Diagnosticarea vibrațiilor componentelor locomotivelor feroviare: Un ghid complet pentru inginerii de reparații

2.3.1.1. Fundamentele vibrațiilor: Forțe oscilatorii și vibrații în echipamentele rotative

Principiile de bază ale vibrațiilor mecanice

Vibrațiile mecanice reprezintă mișcarea oscilatorie a sistemelor mecanice în jurul pozițiilor lor de echilibru. Inginerii care lucrează cu componente de locomotive trebuie să înțeleagă că vibrațiile se manifestă prin trei parametri fundamentali: deplasarea, viteza și accelerația. Fiecare parametru oferă informații unice despre starea echipamentelor și caracteristicile lor operaționale.

Deplasarea vibrațiilor măsoară mișcarea fizică reală a unei componente față de poziția sa de repaus. Acest parametru se dovedește deosebit de valoros pentru analiza vibrațiilor de joasă frecvență întâlnite de obicei în dezechilibrele mașinilor rotative și în problemele de fundație. Amplitudinea deplasării se corelează direct cu modelele de uzură ale suprafețelor rulmenților și ale componentelor de cuplare.

Viteza vibrației reprezintă rata de modificare a deplasării în timp. Acest parametru demonstrează o sensibilitate excepțională la defecțiunile mecanice pe o gamă largă de frecvențe, fiind cel mai utilizat parametru în monitorizarea vibrațiilor industriale. Măsurătorile de viteză detectează eficient defecțiunile în curs de dezvoltare ale cutiilor de viteze, rulmenților motorului și sistemelor de cuplare înainte ca acestea să atingă stadii critice.

Accelerarea vibrațiilor măsoară rata de modificare a vitezei în timp. Măsurătorile de accelerație de înaltă frecvență sunt excelente pentru detectarea defectelor lagărelor în stadiu incipient, a deteriorării dinților angrenajelor și a fenomenelor legate de impact. Parametrul de accelerație devine din ce în ce mai important atunci când se monitorizează mașinile auxiliare de mare viteză și se detectează sarcini de tip șoc.

Caracteristicile perioadei și frecvenței

Perioada (T) reprezintă timpul necesar pentru un ciclu complet de oscilație, în timp ce frecvența (f) indică numărul de cicluri care au loc pe unitatea de timp. Acești parametri stau la baza tuturor tehnicilor de analiză a vibrațiilor utilizate în diagnosticarea locomotivelor.

Componentele locomotivelor feroviare funcționează în diverse intervale de frecvență. Frecvențele de rotație ale osiilor montate variază de obicei între 5 și 50 Hz în timpul funcționării normale, în timp ce frecvențele angrenajelor se extind între 200 și 2000 Hz, în funcție de rapoartele de transmisie și de vitezele de rotație. Frecvențele defectelor lagărelor se manifestă adesea în intervalul 500-5000 Hz, necesitând tehnici de măsurare și metode de analiză specializate.

Măsurători absolute și relative ale vibrațiilor

Măsurătorile absolute ale vibrațiilor raportează amplitudinea vibrației la un sistem de coordonate fix, de obicei sol sau un cadru de referință inerțial. Accelerometrele seismice și traductoarele de viteză oferă măsurători absolute utilizând mase inerțiale interne care rămân staționare în timp ce carcasa senzorului se mișcă odată cu componenta monitorizată.

Măsurătorile vibrațiilor relative compară vibrația unei componente cu cea a unei alte componente în mișcare. Sondele de proximitate montate pe carcasele rulmenților măsoară vibrațiile arborelui față de rulment, oferind informații esențiale despre dinamica rotorului, creșterea termică și modificările jocului rulmentului.

În aplicațiile locomotivelor, inginerii utilizează de obicei măsurători absolute pentru majoritatea procedurilor de diagnosticare, deoarece acestea oferă informații complete despre mișcarea componentelor și pot detecta atât probleme mecanice, cât și structurale. Măsurătorile relative devin esențiale atunci când se analizează mașini rotative mari, unde mișcarea arborelui în raport cu rulmenții indică probleme de joc intern sau instabilitate a rotorului.

Unități de măsură liniare și logaritmice

Unitățile de măsură liniare exprimă amplitudinile vibrațiilor în mărimi fizice directe, cum ar fi milimetri (mm) pentru deplasare, milimetri pe secundă (mm/s) pentru viteză și metri pe secundă la pătrat (m/s²) pentru accelerație. Aceste unități facilitează corelarea directă cu fenomenele fizice și oferă o înțelegere intuitivă a severității vibrațiilor.

Unitățile logaritmice, în special decibelii (dB), comprimă intervale dinamice largi în scale ușor de gestionat. Scara decibelilor se dovedește deosebit de valoroasă atunci când se analizează spectre de vibrații în bandă largă, unde variațiile de amplitudine se întind pe mai multe ordine de mărime. Multe analizoare de vibrații moderne oferă atât opțiuni de afișare liniare, cât și logaritmice pentru a se adapta diferitelor cerințe de analiză.

Standarde internaționale și cadrul de reglementare

Organizația Internațională de Standardizare (ISO) stabilește standarde recunoscute la nivel global pentru măsurarea și analiza vibrațiilor. Seria ISO 10816 definește criteriile de severitate a vibrațiilor pentru diferite clase de mașini, în timp ce ISO 13373 abordează procedurile de monitorizare a stării și de diagnosticare.

Pentru aplicațiile feroviare, inginerii trebuie să ia în considerare standarde specifice care abordează medii operaționale unice. ISO 14837-1 oferă linii directoare privind vibrațiile la sol pentru sistemele feroviare, în timp ce EN 15313 stabilește specificațiile aplicațiilor feroviare pentru proiectarea osiei montate și a cadrului boghiului, ținând cont de vibrațiile.

Standardele rusești GOST completează cerințele internaționale cu prevederi specifice regiunii. GOST 25275 definește procedurile de măsurare a vibrațiilor pentru mașinile rotative, în timp ce GOST R 52161 abordează cerințele de testare a vibrațiilor pentru materialul rulant feroviar.

Clasificări ale semnalelor de vibrații

Vibrații periodice repetă modele identice la intervale regulate de timp. Mașinile rotative generează predominant semnături de vibrații periodice legate de vitezele de rotație, frecvențele de angrenare ale angrenajelor și pasajele elementelor rulmentului. Aceste modele previzibile permit identificarea precisă a defecțiunilor și evaluarea severității acestora.

Vibrații aleatorii prezintă caracteristici statistice mai degrabă decât deterministe. Vibrațiile induse de frecare, zgomotul turbulent al fluxului și interacțiunea drum/cale ferată generează componente aleatoare ale vibrațiilor care necesită tehnici de analiză statistică pentru o interpretare corectă.

Vibrații tranzitorii se întâmplă ca evenimente izolate cu durată finită. Sarcinile de impact, angrenarea dinților angrenajului și loviturile elementelor rulmentului produc semnături de vibrații tranzitorii care necesită tehnici de analiză specializate, cum ar fi medierea sincronă în timp și analiza anvelopei.

Descriptorii amplitudinii vibrațiilor

Inginerii utilizează diverși descriptori de amplitudine pentru a caracteriza eficient semnalele de vibrații. Fiecare descriptor oferă informații unice despre caracteristicile vibrațiilor și modelele de dezvoltare a defectelor.

Amplitudinea de vârf reprezintă valoarea maximă instantanee care apare în timpul perioadei de măsurare. Acest parametru identifică eficient evenimentele de tip impact și încărcările de șoc, dar este posibil să nu reprezinte cu exactitate nivelurile continue de vibrații.

Amplitudinea mediei pătratice (RMS) furnizează conținutul energetic efectiv al semnalului de vibrații. Valorile RMS se corelează bine cu ratele de uzură ale mașinii și cu disiparea energiei, ceea ce face ca acest parametru să fie ideal pentru analiza tendințelor și evaluarea severității.

Amplitudine medie reprezintă media aritmetică a valorilor absolute ale amplitudinii pe perioada de măsurare. Acest parametru oferă o bună corelație cu finisajul suprafeței și caracteristicile de uzură, dar poate subestima semnăturile de defecte intermitente.

Amplitudine vârf-vârf măsoară excursia totală între valorile maxime pozitive și negative ale amplitudinii. Acest parametru se dovedește valoros pentru evaluarea problemelor legate de joc și identificarea slăbiciunilor mecanice.

Factorul de creastă reprezintă raportul dintre amplitudinea de vârf și amplitudinea RMS, oferind o perspectivă asupra caracteristicilor semnalului. Factorii de creastă mici (1,4-2,0) indică vibrații predominant sinusoidale, în timp ce factorii de creastă mari (>4,0) sugerează un comportament impulsiv sau de tip șoc, caracteristic defectelor de rulment în curs de dezvoltare.

Tehnologii și metode de instalare a senzorilor de vibrații

Accelerometrele reprezintă cei mai versatili senzori de vibrații pentru aplicațiile locomotivelor. Accelerometrele piezoelectrice generează sarcină electrică proporțională cu accelerația aplicată, oferind un răspuns în frecvență excelent de la 2 Hz la 10 kHz cu distorsiuni minime de fază. Acești senzori demonstrează o durabilitate excepțională în medii feroviare dure, menținând în același timp o sensibilitate ridicată și caracteristici de zgomot redus.

Traductoarele de viteză utilizează principii de inducție electromagnetică pentru a genera semnale de tensiune proporționale cu viteza vibrațiilor. Acești senzori excelează în aplicații de joasă frecvență (0,5-1000 Hz) și oferă raporturi semnal-zgomot superioare pentru aplicațiile de monitorizare a utilajelor. Cu toate acestea, dimensiunile lor mai mari și sensibilitatea la temperatură pot limita opțiunile de instalare pe componente compacte ale locomotivelor.

Sondele de proximitate utilizează principiile curenților turbionari pentru a măsura deplasarea relativă dintre senzor și suprafața țintă. Acești senzori se dovedesc a fi neprețuiți pentru monitorizarea vibrațiilor arborelui și evaluarea jocului lagărului, dar necesită proceduri atente de instalare și calibrare.

Instalarea corectă a senzorilor are un impact semnificativ asupra preciziei și fiabilității măsurătorilor. Inginerii trebuie să asigure o cuplare mecanică rigidă între senzor și componenta monitorizată pentru a evita efectele de rezonanță și distorsiunea semnalului. Știfturile filetate asigură o montare optimă pentru instalațiile permanente, în timp ce bazele magnetice oferă confort pentru măsurători periodice pe suprafețe feromagnetice.

Originile vibrațiilor echipamentelor rotative

Surse de vibrații mecanice apar din cauza dezechilibrelor de masă, a nealinierii, a slăbiciunii și a uzurii. Componentele rotative dezechilibrate generează forțe centrifuge proporționale cu pătratul vitezei de rotație, creând vibrații la frecvența de rotație și armonicele acesteia. Nealinierea dintre arborii cuplați produce componente de vibrații radiale și axiale la frecvența de rotație și de două ori mai mare decât frecvența de rotație.

Surse de vibrații electromagnetice provin din variațiile forței magnetice din motoarele electrice. Excentricitatea întrefierului, defectele barei rotorului și defectele înfășurărilor statorului creează forțe electromagnetice care se modulează la frecvența rețelei și la armonicele acesteia. Aceste forțe interacționează cu rezonanțele mecanice pentru a produce semnături vibraționale complexe care necesită tehnici sofisticate de analiză.

Surse de vibrații aerodinamice și hidrodinamice rezultă din interacțiunile fluxului de fluid cu componentele rotative. Pasajul palelor ventilatorului, interacțiunile palelor pompei și separarea fluxului turbulent generează vibrații la frecvențele de pasaj pale/pale și la armonicele acestora. Aceste surse devin deosebit de semnificative în mașinile auxiliare care funcționează la viteze mari cu cerințe semnificative de manipulare a fluidelor.

2.3.1.2. Sisteme de locomotive: WMB, WGB, AM și componentele acestora ca sisteme oscilatorii

Clasificarea echipamentelor rotative în aplicațiile locomotivelor

Echipamentele rotative pentru locomotive cuprind trei categorii principale, fiecare prezentând caracteristici unice de vibrații și provocări de diagnosticare. Blocurile motor-set (WMB) integrează motoarele de tracțiune direct cu seturile de roți motoare, creând sisteme dinamice complexe supuse atât forțelor de excitație electrice, cât și mecanice. Blocurile angrenaje-set (WGB) utilizează sisteme intermediare de reducere a angrenajelor între motoare și seturi de roți, introducând surse suplimentare de vibrații prin interacțiunile angrenajului. Mașinile auxiliare (AM) includ ventilatoare de răcire, compresoare de aer, pompe hidraulice și alte echipamente de asistență care funcționează independent de sistemele de tracțiune primare.

Aceste sisteme mecanice prezintă un comportament oscilatoriu guvernat de principii fundamentale ale dinamicii și teoriei vibrațiilor. Fiecare componentă posedă frecvențe naturale determinate de distribuția masei, caracteristicile de rigiditate și condițiile limită. Înțelegerea acestor frecvențe naturale devine esențială pentru evitarea condițiilor de rezonanță care pot duce la amplitudini excesive ale vibrațiilor și la uzura accelerată a componentelor.

Clasificări ale sistemului oscilator

Oscilații libere apar atunci când sistemele vibrează la frecvențe naturale după perturbații inițiale, fără forțare externă continuă. În aplicațiile locomotivelor, oscilațiile libere se manifestă în timpul tranzițiilor de pornire și oprire atunci când vitezele de rotație trec prin frecvențele naturale. Aceste condiții tranzitorii oferă informații de diagnostic valoroase despre rigiditatea sistemului și caracteristicile de amortizare.

Oscilații forțate rezultă din forțele de excitație periodice continue care acționează asupra sistemelor mecanice. Dezechilibrele de rotație, forțele de îngrenare ale angrenajelor și excitația electromagnetică creează vibrații forțate la frecvențe specifice legate de vitezele de rotație și geometria sistemului. Amplitudinile vibrațiilor forțate depind de relația dintre frecvența de excitație și frecvențele naturale ale sistemului.

Oscilații parametrice apar atunci când parametrii sistemului variază periodic în timp. Rigiditatea variabilă în timp în contactul cu angrenajul, variațiile jocului lagărului și fluctuațiile fluxului magnetic creează o excitație parametrică ce poate duce la o creștere instabilă a vibrațiilor chiar și fără forțare directă.

Oscilații autoexcitate (autooscilații) se dezvoltă atunci când mecanismele de disipare a energiei sistemului devin negative, ducând la o creștere susținută a vibrațiilor fără forțare periodică externă. Comportamentul de alunecare-aderentă indus de frecare, flutterul aerodinamic și anumite instabilități electromagnetice pot crea vibrații auto-excitate care necesită control activ sau modificări de proiectare pentru atenuare.

Determinarea frecvenței naturale și fenomenele de rezonanță

Frecvențele naturale reprezintă caracteristici inerente de vibrație ale sistemelor mecanice, independente de excitația externă. Aceste frecvențe depind exclusiv de distribuția masei sistemului și de proprietățile de rigiditate. Pentru sistemele simple cu un singur grad de libertate, calculul frecvenței naturale urmează formule bine stabilite care leagă parametrii de masă și rigiditate.

Componentele complexe ale locomotivelor prezintă frecvențe naturale multiple corespunzătoare diferitelor moduri de vibrație. Modurile de încovoiere, modurile de torsiune și modurile cuplate posedă fiecare caracteristici de frecvență și modele spațiale distincte. Tehnicile de analiză modală îi ajută pe ingineri să identifice aceste frecvențe și formele modurilor asociate pentru un control eficient al vibrațiilor.

Rezonanța apare atunci când frecvențele de excitație coincid cu frecvențele naturale, rezultând răspunsuri vibraționale dramatic amplificate. Factorul de amplificare depinde de amortizarea sistemului, sistemele ușor amortizate prezentând vârfuri de rezonanță mult mai mari decât sistemele puternic amortizate. Inginerii trebuie să se asigure că vitezele de funcționare evită condițiile critice de rezonanță sau să ofere o amortizare adecvată pentru a limita amplitudinile vibrațiilor.

Mecanisme de amortizare și efectele acestora

Amortizarea reprezintă mecanisme de disipare a energiei care limitează creșterea amplitudinii vibrațiilor și asigură stabilitatea sistemului. Diverse surse de amortizare contribuie la comportamentul general al sistemului, inclusiv amortizarea internă a materialului, amortizarea prin frecare și amortizarea fluidelor din cauza lubrifianților și a aerului înconjurător.

Amortizarea materialelor apare din cauza frecării interne din materialele componentelor în timpul solicitării ciclice. Acest mecanism de amortizare se dovedește a fi deosebit de semnificativ în cazul componentelor din fontă, al elementelor de montare din cauciuc și al materialelor compozite utilizate în construcția modernă de locomotive.

Amortizarea prin frecare are loc la suprafețele de interfață dintre componente, inclusiv suprafețele de lagăr, îmbinările cu șuruburi și ansamblurile prin frecare. Deși amortizarea prin frecare poate oferi un control benefic al vibrațiilor, aceasta poate introduce și efecte neliniare și un comportament imprevizibil în condiții de sarcină variabile.

Amortizarea fluidelor rezultă din forțele vâscoase din peliculele lubrifiante, sistemele hidraulice și interacțiunile aerodinamice. Amortizarea peliculei de ulei din lagărele cu manșon oferă o stabilitate critică pentru mașinile rotative de mare viteză, în timp ce amortizoarele vâscoase pot fi încorporate în mod deliberat pentru controlul vibrațiilor.

Clasificări ale forței de excitație

Forțe centrifuge se dezvoltă din dezechilibrele de masă ale componentelor în rotație, creând forțe proporționale cu pătratul vitezei de rotație. Aceste forțe acționează radial spre exterior și se rotesc odată cu componenta, generând vibrații la frecvența de rotație. Magnitudinea forței centrifuge crește rapid odată cu viteza, ceea ce face ca echilibrarea precisă să fie critică pentru funcționarea la viteză mare.

Forțe cinematice apar din constrângeri geometrice care impun o mișcare neuniformă componentelor sistemului. Mecanismele alternative, roțile de urmărire a camei și sistemele de angrenaje cu erori de profil generează forțe de excitație cinematică. Aceste forțe prezintă de obicei un conținut de frecvență complex legat de geometria sistemului și de vitezele de rotație.

Forțe de impact rezultă din aplicații bruște de sarcină sau evenimente de coliziune între componente. Angrenarea dinților angrenajului, rostogolirea elementului rulmentului peste defecte de suprafață și interacțiunile roată-șină creează forțe de impact caracterizate printr-un conținut de frecvență larg și factori de creastă ridicați. Forțele de impact necesită tehnici de analiză specializate pentru o caracterizare corectă.

Forțe de frecare se dezvoltă din contactul de alunecare dintre suprafețe cu mișcare relativă. Acționările frânelor, alunecarea rulmenților și inerția roată-șină generează forțe de frecare care pot prezenta un comportament de alunecare lipită, ducând la vibrații autoexcitate. Caracteristicile forței de frecare depind puternic de condițiile suprafeței, lubrifiere și încărcarea normală.

Forțele electromagnetice provin din interacțiunile câmpului magnetic din motoarele și generatoarele electrice. Forțele electromagnetice radiale rezultă din variațiile întrefierului, geometria piesei polare și asimetriile distribuției curentului. Aceste forțe creează vibrații la frecvența liniei, frecvența de trecere a fantei și combinații ale acestora.

Proprietățile sistemului dependente de frecvență

Sistemele mecanice prezintă caracteristici dinamice dependente de frecvență care afectează semnificativ transmiterea și amplificarea vibrațiilor. Rigiditatea, amortizarea și proprietățile inerțiale ale sistemului se combină pentru a crea funcții complexe de răspuns în frecvență care descriu amplitudinea vibrațiilor și relațiile de fază dintre excitația de intrare și răspunsul sistemului.

La frecvențe mult sub prima frecvență naturală, sistemele se comportă cvasistatic cu amplitudini de vibrație proporționale cu amplitudinile forței de excitație. Amplificarea dinamică rămâne minimă, iar relațiile de fază rămân aproape zero.

În apropierea frecvențelor naturale, amplificarea dinamică poate atinge valori de 10-100 de ori mai mari decât deflecția statică, în funcție de nivelurile de amortizare. Relațiile de fază se schimbă rapid cu 90 de grade la rezonanță, oferind o identificare clară a locațiilor frecvențelor naturale.

La frecvențe mult peste frecvențele naturale, efectele inerțiale domină comportamentul sistemului, determinând scăderea amplitudinilor vibrațiilor odată cu creșterea frecvenței. Atenuarea vibrațiilor de înaltă frecvență oferă o filtrare naturală care ajută la izolarea componentelor sensibile de perturbațiile de înaltă frecvență.

Sisteme cu parametri concentrați vs. sisteme cu parametri distribuiți

Blocurile de tip set de roți-motor pot fi modelate ca sisteme cu parametri grupați atunci când se analizează modurile de vibrații de joasă frecvență, unde dimensiunile componentelor rămân mici în comparație cu lungimile de undă ale vibrației. Această abordare simplifică analiza prin reprezentarea proprietăților distribuite de masă și rigiditate ca elemente discrete conectate prin arcuri fără masă și legături rigide.

Modelele cu parametri agregați se dovedesc eficiente pentru analiza dezechilibrului rotorului, a efectelor de rigiditate a suportului rulmenților și a dinamicii de cuplare de joasă frecvență dintre componentele motorului și ale osiilor montate. Aceste modele facilitează analiza rapidă și oferă o perspectivă fizică clară asupra comportamentului sistemului.

Modelele cu parametri distribuiți devin necesare atunci când se analizează modurile de vibrație de înaltă frecvență în care dimensiunile componentelor se apropie de lungimile de undă ale vibrației. Modurile de încovoiere a arborelui, flexibilitatea dinților angrenajului și rezonanțele acustice necesită tratarea parametrilor distribuiți pentru o predicție precisă.

Modelele cu parametri distribuiți iau în considerare efectele de propagare a undelor, formele modurilor locale și comportamentul dependent de frecvență pe care modelele cu parametri grupați nu le pot surprinde. Aceste modele necesită de obicei tehnici de rezolvare numerică, dar oferă o caracterizare mai completă a sistemului.

2.3.1.3. Proprietăți și caracteristici ale vibrațiilor de joasă frecvență, medie frecvență, înaltă frecvență și ultrasonice în WMB, WGB și AM

Clasificări ale benzilor de frecvență și semnificația acestora

Analiza frecvenței vibrațiilor necesită o clasificare sistematică a benzilor de frecvență pentru a optimiza procedurile de diagnosticare și selecția echipamentelor. Fiecare bandă de frecvență oferă informații unice despre fenomenele mecanice specifice și etapele de dezvoltare a defectelor.

Vibrații de joasă frecvență (1-200 Hz) provine în principal din dezechilibrele, nealinierea și rezonanțele structurale ale mașinilor rotative. Acest interval de frecvență surprinde frecvențele fundamentale de rotație și armonicele lor de ordin inferior, oferind informații esențiale despre starea mecanică și stabilitatea în funcționare.

Vibrații de medie frecvență (200-2000 Hz) cuprinde frecvențele angrenajului angrenajului, armonicele de excitație electromagnetică și rezonanțele mecanice ale componentelor structurale majore. Acest interval de frecvență se dovedește a fi esențial pentru diagnosticarea uzurii dinților angrenajului, a problemelor electromagnetice ale motorului și a deteriorării cuplajului.

Vibrații de înaltă frecvență (2000-20000 Hz) dezvăluie semnăturile defectelor rulmenților, forțele de impact ale dinților angrenajului și armonicele electromagnetice de ordin superior. Acest interval de frecvență oferă avertizări timpurii asupra defecțiunilor în curs de dezvoltare înainte ca acestea să se manifeste în benzile de frecvență inferioare.

Vibrații ultrasonice (20000+ Hz) surprinde defectele incipiente ale rulmenților, deteriorarea peliculei de lubrifiere și fenomenele legate de frecare. Măsurătorile cu ultrasunete necesită senzori și tehnici de analiză specializați, dar oferă cele mai timpurii capacități de detectare a defecțiunilor.

Analiza vibrațiilor de joasă frecvență

Analiza vibrațiilor de joasă frecvență se concentrează pe frecvențele fundamentale de rotație și armonicele acestora până la aproximativ ordinul 10. Această analiză dezvăluie condiții mecanice primare, inclusiv dezechilibrul de masă, nealinierea arborelui, slăbirea mecanică și problemele de joc ale rulmenților.

Vibrația frecvenței de rotație (1×) indică condiții de dezechilibru de masă care creează forțe centrifuge care se rotesc odată cu arborele. Dezechilibrul pur produce vibrații predominant la frecvența de rotație cu un conținut armonic minim. Amplitudinea vibrației crește proporțional cu pătratul vitezei de rotație, oferind o indicație diagnostică clară.

Vibrațiile cu frecvență de rotație dublă (2×) indică de obicei o nealiniere între arbori sau componente cuplate. Nealinierea unghiulară creează modele de solicitări alternative care se repetă de două ori pe rotație, generând semnături de vibrații caracteristice 2×. Nealinierea paralelă poate contribui, de asemenea, la vibrații 2× prin distribuția variabilă a sarcinii.

Conținutul armonic multiplu (3×, 4×, 5× etc.) sugerează slăbire mecanică, cuplaje uzate sau probleme structurale. Slăbirea permite transmiterea neliniară a forței care generează un conținut armonic bogat care se extinde mult dincolo de frecvențele fundamentale. Modelul armonic oferă informații de diagnostic despre locația și severitatea slăbirii.

Caracteristicile vibrațiilor de frecvență medie

Analiza de frecvență medie se concentrează pe frecvențele angrenajului dințat și pe modelele lor de modulație. Frecvența angrenajului dințat este egală cu produsul dintre frecvența de rotație și numărul de dinți, creând linii spectrale previzibile care dezvăluie starea angrenajului și distribuția sarcinii.

Angrenajele sănătoase produc vibrații proeminente la frecvența angrenajului cu benzi laterale minime. Uzura dinților, fisurarea dinților sau încărcarea neuniformă creează o modulație a amplitudinii frecvenței angrenajului, generând benzi laterale distanțate la frecvențele de rotație ale angrenajelor.

Vibrațiile electromagnetice în motoarele de tracțiune se manifestă în principal în domeniul de frecvență medie. Armonicile de frecvență de linie, frecvențele de trecere a fantelor și frecvențele de trecere a polilor creează modele spectrale caracteristice care dezvăluie starea motorului și caracteristicile de încărcare.

Frecvența de trecere a fantelor este egală cu produsul dintre frecvența de rotație și numărul de fante ale rotorului, generând vibrații prin variațiile permeabilității magnetice pe măsură ce fantele rotorului trec de polii statorului. Barele rotorului rupte sau defectele inelelor de capăt modulează frecvența de trecere a fantelor, creând benzi laterale de diagnosticare.

Analiza vibrațiilor de înaltă frecvență

Analiza vibrațiilor de înaltă frecvență vizează frecvențele defectelor rulmenților și armonicele de ordin superior ale angrenajului angrenajelor. Rulmenții cu elemente de rostogolire generează frecvențe caracteristice pe baza geometriei și vitezei de rotație, oferind capacități de diagnosticare precise pentru evaluarea stării rulmenților.

Frecvența de trecere a bilei pe calea de rulare exterioară (BPFO) apare atunci când elementele de rulare trec printr-un defect staționar al căii de rulare exterioare. Această frecvență depinde de geometria rulmentului și variază de obicei de la 3 la 8 ori frecvența de rotație pentru modelele comune de rulmenți.

Frecvența de trecere a bilei pe calea interioară (BPFI) rezultă din faptul că elementele de rulare întâlnesc defecte ale căii interioare de rulare. Deoarece căile interioare de rulare se rotesc odată cu arborele, BPFI depășește de obicei BPFO și poate prezenta o modulație a frecvenței de rotație din cauza efectelor zonei de sarcină.

Frecvența fundamentală a trenului (FTF) reprezintă frecvența de rotație a coliviei și este de obicei egală cu 0,4-0,45 ori frecvența de rotație a arborelui. Defectele coliviei sau problemele de lubrifiere pot genera vibrații la FTF și armonicele acesteia.

Frecvența de rotație a bilei (BSF) indică rotația fiecărui element de rulare în jurul propriei axe. Această frecvență apare rareori în spectrele de vibrații, cu excepția cazului în care elementele de rulare prezintă defecte de suprafață sau neregularități dimensionale.

Aplicații ale vibrațiilor cu ultrasunete

Măsurătorile vibrațiilor cu ultrasunete detectează defectele incipiente ale rulmenților cu săptămâni sau luni înainte ca acestea să devină evidente în analiza convențională a vibrațiilor. Contactul cu asperitățile de suprafață, microfisurile și deteriorarea peliculei de lubrifiere generează emisii ultrasonice care preced modificările măsurabile ale frecvenței defectelor rulmenților.

Tehnicile de analiză a anvelopei extrag informații de modulație a amplitudinii din frecvențele purtătoare cu ultrasunete, dezvăluind modele de modulație de joasă frecvență corespunzătoare frecvențelor defectelor lagărelor. Această abordare combină sensibilitatea de înaltă frecvență cu informațiile de diagnostic de joasă frecvență.

Măsurătorile cu ultrasunete necesită o selecție și o montare atentă a senzorilor pentru a evita contaminarea semnalului din cauza interferențelor electromagnetice și a zgomotului mecanic. Accelerometrele cu răspuns în frecvență care se extinde peste 50 kHz și o condiționare adecvată a semnalului oferă măsurători cu ultrasunete fiabile.

Originile vibrațiilor mecanice vs. electromagnetice

Sursele de vibrații mecanice creează o excitație de bandă largă cu un conținut de frecvență legat de geometria și cinematica componentelor. Forțele de impact provenite de la defectele rulmenților, angrenarea dinților angrenajului și slăbirea mecanică generează semnale impulsive cu un conținut armonic bogat care se extinde pe game largi de frecvență.

Sursele de vibrații electromagnetice produc componente de frecvență discrete legate de frecvența alimentării electrice și de parametrii de proiectare ai motorului. Aceste frecvențe rămân independente de vitezele de rotație mecanice și mențin relații fixe cu frecvența sistemului de alimentare.

Distincția dintre sursele de vibrații mecanice și electromagnetice necesită o analiză atentă a relațiilor de frecvență și a dependenței de sarcină. Vibrațiile mecanice variază de obicei în funcție de viteza de rotație și de sarcina mecanică, în timp ce vibrațiile electromagnetice se corelează cu sarcina electrică și calitatea tensiunii de alimentare.

Caracteristicile vibrațiilor la impact și șoc

Vibrațiile de impact rezultă din aplicări bruște de forță cu o durată foarte scurtă. Angrenarea dinților angrenajului, lovirea elementelor rulmentului și contactul roată-șină generează forțe de impact care excită simultan mai multe rezonanțe structurale.

Evenimentele de impact produc semnături caracteristice în domeniul timpului, cu factori de creastă ridicați și conținut de frecvență larg. Spectrul de frecvență al vibrațiilor de impact depinde mai mult de caracteristicile răspunsului structural decât de evenimentul de impact în sine, necesitând o analiză în domeniul timpului pentru o interpretare corectă.

Analiza spectrului de răspuns la șoc oferă o caracterizare completă a răspunsului structural la încărcarea la impact. Această analiză dezvăluie ce frecvențe naturale devin excitate de evenimentele de impact și contribuția lor relativă la nivelurile generale de vibrații.

Vibrații aleatorii din surse de frecare

Vibrațiile induse de frecare prezintă caracteristici aleatorii datorită naturii stocastice a fenomenelor de contact superficial. Scârțâitul frânelor, vibrațiile rulmenților și interacțiunea roată-șină creează vibrații aleatorii de bandă largă care necesită tehnici de analiză statistică.

Comportamentul de alunecare adeziva (stick-slip) în sistemele de frecare creează vibrații auto-excitate cu un conținut de frecvență complex. Variațiile forței de frecare în timpul ciclurilor de alunecare adeziva generează componente de vibrație subarmonice care pot coincide cu rezonanțele structurale, ducând la niveluri de vibrații amplificate.

Analiza vibrațiilor aleatorii utilizează funcții de densitate spectrală de putere și parametri statistici, cum ar fi nivelurile RMS și distribuțiile de probabilitate. Aceste tehnici oferă o evaluare cantitativă a severității vibrațiilor aleatorii și a impactului potențial al acestora asupra duratei de viață la oboseală a componentelor.

2.3.1.4. Caracteristici de proiectare ale WMB, WGB, AM și impactul acestora asupra caracteristicilor de vibrații

Configurații principale WMB, WGB și AM

Producătorii de locomotive utilizează diverse aranjamente mecanice pentru a transmite puterea de la motoarele de tracțiune la seturile de roți motoare. Fiecare configurație prezintă caracteristici unice de vibrații care influențează direct abordările de diagnosticare și cerințele de întreținere.

Motoarele de tracțiune suspendate pe bot se montează direct pe axele osiilor montate, creând o cuplare mecanică rigidă între motor și osie. Această configurație minimizează pierderile de transmisie a puterii, dar supune motoarele tuturor vibrațiilor și impacturilor induse de șină. Aranjamentul de montare directă cuplează vibrațiile electromagnetice ale motorului cu vibrațiile mecanice ale osiilor montate, creând modele spectrale complexe care necesită o analiză atentă.

Motoarele de tracțiune montate pe cadru utilizează sisteme de cuplare flexibile pentru a transmite puterea către osiile montate, izolând în același timp motoarele de perturbările șinei. Articulațiile universale, cuplajele flexibile sau cuplajele de tip angrenaj permit mișcarea relativă dintre motor și osie, menținând în același timp capacitatea de transmitere a puterii. Această configurație reduce expunerea motorului la vibrații, dar introduce surse suplimentare de vibrații prin dinamica cuplajului.

Sistemele de transmisie cu angrenaje utilizează o reducție intermediară între motor și setul de roți pentru a optimiza caracteristicile de funcționare ale motorului. Reducția elicoidală cu o singură treaptă oferă un design compact cu niveluri moderate de zgomot, în timp ce sistemele de reducere cu două trepte oferă o flexibilitate mai mare în selectarea raportului, dar cresc complexitatea și potențialele surse de vibrații.

Sisteme de cuplare mecanică și transmisie a vibrațiilor

Interfața mecanică dintre rotorul motorului de tracțiune și pinionul angrenajului afectează semnificativ caracteristicile de transmitere a vibrațiilor. Conexiunile prin fretare asigură o cuplare rigidă cu o concentricitate excelentă, dar pot introduce solicitări de asamblare care afectează calitatea echilibrării rotorului.

Conexiunile cu cheie permit dilatarea termică și simplifică procedurile de asamblare, dar introduc joc și potențiale încărcări la impact în timpul inversării cuplului. Uzura cheii creează un joc suplimentar care generează forțe de impact la o frecvență de rotație dublă în timpul ciclurilor de accelerare și decelerare.

Conexiunile canelate oferă o capacitate superioară de transmitere a cuplului și permit deplasarea axială, dar necesită toleranțe precise de fabricație pentru a minimiza generarea de vibrații. Uzura canelatelor creează un joc circumferențial care produce modele complexe de vibrații în funcție de condițiile de încărcare.

Sistemele de cuplare flexibile izolează vibrațiile torsionale, eliminând în același timp nealinierea dintre arborii conectați. Cuplajele elastomerice oferă o izolare excelentă a vibrațiilor, dar prezintă caracteristici de rigiditate dependente de temperatură care afectează locațiile frecvenței naturale. Cuplajele de tip angrenaj mențin proprietăți de rigiditate constante, dar generează vibrații de frecvență ale plasei care contribuie la conținutul spectral general al sistemului.

Configurații ale rulmenților axelor seturilor de roți

Rulmenții axelor montate pe roți suportă sarcini verticale, laterale și axiale, adaptând în același timp dilatarea termică și variațiile geometriei șinei. Rulmenții cu role cilindrice gestionează eficient sarcinile radiale, dar necesită aranjamente separate de rulmenți axiali pentru susținerea sarcinii axiale.

Rulmenții conici oferă o capacitate combinată de încărcare radială și axială, cu caracteristici de rigiditate superioare în comparație cu rulmenții cu bile. Geometria conică creează o preîncărcare inerentă care elimină jocul intern, dar necesită o ajustare precisă pentru a evita încărcarea excesivă sau susținerea inadecvată.

Rulmenții cu role sferice pe două rânduri suportă sarcini radiale mari și sarcini axiale moderate, oferind în același timp capacitate de autoaliniere pentru a compensa deformarea arborelui și nealinierea carcasei. Geometria sferică a căii de rulare exterioare creează o amortizare a peliculei de ulei care ajută la controlul transmiterii vibrațiilor.

Jocul intern al rulmentului afectează semnificativ caracteristicile vibrațiilor și distribuția sarcinii. Jocul excesiv permite încărcarea la impact în timpul ciclurilor de inversare a sarcinii, generând vibrații la impact de înaltă frecvență. Jocul insuficient creează condiții de preîncărcare care cresc rezistența la rulare și generarea de căldură, reducând în același timp amplitudinea vibrațiilor.

Influența designului sistemului de angrenaje asupra vibrațiilor

Geometria dinților angrenajului afectează direct amplitudinea vibrațiilor frecvenței angrenajului și conținutul armonic. Profilele dinților în evolventă, cu unghiuri de presiune adecvate și modificări ale adaosurilor, minimizează variațiile forței angrenajului și generarea de vibrații asociate.

Angrenajele elicoidale oferă o transmisie mai lină a puterii în comparație cu angrenajele cilindrice datorită caracteristicilor de angrenare graduală a dinților. Unghiul elicei creează componente axiale ale forței care necesită susținerea rulmentului axial, dar reduce semnificativ amplitudinea vibrațiilor frecvenței angrenajului.

Raportul de contact al angrenajului determină numărul de dinți angrenați simultan în timpul transmiterii puterii. Rapoartele de contact mai mari distribuie sarcina între mai mulți dinți, reducând tensiunea individuală a dinților și variațiile forței angrenajului. Rapoartele de contact peste 1,5 oferă o reducere semnificativă a vibrațiilor în comparație cu rapoartele mai mici.

Precizia de fabricație a angrenajelor afectează generarea vibrațiilor prin erori de spațiere a dinților, abateri de profil și variații ale finisajului suprafeței. Gradele de calitate AGMA cuantifică precizia de fabricație, gradele superioare producând niveluri de vibrații mai mici, dar necesitând procese de fabricație mai costisitoare.

Distribuția sarcinii pe lățimea feței roții dințate influențează concentrațiile locale de stres și generarea de vibrații. Suprafețele coronate ale dinților și alinierea corectă a arborelui asigură o distribuție uniformă a sarcinii, reducând la minimum încărcarea pe muchie care creează componente de vibrații de înaltă frecvență.

Sisteme de arbori cardanici în aplicații WGB

Blocurile de transmisie a roților cu transmisie a puterii prin arbore cardanic permit distanțe de separare mai mari între motor și setul de roți, oferind în același timp o capacitate de cuplare flexibilă. Articulațiile universale de la fiecare capăt al arborelui cardanic creează constrângeri cinematice care generează modele caracteristice de vibrații.

Funcționarea unei singure articulații universale produce variații de viteză care creează vibrații la o frecvență de rotație dublă față de cea a arborelui. Amplitudinea acestei vibrații depinde de unghiul de funcționare a articulației, unghiurile mai mari producând niveluri de vibrații mai ridicate, conform unor relații cinematice bine stabilite.

Aranjamentele cu articulații universale duble, cu o fazare corespunzătoare, elimină variațiile de viteză de ordinul întâi, dar introduc efecte de ordin superior care devin semnificative la unghiuri mari de funcționare. Articulațiile cu viteză constantă oferă caracteristici de vibrație superioare, dar necesită proceduri de fabricație și întreținere mai complexe.

Turațiile critice ale arborelui cardanic trebuie să rămână bine separate de intervalele de viteză de funcționare pentru a evita amplificarea rezonanței. Diametrul, lungimea și proprietățile materialului arborelui determină pozițiile critice ale vitezei, necesitând o analiză atentă a proiectării pentru fiecare aplicație.

Caracteristicile vibrațiilor în diferite condiții de funcționare

Funcționarea locomotivelor prezintă diverse condiții de operare care afectează semnificativ semnăturile vibrațiilor și interpretarea diagnosticelor. Testarea statică cu locomotivele sprijinite pe standuri de întreținere elimină vibrațiile induse de calea ferată și forțele de interacțiune roată-șină, oferind condiții controlate pentru măsurătorile de referință.

Sistemele de suspensie ale trenului de rulare izolează caroseria locomotivei de vibrațiile osiilor montate în timpul funcționării normale, dar pot introduce efecte de rezonanță la anumite frecvențe. Frecvențele naturale ale suspensiei primare variază de obicei între 1-3 Hz pentru modurile verticale și 0,5-1,5 Hz pentru modurile laterale, afectând potențial transmisia vibrațiilor de joasă frecvență.

Neregularitățile liniei provoacă vibrații ale osiilor montate pe game largi de frecvență, în funcție de viteza trenului și de starea căii ferate. Îmbinările șinei creează impacturi periodice la frecvențe determinate de lungimea șinei și de viteza trenului, în timp ce variațiile ecartamentului liniei generează vibrații laterale care se cuplează cu modurile de oscilare a osiilor montate.

Forțele de tracțiune și frânare introduc sarcini suplimentare care afectează distribuția sarcinii lagărelor și caracteristicile angrenajului angrenajului. Sarcinile mari de tracțiune cresc tensiunile de contact ale dinților angrenajului și pot deplasa zonele de sarcină din lagărele osiei montate pe roți, modificând modelele de vibrații în comparație cu condițiile fără încărcare.

Caracteristicile vibrațiilor mașinilor auxiliare

Sistemele de ventilatoare de răcire utilizează diverse modele de rotoare care creează semnături distincte de vibrații. Ventilatoarele centrifuge generează vibrații ale frecvenței de trecere a palelor cu o amplitudine care depinde de numărul palelor, viteza de rotație și sarcina aerodinamică. Ventilatoarele axiale produc frecvențe similare de trecere a palelor, dar cu un conținut armonic diferit din cauza diferențelor de model de curgere.

Dezechilibrul ventilatorului creează vibrații la o frecvență de rotație cu amplitudine proporțională cu pătratul vitezei, similar altor mașini rotative. Cu toate acestea, forțele aerodinamice provenite de la murdărirea, eroziunea sau deteriorarea palelor pot crea componente suplimentare de vibrații care complică interpretarea diagnosticului.

Sistemele de compresoare de aer utilizează de obicei modele cu mișcare alternativă care generează vibrații la frecvența de rotație a arborelui cotit și la armonicele acestuia. Numărul de cilindri și secvența de aprindere determină conținutul de armonice, mai mulți cilindri producând în general o funcționare mai lină și niveluri mai scăzute de vibrații.

Vibrațiile pompelor hidraulice depind de tipul pompei și de condițiile de funcționare. Pompele cu angrenaje produc vibrații cu frecvență de încadrare similară cu sistemele de angrenaje, în timp ce pompele cu palete generează vibrații cu frecvență de trecere a palelor. Pompele cu debit variabil pot prezenta modele complexe de vibrații care variază în funcție de setările de debit și de condițiile de sarcină.

Efectele sistemului de susținere și montare a arborelui

Rigiditatea carcasei rulmenților afectează semnificativ transmiterea vibrațiilor de la componentele rotative la structurile staționare. Carcasele flexibile pot reduce transmiterea vibrațiilor, dar permit o mișcare mai mare a arborelui, care poate afecta jocurile interne și distribuția sarcinii.

Rigiditatea fundației și aranjamentele de montare influențează frecvențele de rezonanță structurală și caracteristicile de amplificare a vibrațiilor. Sistemele de montare moale oferă izolare la vibrații, dar pot crea rezonanțe de joasă frecvență care amplifică vibrațiile induse de dezechilibru.

Cuplarea mai multor arbori prin elemente flexibile sau angrenaje creează sisteme dinamice complexe cu frecvențe naturale și forme de mod multiple. Aceste sisteme cuplate pot prezenta frecvențe de bătaie atunci când frecvențele componentelor individuale diferă ușor, creând modele de modulație a amplitudinii în măsurătorile vibrațiilor.

2.3.1.5. Echipamente tehnice și software pentru monitorizarea și diagnosticarea vibrațiilor

Cerințe pentru sistemele de măsurare și analiză a vibrațiilor

Diagnosticarea eficientă a vibrațiilor componentelor locomotivelor feroviare necesită capacități sofisticate de măsurare și analiză care să abordeze provocările unice ale mediilor feroviare. Sistemele moderne de analiză a vibrațiilor trebuie să ofere o gamă dinamică largă, o rezoluție de înaltă frecvență și o funcționare robustă în condiții de mediu dure, inclusiv temperaturi extreme, interferențe electromagnetice și șocuri mecanice.

Cerințele privind gama dinamică pentru aplicațiile locomotivelor depășesc de obicei 80 dB pentru a capta atât defectele incipiente de mică amplitudine, cât și vibrațiile operaționale de mare amplitudine. Această gamă permite măsurători de la micrometri pe secundă pentru defectele incipiente ale lagărelor până la sute de milimetri pe secundă pentru condiții de dezechilibru sever.

Rezoluția de frecvență determină capacitatea de a separa componentele spectrale apropiate și de a identifica modelele de modulație caracteristice anumitor tipuri de defecte. Lățimea de bandă a rezoluției nu trebuie să depășească 1% din cea mai mică frecvență de interes, necesitând o selecție atentă a parametrilor de analiză pentru fiecare aplicație de măsurare.

Stabilitatea temperaturii asigură precizia măsurătorilor pe intervalele largi de temperatură întâlnite în aplicațiile locomotivelor. Sistemele de măsurare trebuie să mențină precizia de calibrare în intervalul ±5% pe intervalele de temperatură de la -40°C la +70°C pentru a se adapta variațiilor sezoniere și efectelor de încălzire ale echipamentelor.

Indicatori de stare a rulmenților care utilizează vibrații cu ultrasunete

Analiza vibrațiilor cu ultrasunete oferă cea mai timpurie detectare posibilă a deteriorării rulmenților prin monitorizarea emisiilor de înaltă frecvență provenite de la contactul cu asperitățile de suprafață și de la deteriorarea peliculei de lubrifiere. Aceste fenomene preced semnăturile vibrațiilor convenționale cu săptămâni sau luni, permițând programarea proactivă a întreținerii.

Măsurătorile energiei vârfurilor cuantifică emisiile ultrasonice impulsive folosind filtre specializate care accentuează evenimentele tranzitorii, suprimând în același timp zgomotul de fond în stare staționară. Tehnica utilizează filtrare trece-sus peste 5 kHz, urmată de detectarea anvelopei și calcularea RMS pe ferestre de timp scurte.

Analiza anvelopei de înaltă frecvență (HFE) extrage informații de modulație a amplitudinii din semnalele purtătoare cu ultrasunete, dezvăluind modele de modulație de joasă frecvență corespunzătoare frecvențelor defectelor lagărelor. Această abordare combină sensibilitatea ultrasonică cu capacitățile convenționale de analiză a frecvenței.

Metoda impulsurilor de șoc (SPM) măsoară amplitudinile de vârf ale tranzienților ultrasonici utilizând traductoare rezonante specializate, reglate la aproximativ 32 kHz. Această tehnică oferă indicatori adimensionali ai stării rulmenților care se corelează bine cu severitatea deteriorării rulmenților.

Indicatorii de stare cu ultrasunete necesită o calibrare și o urmărire atentă a tendințelor pentru a stabili valori de referință și rate de progresie a deteriorării. Factorii de mediu, inclusiv temperatura, încărcarea și condițiile de lubrifiere, afectează semnificativ valorile indicatorilor, necesitând baze de date de referință complete.

Analiza modulației vibrațiilor de înaltă frecvență

Rulmenții cu elemente de rostogolire generează modele caracteristice de modulație în vibrațiile de înaltă frecvență datorită variațiilor periodice de sarcină, pe măsură ce elementele de rostogolire se confruntă cu defecte de alergare. Aceste modele de modulație apar ca benzi laterale în jurul frecvențelor de rezonanță structurală și al frecvențelor naturale ale rulmentului.

Tehnicile de analiză a anvelopei extrag informații de modulație prin filtrarea semnalelor de vibrație pentru a izola benzile de frecvență care conțin rezonanțe ale lagărelor, aplicarea detecției anvelopei pentru a recupera variațiile de amplitudine și analizarea spectrului anvelopei pentru a identifica frecvențele defectelor.

Identificarea rezonanței devine critică pentru o analiză eficientă a anvelopei, deoarece excitația la impact a rulmentului excită preferențial rezonanțe structurale specifice. Testarea sinusoidală cu baleiere sau analiza modală la impact ajută la identificarea benzilor de frecvență optime pentru analiza anvelopei fiecărei locații a rulmentului.

Tehnicile de filtrare digitală pentru analiza anvelopei includ filtre cu răspuns finit la impuls (FIR) care oferă caracteristici de fază liniară și evită distorsiunea semnalului și filtre cu răspuns infinit la impuls (IIR) care oferă caracteristici de atenuare abruptă cu cerințe de calcul reduse.

Parametrii analizei spectrului anvelopei afectează semnificativ sensibilitatea și precizia diagnosticului. Lățimea de bandă a filtrului ar trebui să cuprindă rezonanța structurală, excluzând rezonanțele adiacente, iar lungimea ferestrei de analiză trebuie să ofere o rezoluție de frecvență adecvată pentru a separa frecvențele defectelor lagărelor și armonicele acestora.

Sisteme complete de monitorizare a echipamentelor rotative

Instalațiile moderne de întreținere a locomotivelor utilizează sisteme integrate de monitorizare care combină mai multe tehnici de diagnosticare pentru a oferi o evaluare completă a stării echipamentelor rotative. Aceste sisteme integrează analiza vibrațiilor cu analiza uleiului, monitorizarea termică și parametrii de performanță pentru a spori precizia diagnosticării.

Analizoarele portabile de vibrații servesc drept instrumente principale de diagnosticare pentru evaluarea periodică a stării în timpul intervalelor de întreținere programate. Aceste instrumente oferă analiză spectrală, captare a formei de undă în timp și algoritmi automati de detectare a defecțiunilor optimizați pentru aplicațiile locomotivelor.

Sistemele de monitorizare instalate permanent permit supravegherea continuă a componentelor critice în timpul funcționării. Aceste sisteme utilizează rețele de senzori distribuiți, transmisie wireless de date și algoritmi de analiză automatizați pentru a oferi evaluarea stării în timp real și generarea de alarme.

Capacitățile de integrare a datelor combină informații din mai multe tehnici de diagnosticare pentru a îmbunătăți fiabilitatea detectării defectelor și a reduce ratele de alarmă falsă. Algoritmii de fuziune ponderează contribuțiile diferitelor metode de diagnosticare în funcție de eficacitatea lor pentru anumite tipuri de defecte și condiții de funcționare.

Tehnologii de senzori și metode de instalare

Alegerea senzorilor de vibrații afectează semnificativ calitatea măsurătorilor și eficacitatea diagnosticării. Accelerometrele piezoelectrice oferă un răspuns în frecvență și o sensibilitate excelente pentru majoritatea aplicațiilor locomotivelor, în timp ce traductoarele electromagnetice de viteză oferă un răspuns superior la frecvență joasă pentru utilajele rotative mari.

Metodele de montare a senzorilor influențează critic precizia și fiabilitatea măsurătorilor. Știfturile filetate asigură o cuplare mecanică optimă pentru instalările permanente, în timp ce montarea magnetică oferă confort pentru măsurători periodice pe suprafețe feromagnetice. Montarea adezivă este potrivită pentru suprafețe neferomagnetice, dar necesită pregătirea suprafeței și timp de întărire.

Orientarea senzorului afectează sensibilitatea măsurătorilor la diferite moduri de vibrație. Măsurătorile radiale detectează cel mai eficient dezechilibrul și nealinierea, în timp ce măsurătorile axiale dezvăluie problemele lagărelor axiale și nealinierea cuplajului. Măsurătorile tangențiale oferă informații unice despre vibrațiile torsionale și dinamica angrenajului angrenajului.

Protecția mediului necesită o analiză atentă a temperaturilor extreme, a expunerii la umiditate și a interferențelor electromagnetice. Accelerometrele etanșe cu cabluri integrate oferă o fiabilitate superioară în comparație cu modelele cu conectori detașabili în medii feroviare dure.

Condiționarea semnalelor și achiziția de date

Electronica de condiționare a semnalului asigură excitația, amplificarea și filtrarea senzorilor, necesare pentru măsurători precise ale vibrațiilor. Circuitele de excitație cu curent constant alimentează accelerometrele piezoelectrice, menținând în același timp o impedanță de intrare ridicată pentru a păstra sensibilitatea senzorului.

Filtrele anti-aliasing previn artefactele de pliere a frecvenței în timpul conversiei analog-digitale prin atenuarea componentelor semnalului peste frecvența Nyquist. Aceste filtre trebuie să ofere o respingere adecvată a benzii de oprire, menținând în același timp un răspuns plat în banda de trecere pentru a păstra fidelitatea semnalului.

Rezoluția conversiei analog-digitale determină intervalul dinamic și precizia măsurării. Conversia pe 24 de biți oferă un interval dinamic teoretic de 144 dB, permițând măsurarea atât a semnăturilor de defecte de mică amplitudine, cât și a vibrațiilor operaționale de mare amplitudine în cadrul aceleiași achiziții.

Selectarea frecvenței de eșantionare respectă criteriul Nyquist, care impune rate de eșantionare de cel puțin două ori mai mari decât cea mai mare frecvență de interes. Implementările practice utilizează rapoarte de supraeșantionare de 2,5:1 până la 4:1 pentru a acomoda benzile de tranziție ale filtrului anti-aliasing și a oferi flexibilitate în analiză.

Selectarea și orientarea punctului de măsurare

Monitorizarea eficientă a vibrațiilor necesită selectarea sistematică a locațiilor de măsurare care oferă o sensibilitate maximă la condițiile de defect, minimizând în același timp interferențele din partea surselor externe de vibrații. Punctele de măsurare ar trebui să fie amplasate cât mai aproape posibil de suporturile lagărelor și de alte căi critice de sarcină.

Măsurătorile carcasei rulmenților oferă informații directe despre starea rulmentului și dinamica internă. Măsurătorile radiale ale carcaselor rulmenților detectează cel mai eficient dezechilibrul, nealinierea și defectele rulmenților, în timp ce măsurătorile axiale dezvăluie problemele de încărcare axială și de cuplare.

Măsurătorile cadrului motorului captează vibrațiile electromagnetice și starea generală a motorului, dar pot prezenta o sensibilitate mai scăzută la defectele rulmenților din cauza atenuării vibrațiilor prin structura motorului. Aceste măsurători completează măsurătorile carcasei rulmenților pentru o evaluare completă a motorului.

Măsurătorile carcasei de transmisie detectează vibrațiile angrenajului și dinamica internă a angrenajului, dar necesită o interpretare atentă din cauza căilor complexe de transmitere a vibrațiilor și a surselor multiple de excitație. Locațiile de măsurare în apropierea liniilor centrale ale angrenajului oferă o sensibilitate maximă la problemele legate de angrenaj.

Selectarea modului de operare pentru testarea diagnostică

Eficacitatea testelor de diagnosticare depinde în mare măsură de selectarea condițiilor de funcționare adecvate care oferă excitația optimă a vibrațiilor legate de defecțiune, menținând în același timp siguranța și protecția echipamentului. Diferite moduri de funcționare dezvăluie aspecte diferite ale stării componentelor și ale dezvoltării defecțiunilor.

Testarea fără sarcină elimină sursele de vibrații dependente de sarcină și oferă măsurători de referință pentru comparație cu condițiile de încărcare. Acest mod dezvăluie cel mai clar dezechilibrul, nealinierea și problemele electromagnetice, reducând în același timp vibrațiile angrenajului și efectele sarcinii rulmentului.

Testarea la diferite niveluri de putere relevă fenomene dependente de sarcină, inclusiv dinamica angrenajului angrenajului, efectele distribuției sarcinii rulmenților și influențele încărcării electromagnetice. Încărcarea progresivă ajută la diferențierea între sursele de vibrații independente de sarcină și cele dependente de sarcină.

Testarea direcțională cu rotație înainte și înapoi oferă informații suplimentare de diagnostic despre problemele asimetrice, cum ar fi modelele de uzură a dinților angrenajului, variațiile preîncărcării rulmenților și caracteristicile de uzură ale cuplajului. Unele defecte prezintă o sensibilitate direcțională care ajută la localizarea defectului.

Testarea frecvenței în timpul pornirii și opririi surprinde comportamentul vibrațiilor pe întregul interval de viteze de funcționare, dezvăluind condițiile de rezonanță și fenomenele dependente de viteză. Aceste măsurători ajută la identificarea vitezelor critice și a locațiilor frecvenței naturale.

Efectele lubrifierii asupra semnăturilor de diagnostic

Starea de lubrifiere afectează semnificativ semnăturile vibrațiilor și interpretarea diagnosticelor, în special pentru aplicațiile de monitorizare a rulmenților. Lubrifiantul proaspăt oferă o amortizare eficientă care reduce transmiterea vibrațiilor, în timp ce lubrifiantul contaminat sau degradat poate amplifica semnăturile defectului.

Modificările vâscozității lubrifiantului odată cu temperatura afectează dinamica rulmentului și caracteristicile vibrațiilor. Lubrifiantul rece crește amortizarea vâscozității și poate masca defectele incipiente ale rulmentului, în timp ce lubrifiantul supraîncălzit oferă o amortizare și o protecție reduse.

Lubrifiantul contaminat care conține particule de uzură, apă sau materiale străine creează surse suplimentare de vibrații prin contact abraziv și turbulențele de curgere. Aceste efecte pot supraestima semnăturile defectului real și pot complica interpretarea diagnosticului.

Problemele sistemului de lubrifiere, inclusiv debitul inadecvat, variațiile de presiune și neregularitățile de distribuție, creează condiții de sarcină a rulmenților variabile în timp, care afectează modelele de vibrații. Corelarea dintre funcționarea sistemului de lubrifiere și caracteristicile vibrațiilor oferă informații valoroase de diagnosticare.

Recunoașterea erorilor de măsurare și controlul calității

Diagnosticarea fiabilă necesită identificarea și eliminarea sistematică a erorilor de măsurare care pot duce la concluzii incorecte și acțiuni de întreținere inutile. Sursele comune de erori includ probleme de montare a senzorilor, interferențe electrice și parametri de măsurare neadecvați.

Verificarea montării senzorului utilizează tehnici simple, inclusiv teste de excitație manuală, măsurători comparative în locații adiacente și verificarea răspunsului în frecvență utilizând surse de excitație cunoscute. Montarea liberă reduce de obicei sensibilitatea la frecvență înaltă și poate introduce rezonanțe false.

Detectarea interferențelor electrice implică identificarea componentelor spectrale la frecvența rețelei (50/60 Hz) și a armonicelor acestora, măsurători comparative cu alimentarea deconectată și evaluarea coerenței dintre vibrații și semnalele electrice. Împământarea și ecranarea corespunzătoare elimină majoritatea surselor de interferență.

Verificarea parametrilor include confirmarea unităților de măsură, a setărilor intervalului de frecvență și a parametrilor de analiză. Selecția incorectă a parametrilor poate duce la artefacte de măsurare care imită semnăturile de eroare autentice.

Arhitectura sistemelor de diagnosticare integrate

Instalațiile moderne de întreținere a locomotivelor utilizează sisteme de diagnosticare integrate care combină multiple tehnici de monitorizare a stării cu capacități centralizate de gestionare și analiză a datelor. Aceste sisteme oferă o evaluare completă a echipamentelor, reducând în același timp cerințele manuale de colectare și analiză a datelor.

Rețelele de senzori distribuiți permit monitorizarea simultană a mai multor componente pe întreaga structură a locomotivei. Nodurile de senzori wireless reduc complexitatea instalării și cerințele de întreținere, asigurând în același timp transmiterea datelor în timp real către sistemele centrale de procesare.

Algoritmii de analiză automată procesează fluxurile de date primite pentru a identifica problemele în curs de dezvoltare și a genera recomandări de întreținere. Tehnicile de învățare automată adaptează parametrii algoritmului pe baza datelor istorice și a rezultatelor întreținerii pentru a îmbunătăți acuratețea diagnosticării în timp.

Integrarea bazei de date combină rezultatele analizei vibrațiilor cu istoricul întreținerii, condițiile de funcționare și specificațiile componentelor pentru a oferi asistență completă pentru evaluarea echipamentelor și planificarea întreținerii.

2.3.1.6. Implementarea practică a tehnologiei de măsurare a vibrațiilor

Familiarizarea și configurarea sistemului de diagnosticare

Diagnosticarea eficientă a vibrațiilor începe cu o înțelegere aprofundată a capacităților și limitelor echipamentelor de diagnosticare. Analizoarele portabile moderne integrează multiple funcții de măsurare și analiză, necesitând instruire sistematică pentru a utiliza eficient toate caracteristicile disponibile.

Configurarea sistemului implică stabilirea parametrilor de măsurare adecvați pentru aplicațiile locomotivelor, inclusiv intervalele de frecvență, setările de rezoluție și tipurile de analiză. Configurațiile implicite rareori oferă performanțe optime pentru aplicații specifice, necesitând personalizarea bazată pe caracteristicile componentelor și obiectivele de diagnosticare.

Verificarea calibrării asigură acuratețea măsurătorilor și trasabilitatea la standardele naționale. Acest proces implică conectarea surselor de calibrare de precizie și verificarea răspunsului sistemului pe toate intervalele de frecvență și amplitudine utilizate pentru măsurătorile de diagnostic.

Configurarea bazei de date stabilește ierarhii ale echipamentelor, definiții ale punctelor de măsurare și parametri de analiză pentru fiecare componentă monitorizată. Organizarea corectă a bazei de date facilitează colectarea eficientă a datelor și permite compararea automată cu tendințele istorice și limitele de alarmă.

Dezvoltarea rutelor și configurarea bazei de date

Dezvoltarea rutelor implică identificarea sistematică a punctelor de măsurare și a secvențelor care oferă o acoperire completă a componentelor critice, optimizând în același timp eficiența colectării datelor. Rutele eficiente echilibrează caracterul complet al diagnosticului cu constrângerile de timp practice.

Selectarea punctelor de măsurare prioritizează locațiile, oferind o sensibilitate maximă la potențialele condiții de defecțiune, asigurând în același timp amplasarea repetabilă a senzorilor și accesul în condiții de siguranță acceptabil. Fiecare punct de măsurare necesită documentarea locației exacte, a orientării senzorului și a parametrilor de măsurare.

Sistemele de identificare a componentelor permit organizarea și analiza automată a datelor prin conectarea punctelor de măsurare cu elemente specifice ale echipamentelor. Organizarea ierarhică facilitează analiza la nivelul întregii flote și compararea între componente similare de pe mai multe locomotive.

Definirea parametrilor de analiză stabilește intervalele de frecvență, setările de rezoluție și opțiunile de procesare adecvate pentru fiecare punct de măsurare. Poziționarea rulmenților necesită capacitate de înaltă frecvență cu opțiuni de analiză a anvelopei, în timp ce măsurătorile de echilibrare și aliniere pun accentul pe performanța la frecvență joasă.

Proceduri de inspecție vizuală și pregătire

Inspecția vizuală oferă informații esențiale despre starea componentelor și potențialele complicații ale măsurătorilor înainte de efectuarea măsurătorilor de vibrații. Această inspecție relevă probleme evidente care pot să nu necesite o analiză detaliată a vibrațiilor, identificând în același timp factorii care ar putea afecta calitatea măsurătorilor.

Inspecția sistemului de lubrifiere include verificarea nivelurilor de lubrifiant, a dovezilor de scurgeri și a indicatorilor de contaminare. Lubrifierea inadecvată afectează caracteristicile vibrațiilor și poate indica defecțiuni iminente care necesită atenție imediată, indiferent de nivelurile de vibrații.

Inspecția accesoriilor de montare identifică șuruburile slăbite, componentele deteriorate și problemele structurale care ar putea afecta transmiterea vibrațiilor sau montarea senzorului. Aceste probleme pot necesita corecții înainte ca măsurătorile fiabile să devină posibile.

Pregătirea suprafeței pentru montarea senzorului implică curățarea suprafețelor de măsurare, îndepărtarea vopselei sau a coroziunii și asigurarea unei angrenări filetate adecvate pentru știfturile de montare permanente. Pregătirea corectă a suprafeței afectează direct calitatea și repetabilitatea măsurătorilor.

Evaluarea pericolelor de mediu identifică problemele de siguranță, inclusiv suprafețele fierbinți, utilajele rotative, pericolele electrice și structurile instabile. Considerațiile de siguranță pot necesita proceduri speciale sau echipamente de protecție pentru personalul de măsurare.

Stabilirea modului de funcționare a componentelor

Măsurătorile de diagnosticare necesită stabilirea unor condiții de funcționare consistente care să ofere rezultate repetabile și o sensibilitate optimă la condițiile de defect. Selectarea modului de funcționare depinde de designul componentelor, instrumentația disponibilă și constrângerile de siguranță.

Funcționarea fără sarcină oferă măsurători de referință cu influențe externe minime din cauza încărcării mecanice sau a variațiilor sarcinii electrice. Acest mod relevă cel mai clar problemele fundamentale, inclusiv dezechilibrul, nealinierea și defecțiunile electromagnetice.

Funcționarea în sarcină la niveluri de putere specificate relevă fenomene dependente de sarcină care pot să nu apară în timpul testării fără sarcină. Încărcarea progresivă ajută la identificarea problemelor sensibile la sarcină și stabilește relații de severitate în scopuri de generare de tendințe.

Sistemele de control al vitezei mențin viteze de rotație constante în timpul achiziției măsurătorilor pentru a asigura stabilitatea frecvenței și a permite o analiză spectrală precisă. Variațiile de viteză în timpul măsurătorilor creează neuniformități spectrale care reduc rezoluția analizei și precizia diagnosticului.

Stabilirea echilibrului termic asigură că măsurătorile reprezintă condiții normale de funcționare, mai degrabă decât efecte tranzitorii de pornire. Majoritatea mașinilor rotative necesită 15-30 de minute de funcționare pentru a atinge stabilitatea termică și niveluri reprezentative de vibrații.

Măsurarea și verificarea vitezei de rotație

Măsurarea precisă a vitezei de rotație oferă informații de referință esențiale pentru analiza spectrală și calculele frecvenței defectelor. Erorile de măsurare a vitezei afectează direct precizia diagnosticului și pot duce la identificarea incorectă a defectelor.

Tahometrele optice oferă măsurarea vitezei fără contact folosind bandă reflectorizantă sau caracteristici naturale ale suprafeței. Aceste instrumente oferă avantaje de precizie ridicată și siguranță, dar necesită acces direct la fața locului și un contrast adecvat al suprafeței pentru o funcționare fiabilă.

Senzorii magnetici detectează trecerea elementelor feromagnetice, cum ar fi dinții angrenajelor sau canalele arborelui. Acești senzori oferă o precizie excelentă și imunitate la contaminare, dar necesită instalarea de senzori și ținte pe componentele rotative.

Măsurarea stroboscopică a vitezei utilizează lumini intermitente sincronizate pentru a crea imagini staționare aparente ale componentelor rotative. Această tehnică oferă verificarea vizuală a vitezei de rotație și permite observarea comportamentului dinamic în timpul funcționării.

Verificarea vitezei prin analiză spectrală implică identificarea vârfurilor spectrale proeminente corespunzătoare frecvențelor de rotație cunoscute și compararea cu măsurători directe ale vitezei. Această abordare oferă confirmarea preciziei măsurătorilor și ajută la identificarea componentelor spectrale legate de viteză.

Colectarea datelor privind vibrațiile în mai multe puncte

Colectarea sistematică a datelor privind vibrațiile urmează rute și secvențe de măsurare predeterminate pentru a asigura o acoperire completă, menținând în același timp calitatea și eficiența măsurătorilor. Procedurile de colectare a datelor trebuie să se adapteze la diferite condiții de acces și configurații ale echipamentelor.

Repetabilitatea plasării senzorilor asigură consecvența măsurătorilor între sesiunile succesive de colectare a datelor. Știfturile de montare permanente oferă o repetabilitate optimă, dar este posibil să nu fie practice pentru toate locațiile de măsurare. Metodele de montare temporară necesită o documentație atentă și instrumente de poziționare.

Considerațiile privind momentul măsurării includ un timp de stabilizare adecvat după instalarea senzorului, o durată suficientă a măsurării pentru acuratețe statistică și coordonarea cu programele de funcționare ale echipamentelor. Măsurătorile efectuate în grabă produc adesea rezultate nesigure, care complică interpretarea diagnosticului.

Documentația condițiilor de mediu include temperatura ambiantă, umiditatea și nivelurile de fond acustic care pot afecta calitatea sau interpretarea măsurătorilor. Condițiile extreme pot necesita amânarea măsurătorilor sau modificări ale parametrilor.

Evaluarea calității în timp real implică monitorizarea caracteristicilor semnalului în timpul achiziției pentru a identifica problemele de măsurare înainte de finalizarea colectării datelor. Analizoarele moderne oferă afișaje spectrale și statistici ale semnalului care permit evaluarea imediată a calității.

Monitorizare acustică și măsurare a temperaturii

Monitorizarea emisiilor acustice completează analiza vibrațiilor prin detectarea undelor de stres de înaltă frecvență generate de propagarea fisurilor, frecare și fenomene de impact. Aceste măsurători oferă avertizări timpurii cu privire la apariția unor probleme care pot să nu producă încă modificări măsurabile ale vibrațiilor.

Dispozitivele de ascultare cu ultrasunete permit monitorizarea sonoră a stării rulmenților prin tehnici de schimbare a frecvenței care convertesc emisiile ultrasonice în frecvențe sonore. Tehnicienii experimentați pot identifica sunetele caracteristice asociate cu anumite tipuri de defecte.

Măsurătorile de temperatură oferă informații esențiale despre starea termică a componentelor și ajută la validarea rezultatelor analizei vibrațiilor. Monitorizarea temperaturii rulmenților relevă probleme de lubrifiere și condiții de încărcare care afectează caracteristicile vibrațiilor.

Termografia cu infraroșu permite măsurarea temperaturii fără contact și identificarea modelelor termice care indică probleme mecanice. Punctele fierbinți pot indica probleme de frecare, nealiniere sau lubrifiere care necesită atenție imediată.

Analiza tendinței temperaturii, combinată cu analiza tendinței vibrațiilor, oferă o evaluare completă a stării componentelor și a ratelor de degradare. Creșterile simultane de temperatură și vibrații indică adesea procese accelerate de uzură care necesită acțiuni prompte de întreținere.

Verificarea calității datelor și detectarea erorilor

Verificarea calității măsurătorilor implică evaluarea sistematică a datelor achiziționate pentru a identifica potențiale erori sau anomalii care ar putea duce la concluzii diagnostice incorecte. Procedurile de control al calității trebuie aplicate imediat după colectarea datelor, cât timp condițiile de măsurare rămân proaspete în memorie.

Indicatorii calității analizei spectrale includ praguri de zgomot adecvate, absența artefactelor evidente de aliasing și un conținut de frecvență rezonabil în raport cu sursele de excitație cunoscute. Vârfurile spectrale ar trebui să se alinieze cu frecvențele așteptate pe baza vitezelor de rotație și a geometriei componentelor.

Inspecția formei de undă temporale relevă caracteristici ale semnalului care pot să nu fie evidente în analiza domeniului frecvenței. Clipping-ul, decalajele de curent continuu și anomaliile periodice indică probleme ale sistemului de măsurare care necesită corectare înainte de analiza datelor.

Verificarea repetabilității implică colectarea mai multor măsurători în condiții identice pentru a evalua consecvența măsurătorilor. Variabilitatea excesivă indică condiții de funcționare instabile sau probleme ale sistemului de măsurare.

Comparația istorică oferă context pentru evaluarea măsurătorilor actuale în raport cu datele anterioare din aceleași puncte de măsurare. Schimbările bruște pot indica probleme reale ale echipamentelor sau erori de măsurare care necesită investigare.

2.3.1.7. Evaluarea practică a stării rulmenților utilizând date de măsurare primare

Analiza erorilor de măsurare și validarea datelor

Diagnosticarea fiabilă a rulmenților necesită identificarea și eliminarea sistematică a erorilor de măsurare care pot masca semnăturile de defecțiuni reale sau pot crea indicații false. Analiza erorilor începe imediat după colectarea datelor, în timp ce condițiile și procedurile de măsurare rămân clare în memorie.

Validarea prin analiză spectrală implică examinarea caracteristicilor domeniului de frecvență pentru a verifica consistența cu sursele de excitație cunoscute și cu capacitățile sistemului de măsurare. Semnăturile defectelor autentice ale rulmenților prezintă relații de frecvență specifice și modele armonice care le diferențiază de artefactele de măsurare.

Analiza în domeniul timpului relevă caracteristicile semnalului care pot indica probleme de măsurare, inclusiv clipping, interferențe electrice și perturbații mecanice. Semnalele defectelor lagărelor prezintă de obicei caracteristici impulsive cu factori de creastă ridicați și modele de amplitudine periodice.

Analiza tendințelor istorice oferă un context esențial pentru evaluarea măsurătorilor actuale în raport cu datele anterioare din locații de măsurare identice. Schimbările graduale indică o degradare reală a echipamentelor, în timp ce schimbările bruște pot sugera erori de măsurare sau influențe externe.

Verificarea pe mai multe canale implică compararea măsurătorilor de la mai mulți senzori de pe aceeași componentă pentru a identifica sensibilitatea direcțională și a confirma prezența defectului. Defectele lagărelor afectează de obicei mai multe direcții de măsurare, menținând în același timp relațiile de frecvență caracteristică.

Evaluarea factorilor de mediu ia în considerare influențele externe, inclusiv variațiile de temperatură, modificările de încărcare și fundalul acustic, care pot afecta calitatea sau interpretarea măsurătorilor. Corelarea dintre condițiile de mediu și caracteristicile vibrațiilor oferă informații diagnostice valoroase.

Verificarea vitezei de rotație prin analiză spectrală

Determinarea precisă a vitezei de rotație oferă fundamentul pentru toate calculele de frecvență a defectelor lagărelor și interpretarea diagnostică. Analiza spectrală oferă multiple abordări pentru verificarea vitezei care completează măsurătorile directe cu tahometru.

Identificarea frecvenței fundamentale implică localizarea vârfurilor spectrale corespunzătoare frecvenței de rotație a arborelui, care ar trebui să apară proeminent în majoritatea spectrelor mașinilor rotative din cauza dezechilibrului rezidual sau a unei ușoare nealinieri. Frecvența fundamentală oferă referința de bază pentru toate calculele frecvenței armonice și a lagărelor.

Analiza modelului armonic examinează relația dintre frecvența fundamentală și armonicele acesteia pentru a confirma precizia vitezei și a identifica probleme mecanice suplimentare. Dezechilibrul pur de rotație produce predominant vibrații de frecvență fundamentală, în timp ce problemele mecanice generează armonice mai mari.

Identificarea frecvenței electromagnetice în aplicațiile cu motoare dezvăluie componentele frecvenței de linie și frecvențele de trecere a fantelor, care oferă o verificare independentă a vitezei. Aceste frecvențe mențin relații fixe cu frecvența alimentării electrice și parametrii de proiectare ai motorului.

Identificarea frecvenței angrenajului roților dințate în sistemele cu angrenaje oferă o determinare extrem de precisă a vitezei prin relația dintre frecvența angrenajului și viteza de rotație. Frecvențele angrenajului roților dințate produc de obicei vârfuri spectrale proeminente cu rapoarte semnal-zgomot excelente.

Evaluarea variației vitezei examinează claritatea vârfurilor spectrale și structura benzilor laterale pentru a evalua stabilitatea vitezei în timpul achiziției măsurătorilor. Instabilitatea vitezei creează pete spectrale și generarea de benzi laterale care reduc precizia analizei și pot masca semnăturile defectelor rulmenților.

Calculul și identificarea frecvenței defectelor la rulmenți

Calculele frecvenței defectelor lagărelor necesită date precise despre geometria lagărelor și informații precise despre viteza de rotație. Aceste calcule oferă frecvențe teoretice care servesc drept șabloane pentru identificarea semnăturilor reale ale defectelor lagărelor în spectrele măsurate.

Frecvența de trecere a bilei Calculul exterior al rulmentului (BPFO) reprezintă rata la care elementele de rulare întâlnesc defecte ale calcului exterior al rulmentului. Această frecvență variază de obicei de la 0,4 la 0,6 ori frecvența de rotație, în funcție de geometria rulmentului și de caracteristicile unghiului de contact.

Frecvența de trecere a bilei pe calea de rulare interioară (BPFI) indică rata de contact a elementului de rulare cu defectele căii de rulare interioare. BPFI depășește de obicei BPFO cu 20-40% și poate prezenta modulație de amplitudine la frecvența de rotație din cauza efectelor zonei de sarcină.

Frecvența fundamentală a trenului (FTF) reprezintă frecvența de rotație a coliviei și este de obicei egală cu 0,35-0,45 ori frecvența de rotație a arborelui. Defectele coliviei sau problemele de lubrifiere pot genera vibrații la FTF și armonicele acesteia.

Frecvența de rotație a bilelor (BSF) indică frecvența individuală de rotație a elementelor de rulare și apare rareori în spectrele de vibrații, cu excepția cazului în care elementele de rulare prezintă defecte specifice sau variații dimensionale. Identificarea BSF necesită o analiză atentă datorită amplitudinii sale tipice reduse.

Considerațiile privind toleranța la frecvență țin cont de variațiile de fabricație, efectele sarcinii și incertitudinile de măsurare care pot determina ca frecvențele reale ale defectelor să difere de calculele teoretice. Lățimile de bandă de căutare de ±5% în jurul frecvențelor calculate iau în considerare aceste variații.

Recunoașterea Spectrală a Modelelor și Identificarea Defecțiunilor

Identificarea defectelor la rulmenți necesită tehnici sistematice de recunoaștere a tiparelor care diferențiază semnăturile defectelor autentice ale rulmenților de alte surse de vibrații. Fiecare tip de defect produce tipare spectrale caracteristice care permit un diagnostic specific atunci când sunt interpretate corect.

Semnăturile defectelor de tip rasă exterioară apar de obicei ca vârfuri spectrale discrete la BPFO și armonicele sale, fără o modulație semnificativă a amplitudinii. Absența benzilor laterale de frecvență de rotație distinge defectele de tip rasă exterioară de problemele de tip rasă internă.

Semnăturile defectelor de cursă interioară prezintă frecvența fundamentală BPFI cu benzi laterale distanțate la intervale de frecvență de rotație. Această modulație a amplitudinii rezultă din efectele zonei de sarcină pe măsură ce zona defectă se rotește prin condiții de sarcină variabile.

Semnăturile defectelor elementelor de rulare pot apărea la BSF sau pot crea modulații ale altor frecvențe ale rulmenților. Aceste defecte produc adesea modele spectrale complexe care necesită o analiză atentă pentru a fi distinse de defectele de cursă.

Semnăturile defectelor coliviei se manifestă de obicei la FTF și la armonicele sale, adesea însoțite de niveluri crescute de zgomot de fond și caracteristici de amplitudine instabile. Problemele coliviei pot modula și alte frecvențe ale rulmenților.

Implementarea și interpretarea analizei anvelopei

Analiza anvelopei extrage informații de modulație a amplitudinii din vibrațiile de înaltă frecvență pentru a dezvălui tipare de defecte ale rulmenților de joasă frecvență. Această tehnică se dovedește deosebit de eficientă pentru detectarea defectelor rulmenților în stadiu incipient, care pot să nu producă vibrații măsurabile de joasă frecvență.

Selectarea benzii de frecvență pentru analiza anvelopei necesită identificarea rezonanțelor structurale sau a frecvențelor naturale ale rulmentului care devin excitate de forțele de impact ale rulmentului. Benzile de frecvență optime variază de obicei între 1000 și 8000 Hz, în funcție de dimensiunea rulmentului și de caracteristicile de montare.

Parametrii de proiectare ai filtrului afectează semnificativ rezultatele analizei anvelopei. Filtrele trece-bandă ar trebui să ofere o lățime de bandă adecvată pentru a capta caracteristicile de rezonanță, excluzând în același timp rezonanțele adiacente care pot contamina rezultatele. Caracteristicile de atenuare a filtrului afectează răspunsul tranzitoriu și sensibilitatea detectării impactului.

Interpretarea spectrului anvelopei urmează principii similare cu analiza spectrală convențională, dar se concentrează pe frecvențele de modulație mai degrabă decât pe frecvențele purtătoare. Frecvențele defectelor de rulment apar ca vârfuri discrete în spectrele anvelopei, cu amplitudini care indică severitatea defectelor.

Evaluarea calității analizei anvelopei implică evaluarea selecției filtrului, a caracteristicilor benzii de frecvență și a raporturilor semnal-zgomot pentru a asigura rezultate fiabile. Rezultatele slabe ale analizei anvelopei pot indica o selecție necorespunzătoare a filtrului sau o excitație de rezonanță structurală insuficientă.

Evaluarea amplitudinii și clasificarea severității

Evaluarea severității defectelor la rulmenți necesită o evaluare sistematică a amplitudinilor vibrațiilor în raport cu criteriile stabilite și tendințele istorice. Clasificarea severității permite planificarea întreținerii și evaluarea riscurilor pentru funcționarea continuă.

Criteriile de amplitudine absolută oferă îndrumări generale pentru evaluarea stării rulmenților, bazate pe experiența și standardele din industrie. Aceste criterii stabilesc de obicei niveluri de alertă și alarmă pentru vibrațiile generale și benzi de frecvență specifice.

Analiza tendințelor evaluează modificările amplitudinii în timp pentru a evalua ratele de degradare și a prezice durata de viață utilă rămasă. Creșterea exponențială a amplitudinii indică adesea o accelerare a deteriorării care necesită acțiuni prompte de întreținere.

Analiza comparativă evaluează starea rulmentului în raport cu rulmenți similari în aplicații identice, pentru a lua în considerare condițiile specifice de funcționare și caracteristicile de instalare. Această abordare oferă o evaluare a severității mai precisă decât criteriile absolute.

Integrarea mai multor parametri combină informații din nivelurile generale de vibrații, frecvențele specifice ale defectelor, rezultatele analizei anvelopei și măsurătorile de temperatură pentru a oferi o evaluare completă a rulmentului. Analiza cu un singur parametru poate oferi informații incomplete sau înșelătoare.

Efectele zonei de sarcină și analiza modelului de modulație

Distribuția sarcinii rulmenților afectează semnificativ semnăturile vibrațiilor și interpretarea diagnostică. Efectele zonei de sarcină creează modele de modulație a amplitudinii care oferă informații suplimentare despre starea rulmenților și caracteristicile de încărcare.

Modularea defectelor din calea de rulare interioară are loc pe măsură ce zonele defecte se rotesc prin diferite zone de sarcină în timpul fiecărei rotații. Modularea maximă are loc atunci când defectele se aliniază cu pozițiile de sarcină maximă, în timp ce modularea minimă corespunde pozițiilor descărcate.

Identificarea zonei de încărcare prin analiza modulației dezvăluie modele de încărcare a rulmenților și poate indica nealiniere, probleme la fundație sau distribuție anormală a sarcinii. Modelele de modulație asimetrice sugerează condiții de încărcare neuniforme.

Analiza benzilor laterale examinează componentele de frecvență din jurul frecvențelor defectelor lagărelor pentru a cuantifica adâncimea modulației și a identifica sursele de modulație. Benzile laterale ale frecvenței de rotație indică efectele zonei de sarcină, în timp ce alte frecvențe ale benzilor laterale pot dezvălui probleme suplimentare.

Analiza de fază a modelelor de modulație oferă informații despre locația defectelor în raport cu zonele de încărcare și poate ajuta la prezicerea modelelor de progresie a deteriorării. Tehnicile avansate de analiză pot estima durata de viață rămasă a rulmenților pe baza caracteristicilor de modulație.

Integrare cu tehnici de diagnostic complementare

Evaluarea completă a rulmenților integrează analiza vibrațiilor cu tehnici de diagnosticare complementare pentru a îmbunătăți precizia și a reduce ratele de alarmă falsă. Abordările multiple de diagnosticare oferă confirmarea identificării problemelor și o evaluare îmbunătățită a gravității.

Analiza uleiului relevă particule de uzură ale rulmenților, niveluri de contaminare și degradarea lubrifiantului, care se corelează cu rezultatele analizei vibrațiilor. Creșterea concentrațiilor de particule de uzură precede adesea modificările detectabile ale vibrațiilor cu câteva săptămâni.

Monitorizarea temperaturii oferă indicații în timp real despre starea termică a rulmenților și nivelurile de frecare. Creșterile de temperatură însoțesc adesea creșterile vibrațiilor în timpul proceselor de degradare a rulmenților.

Monitorizarea emisiilor acustice detectează undele de stres de înaltă frecvență provenite din propagarea fisurilor și fenomenele de contact superficial care pot preceda semnăturile vibraționale convenționale. Această tehnică oferă o capacitate de detectare a defectelor cât mai rapidă posibil.

Monitorizarea performanței evaluează efectele rulmenților asupra funcționării sistemului, inclusiv modificările de eficiență, variațiile distribuției sarcinii și stabilitatea operațională. Degradarea performanței poate indica probleme ale rulmenților care necesită investigare chiar și atunci când nivelurile de vibrații rămân acceptabile.

Cerințe de documentație și raportare

Diagnosticarea eficientă a rulmenților necesită o documentație completă a procedurilor de măsurare, a rezultatelor analizelor și a recomandărilor de întreținere pentru a sprijini luarea deciziilor și a furniza înregistrări istorice pentru analiza tendințelor.

Documentația măsurătorilor include configurația echipamentului, condițiile de mediu, parametrii de funcționare și rezultatele evaluării calității. Aceste informații permit repetabilitatea măsurătorilor viitoare și oferă context pentru interpretarea rezultatelor.

Documentația de analiză înregistrează procedurile de calcul, metodele de identificare a frecvenței și raționamentul diagnostic pentru a susține concluziile și a permite evaluarea inter pares. Documentația detaliată facilitează transferul de cunoștințe și activitățile de formare.

Documentația recomandărilor oferă îndrumări clare privind întreținerea, inclusiv clasificarea urgenței, procedurile de reparare sugerate și cerințele de monitorizare. Recomandările ar trebui să includă suficiente justificări tehnice pentru a susține deciziile de planificare a întreținerii.

Întreținerea istorică a bazei de date asigură accesibilitatea rezultatelor măsurătorilor și analizelor pentru analize de tendințe și studii comparative. Organizarea corectă a bazei de date facilitează analiza la nivelul întregii flote și identificarea problemelor comune la echipamente similare.

Concluzie

Diagnosticarea prin vibrații a componentelor locomotivelor feroviare reprezintă o disciplină inginerească sofisticată care combină principiile mecanice fundamentale cu tehnologii avansate de măsurare și analiză. Acest ghid cuprinzător a explorat elementele esențiale necesare pentru implementarea eficientă a monitorizării stării bazate pe vibrații în operațiunile de întreținere a locomotivelor.

Fundația unei diagnosticări eficiente a vibrațiilor se bazează pe o înțelegere aprofundată a fenomenelor oscilatorii din mașinile rotative și a caracteristicilor specifice ale blocurilor motor-set (WMB), blocurilor angrenaj-set (WGB) și mașinilor auxiliare (AM). Fiecare tip de componentă prezintă semnături vibraționale unice care necesită abordări de analiză specializate și tehnici de interpretare.

Sistemele moderne de diagnosticare oferă capabilități puternice pentru detectarea timpurie a defecțiunilor și evaluarea severității, dar eficacitatea lor depinde în mod esențial de implementarea corectă, controlul calității măsurătorilor și interpretarea competentă a rezultatelor. Integrarea mai multor tehnici de diagnosticare sporește fiabilitatea și reduce ratele de alarmă falsă, oferind în același timp o evaluare completă a stării componentelor.

Dezvoltarea continuă a tehnologiei senzorilor, a algoritmilor de analiză și a capacităților de integrare a datelor promite îmbunătățiri suplimentare în ceea ce privește acuratețea diagnosticării și eficiența operațională. Organizațiile de întreținere feroviară care investesc în capacități complete de diagnosticare a vibrațiilor vor obține beneficii semnificative prin reducerea defecțiunilor neplanificate, programarea optimizată a întreținerii și siguranța operațională sporită.

Implementarea cu succes a diagnosticării vibrațiilor necesită un angajament continuu față de instruire, avansarea tehnologiei și procedurile de asigurare a calității. Pe măsură ce sistemele feroviare continuă să evolueze către viteze mai mari și cerințe de fiabilitate sporite, diagnosticarea vibrațiilor va juca un rol din ce în ce mai important în menținerea funcționării sigure și eficiente a locomotivelor.