocnienie może osiągnąć wartości 10-100 razy większe od statycznego odchylenia, w zależności od poziomów tłumienia. Relacje fazowe szybko zmieniają się o 90 stopni przy rezonansie, zapewniając wyraźną identyfikację lokalizacji częstotliwości naturalnych.

Przy częstotliwościach znacznie przekraczających częstotliwości naturalne, efekty bezwładnościowe dominują w zachowaniu systemu, powodując zmniejszanie się amplitud drgań wraz ze wzrostem częstotliwości. Tłumienie drgań o wysokiej częstotliwości zapewnia naturalne filtrowanie, które pomaga izolować wrażliwe komponenty od zakłóceń o wysokiej częstotliwości.

Systemy parametrów skupionych i rozproszonych

Bloki Wheelset-Motor można modelować jako skupione układy parametrów podczas analizy trybów drgań o niskiej częstotliwości, w których wymiary komponentów pozostają małe w porównaniu z długościami fal drgań. To podejście upraszcza analizę, przedstawiając rozproszone właściwości masy i sztywności jako dyskretne elementy połączone bezmasowymi sprężynami i sztywnymi ogniwami.

Modele parametrów skupionych okazują się skuteczne w analizie nierównowagi wirnika, efektów sztywności podpór łożyskowych i dynamiki sprzężeń niskiej częstotliwości między elementami silnika i zestawu kołowego. Modele te ułatwiają szybką analizę i zapewniają jasny wgląd fizyczny w zachowanie systemu.

Modele rozproszonych parametrów stają się konieczne podczas analizy trybów drgań o wysokiej częstotliwości, w których wymiary komponentów zbliżają się do długości fal drgań. Tryby zginania wału, elastyczność zębów przekładni i rezonanse akustyczne wymagają rozproszonego przetwarzania parametrów w celu dokładnej prognozy.

Modele parametrów rozproszonych uwzględniają efekty propagacji fal, lokalne kształty modów i zachowania zależne od częstotliwości, których nie mogą uchwycić modele parametrów skupionych. Modele te zazwyczaj wymagają technik rozwiązań numerycznych, ale zapewniają pełniejszą charakterystykę systemu.

2.3.1.3. Właściwości i charakterystyki drgań niskiej, średniej i wysokiej częstotliwości oraz drgań ultradźwiękowych w WMB, WGB i AM

Klasyfikacje pasm częstotliwości i ich znaczenie

Analiza częstotliwości drgań wymaga systematycznej klasyfikacji pasm częstotliwości w celu optymalizacji procedur diagnostycznych i wyboru sprzętu. Każde pasmo częstotliwości dostarcza unikalnych informacji o określonych zjawiskach mechanicznych i etapach rozwoju usterek.

Wibracje o niskiej częstotliwości (1-200 Hz) pochodzi głównie z nierównowagi maszyn wirujących, niewspółosiowości i rezonansów strukturalnych. Ten zakres częstotliwości obejmuje podstawowe częstotliwości obrotowe i ich harmoniczne niskiego rzędu, dostarczając istotnych informacji o stanie mechanicznym i stabilności operacyjnej.

Wibracje o średniej częstotliwości (200-2000 Hz) obejmuje częstotliwości zazębienia, harmoniczne wzbudzenia elektromagnetycznego i rezonanse mechaniczne głównych elementów konstrukcyjnych. Ten zakres częstotliwości okazuje się krytyczny dla diagnozowania zużycia zębów kół zębatych, problemów elektromagnetycznych silnika i pogorszenia się sprzęgła.

Wibracje o wysokiej częstotliwości (2000-20000 Hz) ujawnia sygnatury defektów łożysk, siły uderzeniowe zębów przekładni i harmoniczne elektromagnetyczne wyższego rzędu. Ten zakres częstotliwości zapewnia wczesne ostrzeżenie o rozwijających się defektach, zanim ujawnią się one w pasmach niższych częstotliwości.

Wibracje ultradźwiękowe (20000+ Hz) wychwytuje początkowe wady łożysk, rozpad filmu smarnego i zjawiska związane z tarciem. Pomiary ultradźwiękowe wymagają specjalistycznych czujników i technik analizy, ale zapewniają najwcześniejsze możliwe możliwości wykrywania usterek.

Analiza drgań o niskiej częstotliwości

Analiza drgań o niskiej częstotliwości koncentruje się na podstawowych częstotliwościach obrotowych i ich harmonicznych do około 10. rzędu. Analiza ta ujawnia podstawowe warunki mechaniczne, w tym niewyważenie masy, niewspółosiowość wału, luzy mechaniczne i problemy z luzem łożysk.

Wibracje częstotliwości obrotowej (1×) wskazują na warunki nierównowagi masy, które tworzą siły odśrodkowe obracające się wraz z wałem. Czysta nierównowaga powoduje wibracje głównie o częstotliwości obrotowej z minimalną zawartością harmoniczną. Amplituda wibracji wzrasta proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej, zapewniając wyraźne wskazanie diagnostyczne.

Dwukrotna częstotliwość drgań obrotowych (2×) zwykle wskazuje na niewspółosiowość między sprzężonymi wałami lub komponentami. Niewspółosiowość kątowa tworzy naprzemienne wzorce naprężeń, które powtarzają się dwa razy na obrót, generując charakterystyczne sygnatury drgań 2×. Równoległe niewspółosiowość może również przyczyniać się do drgań 2× poprzez zmienny rozkład obciążenia.

Wielokrotna zawartość harmoniczna (3×, 4×, 5× itd.) sugeruje luzy mechaniczne, zużyte sprzęgła lub problemy strukturalne. Luzy umożliwiają nieliniową transmisję siły, która generuje bogatą zawartość harmoniczną wykraczającą daleko poza częstotliwości podstawowe. Wzór harmoniczny dostarcza informacji diagnostycznych o lokalizacji i nasileniu luzu.

Charakterystyka drgań średniej częstotliwości

Analiza średniej częstotliwości koncentruje się na częstotliwościach zazębienia i ich wzorcach modulacji. Częstotliwość zazębienia jest równa iloczynowi częstotliwości obrotowej i liczby zębów, tworząc przewidywalne linie widmowe, które ujawniają stan przekładni i rozkład obciążenia.

Zdrowe koła zębate wytwarzają wyraźne drgania przy częstotliwości zazębienia z minimalnymi pasmami bocznymi. Zużycie zębów, pękanie zębów lub nierównomierne obciążenie powoduje modulację amplitudy częstotliwości zazębienia, generując pasma boczne rozmieszczone na częstotliwościach obrotowych zazębiających się kół zębatych.

Drgania elektromagnetyczne w silnikach trakcyjnych manifestują się przede wszystkim w zakresie średnich częstotliwości. Harmoniczne częstotliwości linii, częstotliwości przejścia przez szczeliny i częstotliwości przejścia przez bieguny tworzą charakterystyczne wzorce widmowe, które ujawniają stan silnika i charakterystykę obciążenia.

Częstotliwość przejścia przez szczelinę jest równa iloczynowi częstotliwości obrotowej i liczby szczelin wirnika, generując drgania poprzez zmiany przenikalności magnetycznej, gdy szczeliny wirnika przechodzą przez bieguny stojana. Złamane pręty wirnika lub wady pierścienia końcowego modulują częstotliwość przejścia przez szczelinę, tworząc diagnostyczne pasma boczne.

Analiza drgań o wysokiej częstotliwości

Analiza drgań o wysokiej częstotliwości ma na celu częstotliwości defektów łożysk i harmoniczne zazębienia wyższego rzędu. Łożyska toczne generują charakterystyczne częstotliwości na podstawie geometrii i prędkości obrotowej, zapewniając precyzyjne możliwości diagnostyczne do oceny stanu łożysk.

Częstotliwość przesuwu kulki BPFO (ang. Ball Pass Frequency External race) występuje, gdy elementy toczne przechodzą przez nieruchomy defekt bieżni zewnętrznej. Częstotliwość ta zależy od geometrii łożyska i zwykle mieści się w zakresie od 3 do 8 razy większej od częstotliwości obrotowej dla typowych konstrukcji łożysk.

Częstotliwość przesuwu piłki BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race) wynika z tego, że elementy toczne napotykają wady wewnętrznej bieżni. Ponieważ wewnętrzna bieżnia obraca się wraz z wałem, BPFI zwykle przewyższa BPFO i może wykazywać modulację częstotliwości obrotowej z powodu efektów strefy obciążenia.

Podstawowa częstotliwość pociągu (FTF) reprezentuje częstotliwość obrotową klatki i zwykle jest równa 0,4-0,45 razy częstotliwości obrotowej wału. Wady klatki lub problemy ze smarowaniem mogą generować drgania przy FTF i jego harmonicznych.

Częstotliwość wirowania kuli (BSF) wskazuje na obrót pojedynczego elementu tocznego wokół własnej osi. Częstotliwość ta rzadko pojawia się w widmach drgań, chyba że elementy toczne wykazują wady powierzchni lub nieregularności wymiarowe.

Zastosowania wibracji ultradźwiękowych

Pomiary drgań ultradźwiękowych wykrywają wczesne wady łożysk na tygodnie lub miesiące przed ich ujawnieniem w konwencjonalnej analizie drgań. Kontakt chropowatości powierzchni, mikropęknięcia i rozpad filmu smarnego generują emisje ultradźwiękowe, które poprzedzają mierzalne zmiany częstotliwości wad łożysk.

Techniki analizy obwiedni wydobywają informacje o modulacji amplitudy z częstotliwości nośnych ultradźwiękowych, ujawniając wzorce modulacji niskiej częstotliwości odpowiadające częstotliwościom defektów łożysk. To podejście łączy czułość wysokiej częstotliwości z informacjami diagnostycznymi niskiej częstotliwości.

Pomiary ultradźwiękowe wymagają starannego doboru i montażu czujnika, aby uniknąć zanieczyszczenia sygnału przez zakłócenia elektromagnetyczne i szum mechaniczny. Akcelerometry z odpowiedzią częstotliwościową przekraczającą 50 kHz i odpowiednim kondycjonowaniem sygnału zapewniają niezawodne pomiary ultradźwiękowe.

Pochodzenie drgań mechanicznych i elektromagnetycznych

Źródła drgań mechanicznych wytwarzają szerokopasmowe wzbudzenie o częstotliwości związanej z geometrią i kinematyką komponentów. Siły uderzeniowe z defektów łożysk, zazębienia kół zębatych i luzu mechanicznego generują impulsowe sygnały o bogatej zawartości harmonicznej rozciągającej się na szerokie zakresy częstotliwości.

Źródła drgań elektromagnetycznych wytwarzają dyskretne składowe częstotliwości związane z częstotliwością zasilania elektrycznego i parametrami projektowymi silnika. Częstotliwości te pozostają niezależne od prędkości obrotowych mechanizmów i utrzymują stałe relacje z częstotliwością systemu elektroenergetycznego.

Rozróżnienie mechanicznych i elektromagnetycznych źródeł drgań wymaga starannej analizy zależności częstotliwości i zależności obciążenia. Drgania mechaniczne zazwyczaj zmieniają się wraz z prędkością obrotową i obciążeniem mechanicznym, podczas gdy drgania elektromagnetyczne korelują z obciążeniem elektrycznym i jakością napięcia zasilania.

Charakterystyka uderzeń i wibracji

Drgania uderzeniowe powstają w wyniku nagłych zastosowań siły o bardzo krótkim czasie trwania. Zazębienie zębów przekładni, uderzenia elementów łożyskowych i kontakt koła z szyną generują siły uderzeniowe, które jednocześnie wzbudzają wiele rezonansów strukturalnych.

Zdarzenia uderzeniowe wytwarzają charakterystyczne sygnatury domeny czasu z wysokimi współczynnikami szczytu i szeroką zawartością częstotliwości. Widmo częstotliwości drgań uderzeniowych zależy bardziej od charakterystyk reakcji strukturalnej niż od samego zdarzenia uderzeniowego, co wymaga analizy domeny czasu w celu prawidłowej interpretacji.

Analiza widma odpowiedzi na wstrząsy zapewnia kompleksową charakterystykę odpowiedzi strukturalnej na obciążenie udarowe. Analiza ta ujawnia, które częstotliwości naturalne są wzbudzane przez zdarzenia uderzeniowe i ich względny udział w ogólnych poziomach drgań.

Losowe drgania pochodzące ze źródeł tarcia

Drgania wywołane tarciem wykazują losowe charakterystyki ze względu na stochastyczną naturę zjawisk styku powierzchni. Pisk hamulców, trzeszczenie łożysk i interakcja koło-szyna powodują szerokopasmowe losowe drgania, które wymagają technik analizy statystycznej.

Zachowanie stick-slip w układach ciernych powoduje samowzbudne drgania o złożonej zawartości częstotliwości. Zmiany siły tarcia podczas cykli stick-slip generują subharmoniczne składowe drgań, które mogą pokrywać się z rezonansami strukturalnymi, co prowadzi do wzmocnionych poziomów drgań.

Analiza drgań losowych wykorzystuje funkcje gęstości widmowej mocy i parametry statystyczne, takie jak poziomy RMS i rozkłady prawdopodobieństwa. Techniki te zapewniają ilościową ocenę nasilenia drgań losowych i ich potencjalnego wpływu na trwałość zmęczeniową podzespołów.

2.3.1.4. Cechy konstrukcyjne WMB, WGB, AM i ich wpływ na charakterystykę drgań

Podstawowe konfiguracje WMB, WGB i AM

Producenci lokomotyw stosują różne układy mechaniczne do przekazywania mocy z silników trakcyjnych do zestawów kołowych napędowych. Każda konfiguracja prezentuje unikalne charakterystyki drgań, które bezpośrednio wpływają na podejścia diagnostyczne i wymagania konserwacyjne.

Silniki trakcyjne zawieszone na nosie montowane są bezpośrednio na osiach zestawów kołowych, tworząc sztywne sprzężenie mechaniczne między silnikiem a zestawem kołowym. Taka konfiguracja minimalizuje straty w przenoszeniu mocy, ale poddaje silniki wszystkim drganiom i uderzeniom wywołanym przez tor. Bezpośredni układ montażowy łączy drgania elektromagnetyczne silnika z drganiami mechanicznymi zestawu kołowego, tworząc złożone wzorce widmowe wymagające starannej analizy.

Silniki trakcyjne montowane na ramie wykorzystują elastyczne układy sprzęgające do przenoszenia mocy na zestawy kołowe, jednocześnie izolując silniki od zakłóceń toru. Przeguby uniwersalne, elastyczne sprzęgła lub sprzęgła zębate dostosowują względny ruch między silnikiem a zestawem kołowym, jednocześnie utrzymując zdolność przenoszenia mocy. Taki układ zmniejsza narażenie silnika na drgania, ale wprowadza dodatkowe źródła drgań poprzez dynamikę sprzęgania.

Układy napędowe z przekładnią zębatą wykorzystują pośrednią redukcję biegów między silnikiem a zestawem kołowym w celu optymalizacji charakterystyki pracy silnika. Jednostopniowa redukcja śrubowa zapewnia kompaktową konstrukcję przy umiarkowanym poziomie hałasu, podczas gdy dwustopniowe układy redukcyjne oferują większą elastyczność w wyborze przełożenia, ale zwiększają złożoność i potencjalne źródła drgań.

Mechaniczne układy sprzęgające i przenoszenie drgań

Mechaniczny interfejs między wirnikiem silnika trakcyjnego a zębatką przekładni znacząco wpływa na charakterystykę przenoszenia drgań. Połączenia skurczowe zapewniają sztywne sprzęganie z doskonałą koncentrycznością, ale mogą wprowadzać naprężenia montażowe, które wpływają na jakość wyważenia wirnika.

Połączenia z wpustem umożliwiają rozszerzalność cieplną i upraszczają procedury montażu, ale wprowadzają luz i potencjalne obciążenie udarowe podczas zmiany momentu obrotowego. Zużycie wpustu powoduje dodatkowy luz, który generuje siły udarowe o częstotliwości dwukrotnie większej od częstotliwości obrotowej podczas cykli przyspieszania i zwalniania.

Połączenia wielowypustowe zapewniają doskonałą zdolność przenoszenia momentu obrotowego i dostosowują się do przemieszczenia osiowego, ale wymagają precyzyjnych tolerancji produkcyjnych w celu zminimalizowania generowania wibracji. Zużycie wielowypustów powoduje luz obwodowy, który powoduje złożone wzorce wibracji w zależności od warunków obciążenia.

Elastyczne systemy sprzęgające izolują drgania skrętne, jednocześnie dostosowując się do niewspółosiowości między połączonymi wałami. Sprzęgła elastomerowe zapewniają doskonałą izolację drgań, ale wykazują zależne od temperatury charakterystyki sztywności, które wpływają na lokalizacje częstotliwości naturalnych. Sprzęgła typu zębatego utrzymują stałe właściwości sztywności, ale generują drgania o częstotliwości siatki, które zwiększają ogólną zawartość widmową systemu.

Konfiguracje łożysk osi zestawu kołowego

Łożyska osi zestawów kołowych podtrzymują obciążenia pionowe, boczne i wzdłużne, jednocześnie dostosowując się do rozszerzalności cieplnej i zmian geometrii toru. Łożyska walcowe walcowe sprawnie radzą sobie z obciążeniami promieniowymi, ale wymagają oddzielnych układów łożysk oporowych do podtrzymywania obciążeń osiowych.

Łożyska stożkowe zapewniają łączone obciążenie promieniowe i wzdłużne z lepszymi właściwościami sztywności w porównaniu do łożysk kulkowych. Geometria stożkowa tworzy wrodzone napięcie wstępne, które eliminuje luz wewnętrzny, ale wymaga precyzyjnej regulacji, aby uniknąć nadmiernego obciążenia lub niewystarczającego podparcia.

Dwurzędowe łożyska baryłkowe wytrzymują duże obciążenia promieniowe i umiarkowane obciążenia wzdłużne, zapewniając jednocześnie możliwość samonastawności w celu kompensacji ugięcia wału i niewspółosiowości obudowy. Sferyczna geometria zewnętrznego pierścienia tworzy tłumienie filmu olejowego, które pomaga kontrolować przenoszenie drgań.

Luz wewnętrzny łożyska znacząco wpływa na charakterystykę drgań i rozkład obciążenia. Nadmierny luz umożliwia obciążenie udarowe podczas cykli odwracania obciążenia, generując drgania udarowe o wysokiej częstotliwości. Niewystarczający luz tworzy warunki wstępnego obciążenia, które zwiększają opór toczenia i wytwarzanie ciepła, jednocześnie potencjalnie zmniejszając amplitudę drgań.

Wpływ konstrukcji układu przekładniowego na drgania

Geometria zębów koła zębatego bezpośrednio wpływa na amplitudę drgań częstotliwości zazębienia i zawartość harmoniczną. Profile zębów ewolwentowych z odpowiednimi kątami nacisku i modyfikacjami addendum minimalizują zmiany siły zazębienia i generowanie związanych z tym drgań.

Przekładnie śrubowe zapewniają płynniejszą transmisję mocy w porównaniu z przekładniami zębatymi prostymi ze względu na stopniowe charakterystyki zazębiania zębów. Kąt linii śrubowej tworzy komponenty siły osiowej, które wymagają podparcia łożyska oporowego, ale znacznie zmniejsza amplitudę drgań częstotliwości zazębienia.

Współczynnik styku przekładni określa liczbę zębów jednocześnie zazębiających się podczas transmisji mocy. Wyższe współczynniki styku rozkładają obciążenie na więcej zębów, zmniejszając naprężenie poszczególnych zębów i zmiany siły zazębienia. Współczynniki styku powyżej 1,5 zapewniają znaczną redukcję drgań w porównaniu do niższych współczynników.

Dokładność produkcji kół zębatych wpływa na generowanie drgań poprzez błędy odstępu między zębami, odchylenia profilu i zmiany wykończenia powierzchni. Klasy jakości AGMA określają precyzję produkcji, przy czym wyższe klasy generują niższe poziomy drgań, ale wymagają droższych procesów produkcyjnych.

Rozkład obciążenia na całej szerokości czoła koła zębatego wpływa na lokalne koncentracje naprężeń i generowanie drgań. Koronowane powierzchnie zębów i właściwe ustawienie wału zapewniają równomierny rozkład obciążenia, minimalizując obciążenie krawędzi, które tworzy komponenty drgań o wysokiej częstotliwości.

Układy wałów Cardana w zastosowaniach WGB

Bloki kół zębatych z przekładnią wału Cardana umożliwiają większe odległości rozdzielenia między silnikiem a zestawem kół, zapewniając jednocześnie możliwość elastycznego sprzężenia. Przeguby uniwersalne na każdym końcu wału Cardana tworzą ograniczenia kinematyczne, które generują charakterystyczne wzorce drgań.

Pojedyncza praca przegubu uniwersalnego powoduje zmiany prędkości, które tworzą drgania o częstotliwości dwukrotnie większej od częstotliwości obrotowej wału. Amplituda tych drgań zależy od kąta pracy przegubu, przy czym większe kąty powodują wyższe poziomy drgań zgodnie z dobrze ugruntowanymi zależnościami kinematycznymi.

Podwójne układy przegubów uniwersalnych z odpowiednim fazowaniem eliminują zmiany prędkości pierwszego rzędu, ale wprowadzają efekty wyższego rzędu, które stają się znaczące przy dużych kątach pracy. Przeguby stałoobrotowe zapewniają lepsze charakterystyki wibracji, ale wymagają bardziej złożonych procedur produkcji i konserwacji.

Krytyczne prędkości wału Cardana muszą być dobrze oddzielone od zakresów prędkości roboczych, aby uniknąć wzmocnienia rezonansu. Średnica wału, długość i właściwości materiału określają krytyczne lokalizacje prędkości, co wymaga starannej analizy projektu dla każdego zastosowania.

Charakterystyka drgań w różnych warunkach pracy

Eksploatacja lokomotywy wiąże się z różnymi warunkami pracy, które znacząco wpływają na sygnatury drgań i interpretację diagnostyczną. Testy statyczne z lokomotywami podpartymi na stanowiskach konserwacyjnych eliminują drgania wywołane przez tor i siły oddziaływania koła z szyną, zapewniając kontrolowane warunki dla pomiarów bazowych.

Układy zawieszenia podwozia izolują nadwozie lokomotywy od drgań zestawu kołowego podczas normalnej eksploatacji, ale mogą wprowadzać efekty rezonansowe przy określonych częstotliwościach. Podstawowe częstotliwości drgań własnych zawieszenia zwykle mieszczą się w zakresie od 1 do 3 Hz dla trybów pionowych i od 0,5 do 1,5 Hz dla trybów bocznych, co potencjalnie wpływa na transmisję drgań o niskiej częstotliwości.

Nierówności toru wzbudzają drgania zestawu kołowego w szerokim zakresie częstotliwości w zależności od prędkości pociągu i stanu toru. Złącza szynowe powodują okresowe uderzenia o częstotliwościach określonych przez długość szyny i prędkość pociągu, podczas gdy zmiany szerokości toru generują drgania boczne, które łączą się z trybami polowania zestawu kołowego.

Siły trakcyjne i hamowania wprowadzają dodatkowe obciążenie, które wpływa na rozkład obciążeń łożysk i charakterystykę zazębienia kół zębatych. Wysokie obciążenia trakcyjne zwiększają naprężenia styku zębów kół zębatych i mogą przesuwać strefy obciążenia w łożyskach zestawów kołowych, zmieniając wzorce drgań w porównaniu do warunków bez obciążenia.

Charakterystyka drgań maszyn pomocniczych

Systemy wentylatorów chłodzących wykorzystują różne konstrukcje wirników, które tworzą odrębne sygnatury drgań. Wentylatory odśrodkowe generują drgania o częstotliwości przejścia łopatek, których amplituda zależy od liczby łopatek, prędkości obrotowej i obciążenia aerodynamicznego. Wentylatory osiowe generują podobne częstotliwości przejścia łopatek, ale o innej zawartości harmonicznej ze względu na różnice w przepływie.

Nierównowaga wentylatora powoduje drgania o częstotliwości obrotowej z amplitudą proporcjonalną do kwadratu prędkości, podobnie jak w przypadku innych maszyn obrotowych. Jednak siły aerodynamiczne spowodowane zanieczyszczeniem łopatek, erozją lub uszkodzeniem mogą powodować dodatkowe składowe drgań, które komplikują interpretację diagnostyczną.

Systemy sprężarek powietrza zazwyczaj wykorzystują konstrukcje tłokowe, które generują drgania przy częstotliwości obrotowej wału korbowego i jego harmonicznych. Liczba cylindrów i kolejność zapłonu określają zawartość harmoniczną, przy czym większa liczba cylindrów generalnie zapewnia płynniejszą pracę i niższe poziomy drgań.

Drgania pompy hydraulicznej zależą od typu pompy i warunków pracy. Pompy zębate wytwarzają drgania o częstotliwości zazębienia podobne do układów zębatych, podczas gdy pompy łopatkowe wytwarzają drgania o częstotliwości przejścia łopatki. Pompy o zmiennym wydatku mogą wykazywać złożone wzorce drgań, które zmieniają się w zależności od ustawień wydatku i warunków obciążenia.

Efekty podparcia wału i systemu montażowego

Sztywność obudowy łożyska znacząco wpływa na przenoszenie drgań z obracających się elementów na konstrukcje stacjonarne. Elastyczne obudowy mogą zmniejszyć przenoszenie drgań, ale umożliwiają większy ruch wału, który może mieć wpływ na luzy wewnętrzne i rozkład obciążeń.

Sztywność fundamentu i układy montażowe wpływają na częstotliwości rezonansu strukturalnego i charakterystyki wzmacniania drgań. Miękkie systemy montażowe zapewniają izolację drgań, ale mogą tworzyć rezonanse o niskiej częstotliwości, które wzmacniają drgania wywołane brakiem równowagi.

Sprzęganie wielu wałów za pomocą elastycznych elementów lub zazębień kół zębatych tworzy złożone układy dynamiczne o wielu częstotliwościach naturalnych i kształtach modów. Te sprzężone układy mogą wykazywać częstotliwości dudnień, gdy częstotliwości poszczególnych komponentów nieznacznie się różnią, tworząc wzorce modulacji amplitudy w pomiarach drgań.

2.3.1.5. Sprzęt techniczny i oprogramowanie do monitoringu i diagnostyki drgań

Wymagania dla systemów pomiaru i analizy drgań

Skuteczna diagnostyka drgań podzespołów lokomotyw kolejowych wymaga zaawansowanych możliwości pomiaru i analizy, które odpowiadają na wyjątkowe wyzwania środowisk kolejowych. Nowoczesne systemy analizy drgań muszą zapewniać szeroki zakres dynamiki, wysoką rozdzielczość częstotliwości i solidną pracę w trudnych warunkach środowiskowych, w tym ekstremalne temperatury, zakłócenia elektromagnetyczne i wstrząsy mechaniczne.

Wymagania dotyczące zakresu dynamiki dla zastosowań lokomotywowych zazwyczaj przekraczają 80 dB, aby uchwycić zarówno wczesne usterki o niskiej amplitudzie, jak i drgania robocze o wysokiej amplitudzie. Zakres ten obejmuje pomiary od mikrometrów na sekundę w przypadku wczesnych usterek łożysk do setek milimetrów na sekundę w przypadku poważnych warunków braku równowagi.

Rozdzielczość częstotliwościowa określa zdolność do rozdzielania blisko rozmieszczonych składowych widmowych i identyfikowania wzorców modulacji charakterystycznych dla określonych typów błędów. Szerokość pasma rozdzielczości nie powinna przekraczać 1% najniższej częstotliwości zainteresowania, co wymaga ostrożnego doboru parametrów analizy dla każdej aplikacji pomiarowej.

Stabilność temperatury zapewnia dokładność pomiaru w szerokim zakresie temperatur spotykanym w zastosowaniach lokomotywowych. Systemy pomiarowe muszą utrzymywać dokładność kalibracji w granicach ±5% w zakresie temperatur od -40°C do +70°C, aby dostosować się do sezonowych wahań i efektów nagrzewania się sprzętu.

Wskaźniki stanu łożysk za pomocą wibracji ultradźwiękowych

Analiza drgań ultradźwiękowych umożliwia najwcześniejsze możliwe wykrycie pogorszenia stanu łożysk poprzez monitorowanie emisji o wysokiej częstotliwości z kontaktu chropowatości powierzchni i rozpadu filmu smarnego. Zjawiska te poprzedzają konwencjonalne sygnatury drgań o tygodnie lub miesiące, umożliwiając proaktywne planowanie konserwacji.

Pomiary energii szczytowej kwantyfikują impulsowe emisje ultradźwiękowe za pomocą specjalistycznych filtrów, które podkreślają zdarzenia przejściowe, jednocześnie tłumiąc ustalony szum tła. Technika ta wykorzystuje filtrowanie górnoprzepustowe powyżej 5 kHz, a następnie wykrywanie obwiedni i obliczanie RMS w krótkich oknach czasowych.

Analiza High Frequency Envelope (HFE) wydobywa informacje o modulacji amplitudy z sygnałów nośnych ultradźwiękowych, ujawniając wzorce modulacji niskiej częstotliwości odpowiadające częstotliwościom defektów łożysk. To podejście łączy czułość ultradźwiękową z konwencjonalnymi możliwościami analizy częstotliwości.

Metoda Shock Pulse (SPM) mierzy amplitudy szczytowe przejściowe ultradźwięków za pomocą specjalistycznych przetworników rezonansowych dostrojonych do około 32 kHz. Ta technika zapewnia bezwymiarowe wskaźniki stanu łożysk, które dobrze korelują z powagą uszkodzeń łożysk.

Wskaźniki stanu ultradźwiękowego wymagają starannej kalibracji i trendowania w celu ustalenia wartości bazowych i wskaźników postępu uszkodzeń. Czynniki środowiskowe, w tym temperatura, obciążenie i warunki smarowania, znacząco wpływają na wartości wskaźników, co wymaga kompleksowych baz danych bazowych.

Analiza modulacji drgań o wysokiej częstotliwości

Łożyska toczne generują charakterystyczne wzory modulacji w drganiach o wysokiej częstotliwości z powodu okresowych zmian obciążenia, gdy elementy toczne napotykają defekty bieżni. Te wzory modulacji pojawiają się jako pasma boczne wokół częstotliwości rezonansu strukturalnego i częstotliwości naturalnych łożyska.

Techniki analizy obwiedni pozwalają na wyodrębnienie informacji o modulacji poprzez filtrowanie sygnałów drgań w celu wyizolowania pasm częstotliwości zawierających rezonanse łożysk, zastosowanie wykrywania obwiedni w celu wykrycia zmian amplitudy oraz analizę widma obwiedni w celu zidentyfikowania częstotliwości defektów.

Identyfikacja rezonansu staje się krytyczna dla efektywnej analizy obwiedni, ponieważ wzbudzenie uderzenia łożyska preferencyjnie wzbudza określone rezonanse strukturalne. Testowanie sinusoidy odchylanej lub analiza modalna uderzenia pomaga zidentyfikować optymalne pasma częstotliwości do analizy obwiedni każdej lokalizacji łożyska.

Cyfrowe techniki filtrowania stosowane w analizie obwiedni obejmują filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR), które zapewniają liniowe charakterystyki fazowe i zapobiegają zniekształceniom sygnału, oraz filtry o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (IIR), które oferują strome charakterystyki spadkowe przy zmniejszonych wymaganiach obliczeniowych.

Parametry analizy widma obwiedni znacząco wpływają na czułość i dokładność diagnostyczną. Szerokość pasma filtru powinna obejmować rezonans strukturalny, wykluczając przyległe rezonanse, a długość okna analizy musi zapewniać odpowiednią rozdzielczość częstotliwości, aby oddzielić częstotliwości defektów łożysk i ich harmoniczne.

Kompleksowe systemy monitorowania urządzeń obrotowych

Nowoczesne zakłady konserwacji lokomotyw wykorzystują zintegrowane systemy monitorowania, które łączą wiele technik diagnostycznych, aby zapewnić kompleksową ocenę stanu sprzętu obrotowego. Systemy te integrują analizę drgań z analizą oleju, monitorowaniem termicznym i parametrami wydajności, aby zwiększyć dokładność diagnostyki.

Przenośne analizatory drgań służą jako podstawowe narzędzia diagnostyczne do okresowej oceny stanu podczas zaplanowanych interwałów konserwacji. Przyrządy te zapewniają analizę widmową, przechwytywanie przebiegów czasowych i zautomatyzowane algorytmy wykrywania usterek zoptymalizowane pod kątem zastosowań w lokomotywach.

Trwale zainstalowane systemy monitorowania umożliwiają ciągły nadzór nad krytycznymi komponentami podczas pracy. Systemy te wykorzystują rozproszone sieci czujników, bezprzewodową transmisję danych i zautomatyzowane algorytmy analizy, aby zapewnić ocenę stanu w czasie rzeczywistym i generowanie alarmów.

Możliwości integracji danych łączą informacje z wielu technik diagnostycznych w celu zwiększenia niezawodności wykrywania błędów i zmniejszenia liczby fałszywych alarmów. Algorytmy fuzji ważą wkłady z różnych metod diagnostycznych na podstawie ich skuteczności dla określonych typów błędów i warunków pracy.

Technologie czujników i metody instalacji

Wybór czujnika drgań znacząco wpływa na jakość pomiaru i skuteczność diagnostyczną. Akcelerometry piezoelektryczne zapewniają doskonałą odpowiedź częstotliwościową i czułość dla większości zastosowań lokomotyw, podczas gdy przetworniki prędkości elektromagnetycznej oferują lepszą odpowiedź niskiej częstotliwości dla dużych maszyn obrotowych.

Metody montażu czujników mają decydujący wpływ na dokładność i niezawodność pomiaru. Gwintowane kołki zapewniają optymalne sprzężenie mechaniczne w przypadku stałych instalacji, podczas gdy montaż magnetyczny oferuje wygodę w przypadku okresowych pomiarów na powierzchniach ferromagnetycznych. Montaż klejowy dostosowuje się do powierzchni nieferromagnetycznych, ale wymaga przygotowania powierzchni i czasu utwardzania.

Orientacja czujnika wpływa na czułość pomiaru na różne tryby drgań. Pomiary promieniowe najskuteczniej wykrywają niewyważenie i niewspółosiowość, podczas gdy pomiary osiowe ujawniają problemy z łożyskami oporowymi i niewspółosiowość sprzęgieł. Pomiary styczne dostarczają unikalnych informacji o drganiach skrętnych i dynamice zazębienia kół zębatych.

Ochrona środowiska wymaga starannego rozważenia ekstremalnych temperatur, narażenia na wilgoć i zakłóceń elektromagnetycznych. Uszczelnione akcelerometry ze zintegrowanymi kablami zapewniają wyższą niezawodność w porównaniu z konstrukcjami złączy wymiennych w trudnych warunkach kolejowych.

Kondycjonowanie sygnałów i akwizycja danych

Elektronika kondycjonowania sygnału zapewnia wzbudzenie, wzmocnienie i filtrowanie czujnika niezbędne do dokładnych pomiarów drgań. Obwody wzbudzenia stałego prądu zasilają akcelerometry piezoelektryczne, utrzymując jednocześnie wysoką impedancję wejściową w celu zachowania czułości czujnika.

Filtry antyaliasingowe zapobiegają artefaktom składania częstotliwości podczas konwersji analogowo-cyfrowej poprzez tłumienie składowych sygnału powyżej częstotliwości Nyquista. Filtry te muszą zapewniać odpowiednie tłumienie pasma zaporowego, utrzymując jednocześnie płaską odpowiedź pasma przepustowego, aby zachować wierność sygnału.

Rozdzielczość konwersji analogowo-cyfrowej decyduje o zakresie dynamiki i dokładności pomiaru. 24-bitowa konwersja zapewnia teoretyczny zakres dynamiki 144 dB, co umożliwia pomiar zarówno sygnatur usterek o niskiej amplitudzie, jak i drgań operacyjnych o wysokiej amplitudzie w ramach tej samej akwizycji.

Wybór częstotliwości próbkowania jest zgodny z kryterium Nyquista, wymagającym częstotliwości próbkowania co najmniej dwukrotnie przekraczającej najwyższą częstotliwość zainteresowania. Praktyczne implementacje wykorzystują współczynniki nadpróbkowania od 2,5:1 do 4:1, aby dostosować się do pasm przejściowych filtrów antyaliasingowych i zapewnić elastyczność analizy.

Wybór i orientacja punktu pomiarowego

Skuteczne monitorowanie drgań wymaga systematycznego wyboru lokalizacji pomiarowych, które zapewniają maksymalną czułość na warunki awarii, jednocześnie minimalizując zakłócenia ze strony zewnętrznych źródeł drgań. Punkty pomiarowe powinny znajdować się jak najbliżej podpór łożysk i innych krytycznych ścieżek obciążenia.

Pomiary obudowy łożyska dostarczają bezpośrednich informacji o stanie łożyska i dynamice wewnętrznej. Pomiary promieniowe obudów łożyska najskuteczniej wykrywają niewyważenie, niewspółosiowość i wady łożyska, podczas gdy pomiary osiowe ujawniają problemy z obciążeniem wzdłużnym i sprzęganiem.

Pomiary ramy silnika rejestrują drgania elektromagnetyczne i ogólny stan silnika, ale mogą wykazywać niższą wrażliwość na wady łożysk z powodu tłumienia drgań przez strukturę silnika. Pomiary te uzupełniają pomiary obudowy łożyska w celu kompleksowej oceny silnika.

Pomiary przekładni wykrywają drgania zazębienia i wewnętrzną dynamikę przekładni, ale wymagają starannej interpretacji ze względu na złożone ścieżki przenoszenia drgań i wiele źródeł wzbudzenia. Miejsca pomiaru w pobliżu linii środkowych zazębienia zapewniają maksymalną czułość na problemy związane z zazębieniem.

Wybór trybu pracy do testów diagnostycznych

Skuteczność testów diagnostycznych zależy w dużej mierze od wyboru odpowiednich warunków pracy, które zapewniają optymalne wzbudzenie drgań związanych z usterką, przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa i ochrony sprzętu. Różne tryby pracy ujawniają różne aspekty stanu podzespołów i rozwoju usterki.

Testowanie bez obciążenia eliminuje źródła drgań zależne od obciążenia i zapewnia pomiary bazowe do porównania z warunkami obciążenia. Ten tryb ujawnia najwyraźniej niewyważenie, niewspółosiowość i problemy elektromagnetyczne, jednocześnie minimalizując drgania zazębienia i wpływ obciążenia łożysk.

Testowanie obciążeniowe przy różnych poziomach mocy ujawnia zjawiska zależne od obciążenia, w tym dynamikę zazębienia kół zębatych, efekty rozkładu obciążenia łożysk i wpływy obciążenia elektromagnetycznego. Progresywne obciążenie pomaga odróżnić źródła drgań niezależne od obciążenia od źródeł zależnych od obciążenia.

Testowanie kierunkowe z obrotem do przodu i do tyłu dostarcza dodatkowych informacji diagnostycznych na temat problemów asymetrycznych, takich jak wzory zużycia zębów kół zębatych, zmiany napięcia wstępnego łożysk i charakterystyki zużycia sprzęgła. Niektóre usterki wykazują wrażliwość kierunkową, która pomaga w lokalizacji usterek.

Testowanie przemiatania częstotliwości podczas uruchamiania i wyłączania rejestruje zachowanie drgań w całym zakresie prędkości roboczych, ujawniając warunki rezonansu i zjawiska zależne od prędkości. Pomiary te pomagają zidentyfikować krytyczne prędkości i lokalizacje częstotliwości naturalnych.

Wpływ smarowania na sygnatury diagnostyczne

Stan smarowania znacząco wpływa na sygnatury drgań i interpretację diagnostyczną, szczególnie w zastosowaniach monitorowania łożysk. Świeży smar zapewnia skuteczne tłumienie, które zmniejsza przenoszenie drgań, podczas gdy zanieczyszczony lub zdegradowany smar może wzmacniać sygnatury błędów.

Lepkość smaru zmienia się wraz z temperaturą, co wpływa na dynamikę łożyska i charakterystykę drgań. Zimny smar zwiększa tłumienie lepkościowe i może maskować wczesne defekty łożyska, podczas gdy przegrzany smar zapewnia zmniejszone tłumienie i ochronę.

Zanieczyszczony środek smarny zawierający cząstki zużycia, wodę lub materiały obce tworzy dodatkowe źródła wibracji poprzez kontakt ścierny i turbulencje przepływu. Efekty te mogą przytłoczyć prawdziwe sygnatury błędów i skomplikować interpretację diagnostyczną.

Problemy z układem smarowania, w tym niewystarczający przepływ, wahania ciśnienia i nieregularności dystrybucji, powodują zmienne w czasie warunki obciążenia łożyska, które wpływają na wzorce drgań. Korelacja między działaniem układu smarowania a charakterystyką drgań dostarcza cennych informacji diagnostycznych.

Rozpoznawanie błędów pomiarowych i kontrola jakości

Niezawodna diagnostyka wymaga systematycznej identyfikacji i eliminacji błędów pomiarowych, które mogą prowadzić do błędnych wniosków i niepotrzebnych działań konserwacyjnych. Typowe źródła błędów obejmują problemy z montażem czujnika, zakłócenia elektryczne i niewłaściwe parametry pomiaru.

Weryfikacja montażu czujnika wykorzystuje proste techniki, w tym ręczne testy wzbudzenia, pomiary porównawcze w sąsiednich lokalizacjach i weryfikację odpowiedzi częstotliwościowej przy użyciu znanych źródeł wzbudzenia. Luźne mocowanie zazwyczaj zmniejsza czułość na wysokie częstotliwości i może wprowadzać fałszywe rezonanse.

Wykrywanie zakłóceń elektrycznych obejmuje identyfikację składowych widmowych przy częstotliwości linii (50/60 Hz) i jej harmonicznych, pomiary porównawcze przy odłączonym zasilaniu i ocenę spójności między drganiami a sygnałami elektrycznymi. Prawidłowe uziemienie i ekranowanie eliminują większość źródeł zakłóceń.

Weryfikacja parametrów obejmuje potwierdzenie jednostek pomiarowych, ustawień zakresu częstotliwości i parametrów analizy. Nieprawidłowy wybór parametrów może prowadzić do artefaktów pomiarowych, które naśladują prawdziwe sygnatury błędów.

Zintegrowana architektura systemów diagnostycznych

Nowoczesne zakłady konserwacji lokomotyw wykorzystują zintegrowane systemy diagnostyczne, które łączą wiele technik monitorowania stanu z scentralizowanymi możliwościami zarządzania danymi i analizowania. Systemy te zapewniają kompleksową ocenę sprzętu, jednocześnie zmniejszając wymagania dotyczące ręcznego gromadzenia i analizy danych.

Rozproszone sieci czujników umożliwiają jednoczesne monitorowanie wielu komponentów w całym składzie lokomotywy. Bezprzewodowe węzły czujników zmniejszają złożoność instalacji i wymagania konserwacyjne, zapewniając jednocześnie transmisję danych w czasie rzeczywistym do centralnych systemów przetwarzania.

Zautomatyzowane algorytmy analizy przetwarzają przychodzące strumienie danych w celu identyfikacji rozwijających się problemów i generowania zaleceń dotyczących konserwacji. Techniki uczenia maszynowego dostosowują parametry algorytmu na podstawie danych historycznych i wyników konserwacji w celu poprawy dokładności diagnostyki w czasie.

Integracja baz danych łączy wyniki analizy drgań z historią konserwacji, warunkami pracy i specyfikacjami komponentów, co umożliwia kompleksową ocenę sprzętu i wsparcie planowania konserwacji.

2.3.1.6. Praktyczna implementacja technologii pomiaru drgań

Zapoznanie się z systemem diagnostycznym i jego konfiguracja

Skuteczna diagnostyka drgań zaczyna się od dokładnego zrozumienia możliwości i ograniczeń sprzętu diagnostycznego. Nowoczesne przenośne analizatory integrują wiele funkcji pomiarowych i analitycznych, wymagając systematycznego szkolenia, aby skutecznie wykorzystać wszystkie dostępne funkcje.

Konfiguracja systemu obejmuje ustalenie parametrów pomiarowych odpowiednich dla zastosowań lokomotyw, w tym zakresów częstotliwości, ustawień rozdzielczości i typów analiz. Domyślne konfiguracje rzadko zapewniają optymalną wydajność dla konkretnych zastosowań, co wymaga dostosowania na podstawie charakterystyki komponentów i celów diagnostycznych.

Weryfikacja kalibracji zapewnia dokładność pomiaru i możliwość śledzenia zgodnie z normami krajowymi. Proces ten obejmuje podłączanie precyzyjnych źródeł kalibracji i weryfikację odpowiedzi systemu w pełnym zakresie częstotliwości i amplitudy wykorzystywanych do pomiarów diagnostycznych.

Konfiguracja bazy danych ustala hierarchie sprzętu, definicje punktów pomiarowych i parametry analizy dla każdego monitorowanego komponentu. Prawidłowa organizacja bazy danych ułatwia wydajne zbieranie danych i umożliwia automatyczne porównywanie z historycznymi trendami i limitami alarmowymi.

Rozwój tras i konfiguracja bazy danych

Opracowanie trasy obejmuje systematyczną identyfikację punktów pomiarowych i sekwencji, które zapewniają kompleksowe pokrycie krytycznych komponentów, optymalizując jednocześnie wydajność gromadzenia danych. Efektywne trasy równoważą kompletność diagnostyczną z praktycznymi ograniczeniami czasowymi.

Wybór punktu pomiarowego priorytetowo traktuje lokalizacje zapewniające maksymalną czułość na potencjalne warunki awarii, zapewniając jednocześnie powtarzalne rozmieszczenie czujników i akceptowalny dostęp bezpieczeństwa. Każdy punkt pomiarowy wymaga udokumentowania dokładnej lokalizacji, orientacji czujnika i parametrów pomiaru.

Systemy identyfikacji komponentów umożliwiają zautomatyzowaną organizację i analizę danych poprzez łączenie punktów pomiarowych z określonymi elementami wyposażenia. Hierarchiczna organizacja ułatwia analizę całej floty i porównywanie podobnych komponentów w wielu lokomotywach.

Definicja parametrów analizy ustala zakresy częstotliwości, ustawienia rozdzielczości i opcje przetwarzania odpowiednie dla każdego punktu pomiarowego. Lokalizacje łożysk wymagają możliwości wysokiej częstotliwości z opcjami analizy obwiedni, podczas gdy pomiary równowagi i wyrównania kładą nacisk na wydajność niskiej częstotliwości.

Procedury kontroli wizualnej i przygotowania

Kontrola wizualna dostarcza istotnych informacji o stanie komponentów i potencjalnych komplikacjach pomiaru przed przeprowadzeniem pomiarów drgań. Ta kontrola ujawnia oczywiste problemy, które mogą nie wymagać szczegółowej analizy drgań, jednocześnie identyfikując czynniki, które mogą mieć wpływ na jakość pomiaru.

Kontrola układu smarowania obejmuje weryfikację poziomów smaru, dowodów wycieku i wskaźników zanieczyszczeń. Niewystarczające smarowanie wpływa na charakterystykę drgań i może wskazywać na zbliżające się awarie wymagające natychmiastowej uwagi, niezależnie od poziomu drgań.

Kontrola osprzętu montażowego identyfikuje luźne śruby, uszkodzone komponenty i problemy strukturalne, które mogą mieć wpływ na transmisję drgań lub montaż czujnika. Problemy te mogą wymagać korekty, zanim możliwe staną się wiarygodne pomiary.

Przygotowanie powierzchni do montażu czujnika obejmuje czyszczenie powierzchni pomiarowych, usuwanie farby lub korozji i zapewnienie odpowiedniego połączenia gwintowego dla stałych kołków montażowych. Prawidłowe przygotowanie powierzchni bezpośrednio wpływa na jakość pomiaru i powtarzalność.

Ocena zagrożeń dla środowiska identyfikuje problemy bezpieczeństwa, w tym gorące powierzchnie, maszyny obrotowe, zagrożenia elektryczne i niestabilne konstrukcje. Względy bezpieczeństwa mogą wymagać specjalnych procedur lub sprzętu ochronnego dla personelu pomiarowego.

Ustanowienie trybu pracy komponentu

Pomiary diagnostyczne wymagają ustalenia spójnych warunków pracy, które zapewniają powtarzalne wyniki i optymalną wrażliwość na warunki awarii. Wybór trybu pracy zależy od projektu komponentu, dostępnej aparatury i ograniczeń bezpieczeństwa.

Praca bez obciążenia zapewnia pomiary bazowe przy minimalnych wpływach zewnętrznych obciążenia mechanicznego lub zmian obciążenia elektrycznego. Ten tryb ujawnia najbardziej wyraźnie podstawowe problemy, w tym niewyważenie, rozbieżność i usterki elektromagnetyczne.

Obciążona praca przy określonych poziomach mocy ujawnia zjawiska zależne od obciążenia, które mogą nie występować podczas testowania bez obciążenia. Progresywne ładowanie pomaga identyfikować problemy wrażliwe na obciążenie i ustala relacje ważności dla celów trendowych.

Systemy kontroli prędkości utrzymują stałe prędkości obrotowe podczas akwizycji pomiaru, aby zapewnić stabilność częstotliwości i umożliwić dokładną analizę widmową. Zmiany prędkości podczas pomiaru powodują rozmazanie widmowe, które zmniejsza rozdzielczość analizy i dokładność diagnostyczną.

Ustalenie równowagi termicznej zapewnia, że pomiary odzwierciedlają normalne warunki pracy, a nie przejściowe efekty rozruchu. Większość maszyn obrotowych wymaga 15–30 minut pracy, aby osiągnąć stabilność termiczną i reprezentatywne poziomy drgań.

Pomiar i weryfikacja prędkości obrotowej

Dokładny pomiar prędkości obrotowej dostarcza istotnych informacji referencyjnych do analizy widmowej i obliczeń częstotliwości błędów. Błędy pomiaru prędkości bezpośrednio wpływają na dokładność diagnostyki i mogą prowadzić do nieprawidłowej identyfikacji błędów.

Tachometry optyczne umożliwiają bezkontaktowy pomiar prędkości za pomocą taśmy odblaskowej lub naturalnych cech powierzchni. Przyrządy te oferują wysoką dokładność i bezpieczeństwo, ale wymagają dostępu w linii wzroku i odpowiedniego kontrastu powierzchni dla niezawodnej pracy.

Czujniki magnetyczne wykrywają przejście elementów ferromagnetycznych, takich jak zęby przekładni lub rowki klinowe wału. Czujniki te zapewniają doskonałą dokładność i odporność na zanieczyszczenia, ale wymagają instalacji przetworników i tarcz na obracających się elementach.

Stroboskopowy pomiar prędkości wykorzystuje zsynchronizowane migające światła do tworzenia pozornie nieruchomych obrazów obracających się komponentów. Ta technika zapewnia wizualną weryfikację prędkości obrotowej i umożliwia obserwację dynamicznego zachowania podczas pracy.

Weryfikacja prędkości poprzez analizę widmową obejmuje identyfikację widocznych szczytów widmowych odpowiadających znanym częstotliwościom obrotowym i porównanie z bezpośrednimi pomiarami prędkości. To podejście zapewnia potwierdzenie dokładności pomiaru i pomaga zidentyfikować składowe widmowe związane z prędkością.

Wielopunktowe zbieranie danych o drganiach

Systematyczne zbieranie danych o drganiach odbywa się zgodnie z ustalonymi trasami i sekwencjami pomiarów, aby zapewnić kompleksowe pokrycie przy jednoczesnym zachowaniu jakości i wydajności pomiarów. Procedury zbierania danych muszą uwzględniać różne warunki dostępu i konfiguracje sprzętu.

Powtarzalność umiejscowienia czujnika zapewnia spójność pomiarów pomiędzy kolejnymi sesjami zbierania danych. Stałe kołki montażowe zapewniają optymalną powtarzalność, ale mogą nie być praktyczne dla wszystkich lokalizacji pomiarowych. Tymczasowe metody montażu wymagają starannej dokumentacji i pomocy w pozycjonowaniu.

Rozważania dotyczące czasu pomiaru obejmują odpowiedni czas ustalania się po zainstalowaniu czujnika, wystarczający czas trwania pomiaru dla dokładności statystycznej i koordynację z harmonogramami pracy sprzętu. Pośpieszne pomiary często dają niewiarygodne wyniki, które komplikują interpretację diagnostyczną.

Dokumentacja warunków środowiskowych obejmuje temperaturę otoczenia, wilgotność i poziomy tła akustycznego, które mogą mieć wpływ na jakość pomiaru lub interpretację. Ekstremalne warunki mogą wymagać odroczenia pomiaru lub modyfikacji parametrów.

Ocena jakości w czasie rzeczywistym obejmuje monitorowanie charakterystyk sygnału podczas akwizycji w celu zidentyfikowania problemów pomiarowych przed zakończeniem zbierania danych. Nowoczesne analizatory zapewniają wyświetlacze widmowe i statystyki sygnału, które umożliwiają natychmiastową ocenę jakości.

Monitoring akustyczny i pomiar temperatury

Monitorowanie emisji akustycznej uzupełnia analizę drgań poprzez wykrywanie fal naprężeń o wysokiej częstotliwości generowanych przez rozprzestrzenianie się pęknięć, tarcie i zjawiska uderzeniowe. Pomiary te zapewniają wczesne ostrzeżenie o rozwijających się problemach, które mogą jeszcze nie powodować mierzalnych zmian drgań.

Urządzenia do nasłuchu ultradźwiękowego umożliwiają słyszalne monitorowanie stanu łożysk za pomocą technik zmiany częstotliwości, które zamieniają emisje ultradźwiękowe na słyszalne częstotliwości. Doświadczeni technicy mogą identyfikować charakterystyczne dźwięki związane z określonymi typami usterek.

Pomiary temperatury dostarczają istotnych informacji o stanie cieplnym podzespołu i pomagają w walidacji wyników analizy drgań. Monitorowanie temperatury łożysk ujawnia problemy ze smarowaniem i warunki obciążenia, które wpływają na charakterystykę drgań.

Termografia w podczerwieni umożliwia bezkontaktowy pomiar temperatury i identyfikację wzorców termicznych wskazujących na problemy mechaniczne. Gorące punkty mogą wskazywać na tarcie, niewspółosiowość lub problemy ze smarowaniem wymagające natychmiastowej uwagi.

Analiza trendów temperaturowych połączona z analizą trendów wibracji zapewnia kompleksową ocenę stanu komponentów i szybkości degradacji. Jednoczesne wzrosty temperatury i wibracji często wskazują na przyspieszające procesy zużycia, wymagające natychmiastowych działań konserwacyjnych.

Weryfikacja jakości danych i wykrywanie błędów

Weryfikacja jakości pomiaru obejmuje systematyczną ocenę uzyskanych danych w celu zidentyfikowania potencjalnych błędów lub anomalii, które mogą prowadzić do nieprawidłowych wniosków diagnostycznych. Procedury kontroli jakości należy stosować natychmiast po zebraniu danych, dopóki warunki pomiaru pozostają świeże w pamięci.

Wskaźniki jakości analizy widmowej obejmują odpowiednie poziomy szumów, brak oczywistych artefaktów aliasingu i rozsądną zawartość częstotliwości w stosunku do znanych źródeł wzbudzenia. Szczyty widmowe powinny być zgodne z oczekiwanymi częstotliwościami na podstawie prędkości obrotowych i geometrii komponentów.

Inspekcja przebiegu czasowego ujawnia charakterystyki sygnału, które mogą nie być widoczne w analizie domeny częstotliwości. Przycinanie, przesunięcia DC i okresowe anomalie wskazują na problemy z systemem pomiarowym wymagające korekty przed analizą danych.

Weryfikacja powtarzalności obejmuje zbieranie wielu pomiarów w identycznych warunkach w celu oceny spójności pomiaru. Nadmierna zmienność wskazuje na niestabilne warunki pracy lub problemy z systemem pomiarowym.

Porównanie historyczne zapewnia kontekst do oceny bieżących pomiarów w stosunku do poprzednich danych z tych samych punktów pomiarowych. Nagłe zmiany mogą wskazywać na rzeczywiste problemy ze sprzętem lub błędy pomiarowe wymagające zbadania.

2.3.1.7. Praktyczna ocena stanu łożysk przy użyciu danych z pomiarów pierwotnych

Analiza błędów pomiarowych i walidacja danych

Niezawodna diagnostyka łożysk wymaga systematycznej identyfikacji i eliminacji błędów pomiarowych, które mogą maskować prawdziwe sygnatury usterek lub tworzyć fałszywe wskazania. Analiza błędów rozpoczyna się natychmiast po zebraniu danych, podczas gdy warunki pomiaru i procedury pozostają wyraźne w pamięci.

Walidacja analizy widmowej obejmuje badanie charakterystyk domeny częstotliwości pod kątem zgodności ze znanymi źródłami wzbudzenia i możliwościami systemu pomiarowego. Prawdziwe sygnatury defektów łożysk wykazują określone zależności częstotliwości i wzorce harmoniczne, które odróżniają je od artefaktów pomiarowych.

Analiza domeny czasu ujawnia charakterystyki sygnału, które mogą wskazywać na problemy z pomiarem, w tym obcinanie, zakłócenia elektryczne i zaburzenia mechaniczne. Sygnały defektów łożysk zazwyczaj wykazują charakterystyki impulsowe z wysokimi współczynnikami szczytu i okresowymi wzorcami amplitudy.

Analiza trendów historycznych zapewnia niezbędny kontekst do oceny bieżących pomiarów w odniesieniu do poprzednich danych z identycznych lokalizacji pomiarowych. Stopniowe zmiany wskazują na rzeczywistą degradację sprzętu, podczas gdy nagłe zmiany mogą sugerować błędy pomiaru lub wpływy zewnętrzne.

Weryfikacja międzykanałowa obejmuje porównywanie pomiarów z wielu czujników na tym samym komponencie w celu zidentyfikowania czułości kierunkowej i potwierdzenia obecności usterki. Wady łożysk zazwyczaj wpływają na wiele kierunków pomiaru, utrzymując jednocześnie charakterystyczne relacje częstotliwości.

Ocena czynników środowiskowych uwzględnia wpływy zewnętrzne, w tym zmiany temperatury, zmiany obciążenia i tło akustyczne, które mogą wpływać na jakość pomiaru lub interpretację. Korelacja między warunkami środowiskowymi a charakterystyką drgań dostarcza cennych informacji diagnostycznych.

Weryfikacja prędkości obrotowej poprzez analizę widmową

Dokładne określenie prędkości obrotowej stanowi podstawę dla wszystkich obliczeń częstotliwości uszkodzeń łożysk i interpretacji diagnostycznej. Analiza widmowa oferuje wiele podejść do weryfikacji prędkości, które uzupełniają bezpośrednie pomiary tachometrem.

Identyfikacja częstotliwości podstawowej obejmuje lokalizację szczytów widmowych odpowiadających częstotliwości obrotowej wału, które powinny być widoczne w większości widm maszyn wirujących z powodu resztkowej nierównowagi lub niewielkiego rozbieżności. Częstotliwość podstawowa stanowi odniesienie bazowe dla wszystkich obliczeń częstotliwości harmonicznych i łożysk.

Analiza wzorca harmonicznego bada związek między częstotliwością podstawową a jej harmonicznymi, aby potwierdzić dokładność prędkości i zidentyfikować dodatkowe problemy mechaniczne. Czysta nierównowaga obrotowa powoduje głównie drgania o częstotliwości podstawowej, podczas gdy problemy mechaniczne generują wyższe harmoniczne.

Identyfikacja częstotliwości elektromagnetycznej w zastosowaniach silnikowych ujawnia składowe częstotliwości linii i częstotliwości przejść szczelinowych, które zapewniają niezależną weryfikację prędkości. Częstotliwości te utrzymują stałe relacje z częstotliwością zasilania elektrycznego i parametrami projektowymi silnika.

Identyfikacja częstotliwości zazębienia w układach przekładniowych umożliwia bardzo dokładne określenie prędkości poprzez związek między częstotliwością zazębienia a prędkością obrotową. Częstotliwości zazębienia przekładni zazwyczaj generują widoczne piki widmowe z doskonałym stosunkiem sygnału do szumu.

Ocena zmienności prędkości bada ostrość piku widmowego i strukturę wstęgi bocznej, aby ocenić stabilność prędkości podczas akwizycji pomiaru. Niestabilność prędkości powoduje rozmazanie widmowe i generowanie wstęgi bocznej, co zmniejsza dokładność analizy i może maskować sygnatury defektów łożysk.

Obliczanie i identyfikacja częstotliwości występowania wad łożysk

Obliczenia częstotliwości defektów łożysk wymagają dokładnych danych o geometrii łożyska i precyzyjnych informacji o prędkości obrotowej. Obliczenia te dostarczają teoretycznych częstotliwości, które służą jako szablony do identyfikacji rzeczywistych sygnatur defektów łożysk w zmierzonych widmach.

Częstotliwość przesuwu kulki BPFO (ang. Ball Pass Frequency Outer ring) oznacza częstotliwość, z jaką elementy toczne napotykają wady bieżni zewnętrznej. Częstotliwość ta zwykle waha się od 0,4 do 0,6 razy częstotliwości obrotowej, w zależności od geometrii łożyska i charakterystyki kąta styku.

Częstotliwość przesuwu piłki BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race) wskazuje częstotliwość kontaktu elementów tocznych z defektami bieżni wewnętrznej. BPFI zwykle przekracza BPFO o 20-40% i może wykazywać modulację amplitudy przy częstotliwości obrotowej z powodu efektów strefy obciążenia.

Podstawowa częstotliwość pociągu (FTF) reprezentuje częstotliwość obrotową klatki i zwykle jest równa 0,35-0,45 razy częstotliwości obrotowej wału. Wady klatki lub problemy ze smarowaniem mogą generować drgania przy FTF i jego harmonicznych.

Częstotliwość wirowania kulek (BSF) wskazuje częstotliwość obrotu poszczególnych elementów tocznych i rzadko pojawia się w widmach drgań, chyba że elementy toczne wykazują określone wady lub zmiany wymiarowe. Identyfikacja BSF wymaga starannej analizy ze względu na jej zazwyczaj niską amplitudę.

Rozważania dotyczące tolerancji częstotliwości uwzględniają zmiany produkcyjne, efekty obciążenia i niepewności pomiarowe, które mogą powodować, że rzeczywiste częstotliwości defektów będą się różnić od teoretycznych obliczeń. Szerokość pasma wyszukiwania ±5% wokół obliczonych częstotliwości uwzględnia te zmiany.

Rozpoznawanie wzorców widmowych i identyfikacja błędów

Identyfikacja usterek łożysk wymaga systematycznych technik rozpoznawania wzorców, które odróżniają prawdziwe sygnatury usterek łożysk od innych źródeł drgań. Każdy typ usterki generuje charakterystyczne wzorce widmowe, które umożliwiają konkretną diagnozę po prawidłowej interpretacji.

Sygnatury defektów zewnętrznej bieżni zwykle pojawiają się jako dyskretne piki widmowe w BPFO i jego harmonicznych bez znaczącej modulacji amplitudy. Brak pasm bocznych częstotliwości obrotowych odróżnia defekty zewnętrznej bieżni od problemów z wewnętrzną bieżnią.

Sygnatury defektów w wewnętrznym wyścigu wykazują podstawową częstotliwość BPFI z pasmami bocznymi rozmieszczonymi w odstępach częstotliwości obrotowej. Ta modulacja amplitudy wynika z efektów strefy obciążenia, gdy obszar defektu obraca się w różnych warunkach obciążenia.

Sygnatury defektów elementów tocznych mogą pojawiać się w BSF lub tworzyć modulację innych częstotliwości łożysk. Te defekty często wytwarzają złożone wzorce widmowe, które wymagają starannej analizy w celu odróżnienia ich od defektów bieżni.

Sygnatury defektów klatki zwykle ujawniają się w FTF i jego harmonicznych, często w połączeniu ze zwiększonymi poziomami szumu tła i niestabilnymi charakterystykami amplitudy. Problemy z klatką mogą również modulować inne częstotliwości łożysk.

Implementacja i interpretacja analizy koperty

Analiza obwiedni wydobywa informacje o modulacji amplitudy z drgań o wysokiej częstotliwości, aby ujawnić wzorce defektów łożysk o niskiej częstotliwości. Ta technika okazuje się szczególnie skuteczna w wykrywaniu wczesnych defektów łożysk, które mogą nie powodować mierzalnych drgań o niskiej częstotliwości.

Wybór pasma częstotliwości do analizy obwiedni wymaga identyfikacji rezonansów strukturalnych lub częstotliwości naturalnych łożysk, które są wzbudzane przez siły uderzeniowe łożysk. Optymalne pasma częstotliwości zwykle mieszczą się w zakresie od 1000 do 8000 Hz w zależności od rozmiaru łożyska i charakterystyki montażu.

Parametry projektu filtra znacząco wpływają na wyniki analizy obwiedni. Filtry pasmowo-przepustowe powinny zapewniać odpowiednią szerokość pasma, aby uchwycić charakterystyki rezonansowe, wykluczając jednocześnie sąsiednie rezonanse, które mogą zanieczyścić wyniki. Charakterystyki odchylenia filtra wpływają na odpowiedź przejściową i czułość wykrywania uderzeń.

Interpretacja widma obwiedni opiera się na podobnych zasadach jak konwencjonalna analiza widmowa, ale koncentruje się na częstotliwościach modulacji, a nie częstotliwościach nośnych. Częstotliwości defektów łożysk pojawiają się jako dyskretne szczyty w widmach obwiedni z amplitudami wskazującymi na powagę defektu.

Ocena jakości analizy obwiedni obejmuje ocenę wyboru filtra, charakterystyki pasma częstotliwości i stosunku sygnału do szumu w celu zapewnienia wiarygodnych wyników. Słabe wyniki analizy obwiedni mogą wskazywać na niewłaściwy wybór filtra lub niewystarczające wzbudzenie rezonansu strukturalnego.

Ocena amplitudy i klasyfikacja ciężkości

Ocena stopnia uszkodzenia łożyska wymaga systematycznej oceny amplitud drgań w odniesieniu do ustalonych kryteriów i historycznych trendów. Klasyfikacja stopnia uszkodzenia umożliwia planowanie konserwacji i ocenę ryzyka w celu kontynuacji eksploatacji.

Kryteria amplitudy bezwzględnej zapewniają ogólne wytyczne dotyczące oceny stanu łożysk w oparciu o doświadczenie i standardy branżowe. Kryteria te zazwyczaj ustalają poziomy alertów i alarmów dla ogólnych drgań i określonych pasm częstotliwości.

Analiza trendów ocenia zmiany amplitudy w czasie, aby ocenić tempo degradacji i przewidzieć pozostały okres użytkowania. Wykładniczy wzrost amplitudy często wskazuje na przyspieszające uszkodzenia wymagające natychmiastowej konserwacji.

Analiza porównawcza ocenia stan łożyska w stosunku do podobnych łożysk w identycznych zastosowaniach, aby uwzględnić określone warunki pracy i cechy instalacji. To podejście zapewnia dokładniejszą ocenę powagi niż same kryteria bezwzględne.

Integracja wielu parametrów łączy informacje z ogólnych poziomów drgań, określonych częstotliwości defektów, wyników analizy obwiedni i pomiarów temperatury, aby zapewnić kompleksową ocenę łożysk. Analiza pojedynczego parametru może dostarczać niekompletnych lub mylących informacji.

Efekty strefy obciążenia i analiza wzorca modulacji

Rozkład obciążenia łożyska znacząco wpływa na sygnatury drgań i interpretację diagnostyczną. Efekty stref obciążenia tworzą wzorce modulacji amplitudy, które dostarczają dodatkowych informacji o stanie łożyska i charakterystyce obciążenia.

Modulacja defektu wewnętrznego bieżni występuje, gdy obszary defektów obracają się przez różne strefy obciążenia podczas każdego obrotu. Maksymalna modulacja występuje, gdy defekty pokrywają się z pozycjami maksymalnego obciążenia, podczas gdy minimalna modulacja odpowiada pozycjom bez obciążenia.

Identyfikacja strefy obciążenia poprzez analizę modulacji ujawnia wzorce obciążenia łożyska i może wskazywać na niewspółosiowość, problemy z fundamentem lub nieprawidłowy rozkład obciążenia. Asymetryczne wzorce modulacji sugerują nierównomierne warunki obciążenia.

Analiza pasm bocznych bada składowe częstotliwości otaczające częstotliwości defektów łożysk, aby określić głębokość modulacji i zidentyfikować źródła modulacji. Pasma boczne częstotliwości obrotowej wskazują na efekty strefy obciążenia, podczas gdy inne częstotliwości pasm bocznych mogą ujawniać dodatkowe problemy.

Analiza fazowa wzorów modulacji dostarcza informacji o lokalizacji defektów w stosunku do stref obciążenia i może pomóc w przewidywaniu wzorów postępu uszkodzeń. Zaawansowane techniki analizy mogą oszacować pozostałą żywotność łożyska na podstawie charakterystyki modulacji.

Integracja z uzupełniającymi technikami diagnostycznymi

Kompleksowa ocena łożysk integruje analizę drgań z uzupełniającymi technikami diagnostycznymi w celu zwiększenia dokładności i zmniejszenia liczby fałszywych alarmów. Wiele podejść diagnostycznych zapewnia potwierdzenie identyfikacji problemu i lepszą ocenę powagi.

Analiza oleju ujawnia cząstki zużycia łożysk, poziomy zanieczyszczeń i degradację środka smarnego, które korelują z wynikami analizy drgań. Zwiększające się stężenia cząstek zużycia często poprzedzają wykrywalne zmiany drgań o kilka tygodni.

Monitorowanie temperatury zapewnia wskazanie w czasie rzeczywistym stanu cieplnego łożyska i poziomu tarcia. Wzrosty temperatury często towarzyszą wzrostom wibracji podczas procesów degradacji łożyska.

Monitorowanie emisji akustycznej wykrywa fale naprężeń o wysokiej częstotliwości pochodzące z propagacji pęknięć i zjawisk kontaktu powierzchni, które mogą poprzedzać konwencjonalne sygnatury drgań. Ta technika zapewnia najwcześniejszą możliwą możliwość wykrywania usterek.

Monitorowanie wydajności ocenia wpływ łożysk na działanie systemu, w tym zmiany wydajności, zmiany rozkładu obciążenia i stabilność operacyjną. Degradacja wydajności może wskazywać na problemy z łożyskami wymagające zbadania, nawet gdy poziomy drgań pozostają akceptowalne.

Wymagania dotyczące dokumentacji i raportowania

Skuteczna diagnostyka łożysk wymaga kompleksowej dokumentacji procedur pomiarowych, wyników analiz i zaleceń konserwacyjnych, która pomaga w podejmowaniu decyzji i zapewnia dane historyczne do analizy trendów.

Dokumentacja pomiarów obejmuje konfigurację sprzętu, warunki środowiskowe, parametry operacyjne i wyniki oceny jakości. Informacje te umożliwiają przyszłą powtarzalność pomiarów i dostarczają kontekst do interpretacji wyników.

Dokumentacja analizy rejestruje procedury obliczeniowe, metody identyfikacji częstotliwości i rozumowanie diagnostyczne w celu wsparcia wniosków i umożliwienia recenzji eksperckiej. Szczegółowa dokumentacja ułatwia transfer wiedzy i działania szkoleniowe.

Dokumentacja rekomendacji zawiera jasne wskazówki dotyczące konserwacji, w tym klasyfikację pilności, sugerowane procedury naprawcze i wymagania dotyczące monitorowania. Rekomendacje powinny zawierać wystarczające uzasadnienie techniczne w celu wsparcia decyzji dotyczących planowania konserwacji.

Konserwacja historycznej bazy danych zapewnia, że wyniki pomiarów i analiz pozostają dostępne do analizy trendów i badań porównawczych. Właściwa organizacja bazy danych ułatwia analizę całej floty i identyfikację typowych problemów w podobnym sprzęcie.

Wnioski

Diagnostyka wibracyjna podzespołów lokomotyw kolejowych stanowi zaawansowaną dyscyplinę inżynierską, która łączy podstawowe zasady mechaniczne z zaawansowanymi technologiami pomiaru i analizy. Ten kompleksowy przewodnik badał podstawowe elementy wymagane do skutecznej implementacji monitorowania stanu opartego na wibracjach w operacjach konserwacji lokomotyw.

Podstawą udanej diagnostyki drgań jest dogłębne zrozumienie zjawisk oscylacyjnych w maszynach obrotowych i specyficznych cech bloków Wheelset-Motor (WMB), Wheelset-Gear Blocks (WGB) i maszyn pomocniczych (AM). Każdy typ komponentu prezentuje unikalne sygnatury drgań, które wymagają specjalistycznych podejść analitycznych i technik interpretacji.

Nowoczesne systemy diagnostyczne zapewniają potężne możliwości wczesnego wykrywania błędów i oceny ich powagi, ale ich skuteczność zależy krytycznie od prawidłowej implementacji, kontroli jakości pomiarów i umiejętnej interpretacji wyników. Integracja wielu technik diagnostycznych zwiększa niezawodność i zmniejsza liczbę fałszywych alarmów, zapewniając jednocześnie kompleksową ocenę stanu podzespołów.

Ciągły postęp w technologii czujników, algorytmach analizy i możliwościach integracji danych obiecuje dalsze usprawnienia w zakresie dokładności diagnostyki i wydajności operacyjnej. Organizacje zajmujące się konserwacją kolei, które inwestują w kompleksowe możliwości diagnostyki drgań, odniosą znaczące korzyści dzięki zmniejszeniu liczby nieplanowanych awarii, zoptymalizowanemu harmonogramowi konserwacji i zwiększonemu bezpieczeństwu operacyjnemu.

Skuteczne wdrożenie diagnostyki wibracji wymaga stałego zaangażowania w szkolenia, rozwój technologii i procedury zapewnienia jakości. W miarę jak systemy kolejowe będą ewoluować w kierunku wyższych prędkości i większych wymagań dotyczących niezawodności, diagnostyka wibracji będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę w utrzymaniu bezpiecznych i wydajnych operacji lokomotyw.