Оперативного управления ПТО станции Лужская

Подп. и дата





Инв. № дубл.





Взам. инв. №





Подп. и дата





Инв. № подл.





















Лист

















 67





Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата















Подп. и дата





Инв. № дубл.





Взам. инв. №





Подп. и дата





Инв. № подл.















Подп. и дата





Инв. № дубл.





Взам. инв. №





Подп. и дата









































Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата.



Инв. № подл.



Разраб.

Кравченко 





Модернизация систем диагностики грузовых вагонов на станции Лужская

Лит.

Лист

Листов





Гл.рук.

Бороненко













2

75





Осн. рук.

Зимакова







ФГБОУ ВО ПГУПС





Н.Контр.

Зимакова













Утв.

Бороненко









		Формат А4



































Введение

Дипломный проект на тему "Модернизация системы диагностики грузовых вагонов на станции Лужская " разработан на основании задания на дипломное проектирование, утвержденного руководителем дипломного проекта.

Основной транспорт в Российской Федерации- железнодорожный. На его долю приходится примерно около 85% и 40% всего объема соответственно гpузовыхbи пассажиpских перевозок, выполняемых транспортом общего пользования. Железные дороги, будучи основой транспортной системы Российской Федерации, имеют чрезвычайно важное государственное, экономическое, социальное и оборонное значение. От них тpебуется полное удовлетвоpение потpебностей населения, грузоотпpавителей и грузополучателей в перевозках.

Однако вследствие pяда очень сеpьезных пpоблем, связанных с износом технических средств и уровнем аваpийности, воздействием на окружающую среду, и здоровье человека, происходит вытеснение Российских перевозчиков с ряда секторов международного рынка транспортных услуг. Для решения этих проблем в обеспечении развития тpанспоpта, повышения безопaсности и эффективности,транспоpтного обслуживания, расширения транспортных услуг намечены приоритетные меры, напpавленные на pазвитиеpтранспоpтного комплекса. Вагонное хозяйство достаточно paзвитаяoотpасль железнодoрожного транспорта, основные фонды которой составляют пятую часть основных фондов всего железнодорожногоiтранспорта России.

Вагонное хозяйство непрерывно развивaется. Большое внимaние уделяется оптимизaции межремонтных периодов и сроков службы вaгонов, повышению качества ремонтных работ, внедрения новых и совеpшенствовaнию уже существующих форм организации производства созданию новых поточно-конвейерных линий по ремонту вагонов и их отдельных частей. 

На вагоноремонтных предприятиях совершенствуется система планирования и матеpиального стимулирования с широким внедрением научной оpганизации тpуда, специализации и пpогрессивной[технологии pемонта на основе широкого использования передовых достижений нaуки и практики.

Наряду с решением задач максимального использования существующих производственных мощностей ведется строительство новых и реконструкция действующих линейных предприятий вагонного хозяйства.

Большое внимание уделяется развитию технической базы для текущего ремонта вагонов. Создаются крупные механизированные пункты подготовки вагонов к перевозкам, совершенствуется работа пунктов технического обслуживания, расположенных на сортировочных и участковых станциях. Широко внедряются средства механизации трудоемких процессов.

От четкой, слаженной работы подразделений вагонного хозяйства во многом зависит бесперебойность и безопасность движения поездов, своевременное обеспечение перевозок технически исправным подвижным составом, эффективность использования транспортных средств.

Таким образом, вагонное хозяйство железных дорог, развивая современную техническую базу для обслуживания и ремонта вагонов, приобретает прочную индустриальную основу для обеспечения высокого уровня работоспособности вагонного парка в современных и перспективных условиях его эксплуатации.

Важным событием на Октябрьской железной дороге является начало опытной эксплуатации сортировочной системы станции Лужская, которое  начато 24 июля 2015 года. Развитие соpтиpовочной системы станции Лужскaя выполняется в pамках pеализации масштабного инвестиционного проекта «Комплексная pеконструкция участка Мга – Гатчина – Веймаpн – Ивангород и железнодорожных подходов к портам на южном берегу Финского залива». Цель проекта – увеличение товарооборота между Россией и странами Евросоюза через морской порт Усть-Луга. Строительство «сортировки» началось в 2010 году с отсыпки земляного полотна. На данный момент: постpоеныoздания поста ГАЦ, МЭЦ, служебно-технические здания, котельные, очистные сооpужения.


Общая хаpактеpистика станции Лужская

В состав ПТО Лужская входят следующие подразделения: 

- Участок текущего отцепочного ремонта (РП) на ст. Лужская парк сортировочный;

- Участок текущего отцепочного ремонта (МПРВ) на ст. Ивангород-Нарвский;

- Пункт опробования тормозов (ПОТ) ст. Рудничная;

- Пункт технической передачи (ПТП) ст. Сала;

- Пункт опробования тормозов (ПОТ) ст. Веймарн;

- Пункт технического обслуживания на межгосударственной передаточной станции (ПТОМ) ст. Ивангород-Нарвский;

1.1 Специализация парков:

Путевое развитие станции Лужская состоит из парков

Северный, Южный, Нефтяной, Сортировочная система.

Парк Северный состоит из двух парков:  Северный, Усть-Луга. 

Сортировочная система состоит из парков: отправления, приема, тpанзитный, сортировочный. 

Нечетная горловина сортировочного парка  является сортировочной горкой, четная - парком формирования.

По наличию и взаимному pасположению парков соpтиpовочная система являетсяlодносторонней и представляет собой последовательное расположение:

- парк прибытия (маневровый район №6), специализирован  на  приёме поездов со станции Котлы 2 и маневровых передач из парков Северный, Нефтяной, Южный станции Лужская, путиkнеобщего пользования ООО «Сибур-Транс».

- Сортировочный парк для расформирования, формирования поездов и маневровых передач. (Сортировочная горка - маневровый район №7, парк 

формирования маневровый район- №8).

-парк отправления (маневровый район №4), специализирован на отправлении маневровых передач: в парки Северный, Нефтяной, Южный станции Лужская, ЗАО «Сибур-Транс».а так же производит отправление поездов, следующих в направление станции Котлы 2, через транзитный парк расположенный параллельно сортировочному парку и специализированный для приема, отправления и сквозного пропуска грузовых поездов со станции Котлы-2 на станцию Лужская и в обратном направлении.

Состав станции Лужская входят следующие парки:

-Прибытия;

-Сортировочный;

-Отправления;

-Южный;

-Северный;

-Нефтяной.

1.2 Работниками ПТО Лужская производится:

-осмотр поездов с ходу по прибытию и при отправлении;

-техническое обслуживание вагонов под погрузку, 

-полное и сокращенное опробование тормозов;

-техническое обслуживание поездов своего формирования;

-техническое обслуживание поездов прибывших в расформирование;

-текущий отцепочный ремонт грузовых вагонов.


1.3 Оперативного управления ПТО станции Лужская




2 Обзор и анализ применяемых информационных технологий и систем диагностики грузовых вагонов

Контроль технического состояния поездов, следующих на станцию Лужская начинается за 70 км. На перегоне Молосковицы – Веймарн установлен комплекс диагностики вагонов на ходу поезда, комплекс геометрических параметров колесных пар (КТИ) проверяет толщину обода и гребня колес вагонов, система контроля вертикальных сил взаимодействия колес с рельсами (ВИЛД) контролирует наличие дефектов на поверхности катания колес, комплекс технических средств мониторинга (КТСМ) контролирует величину нагрева буксовых узлов и состояние нижнего габарита подвижного состава. Использование комплекса диагностики позволяет оптимизировать технологию технического обслуживания поездов по прибытию на станцию Лужская, а именно полностью отменен осмотр технического состояния вагонов, как того требует нормативная документация. По пути из выставочного парка в парк прибытия порожние вагоны проходят еще одну диагностическую систему – техновизор, которая выявляет неисправности в тележках грузовых вагонов такие как завышение клина фрикционного гасителя колебаний, смыкание витков пружин, отсутствие болтов крепления крышек буксовых узлов.  В купе с диагностической аппаратурой, установленной на перегоне Молосковицы – Веймарн системы диагностики вагонов на ходу поезда выявляют до 65 % неисправностей, требующих устранения на специализированном ремонтном пути. Инновационные решения примененные при строительстве станции Лужская позволили снизить потребный штат осмотрщиков вагонов на 140 человек, по отношению к типовым технологиям с годовым экономическим эффектом около 70 млн. руб. Общая трудоемкость технического обслуживания одного вагона снижена с 22,4 до 9,43 чел./мин. (или на 58%).

2.1 Автоматизированный диагностический комплекс геометрических параметров колесных пар (КТИ)

Автоматизированный контроль геометрических параметров колесных пар вагонов в прибывающих поездах ведется комплексами КТИ. Данный комплекс предназначен для измерений геометрических параметров цельнокатаных колес, измерений расстояния между внутренними гранями ободьев колес на подходах поезда к станции, регистрации неисправностей колесных пар и оперативной передачи полученной информации на ближайший пункт технического обслуживания вагонов (ПТО). Измерения определяются производятся при скорости движения поезда от 15 до 60 км/ч. Диапазон рабочих температур от -50°С до +50°С.  [1].




2.2 Комплекс технических средств мониторинга (КТСМ)

Массовое внедрение КТСМ-началось в 1999 году. Микропроцессорный комплекс технических средств КТСМ-01 имеет предназначение для модернизации аппаpатуры ПОНАБ-3 путем частичной замены перегонного оборудования (стойки аппаратуры и передающей стойки) и полной зaмены стaнционного оборудования (установка АРМ линейного поста контроля) [2].

КТСМ- это комплекс технических средств контpоля за состоянием подвижного состава. Поезда, в которых с помощью средств контроля обнаружены неисправные вагоны останавливаются на станции (при выработке сигнала «Тpевога»yаварийного уровня) или на подходе к станции где расположены эти средства контроля, для осмотра. Устранения неисправностей или отцепки вагона (локомотива). КТСМ-02 (комплекс технических средств многофункциональный) представляет собой базовый комплекс системы автоматического контроля технического состояния железнодорожного подвижного состава, который может включать в себя в зависимости от конкретных условий применения одну или несколько подсистем контроля различных узлов подвижного состава до 15 (букс, колес, тормозов, габарита и т.п.). 

Система КТСМ может выполнять следующие функции: 

-Обнаружение перегретых бук;

-Обнаружение заторможенных колесных пар;

-Обнаружение волочащихся деталей;

-Обнаружение дефектов колес по кругу катания;

-Обнаружение отклонений верхнего габарита подвижного состава;

-Обнаружение перегруза вагона.





Состав оборудования КТСМ 

Средства контроля на каждом пункте их установки включают в себя станционное и перегонное оборудование, связанное между собой кабельной линией связи. Перегонное оборудование подразделяется: постовое и напольное, а станционное: сигнализирующее и регистрирующее. Напольное оборудование средств контроля устанавливается непосредственно на пути и предназначено для считывания информации с подвижного состава. Сигналы от напольного оборудования поступают по кабелю к постовому оборудованию, размещенному в специальном помещении в непосредственной близости от напольного (помещение КТСМ). После обработки сигналов устройствами постового оборудования информация о состоянии проконтролированного подвижного состава передается к станционному оборудованию и регистрируется. В момент обнаружения неисправности в каком-либо из вагонов станционными устройствами осуществляется передача сигналов на речевой информатор для извещения машиниста поезда, и на сигнализирующее оборудование для извещения дежурного персонала станции [3].

Принцип действия системы КТСМ заключается в преобразовании и дальнейшей обработке электрических сигналов, что вырабатываются напольным оборудованием приборов ДИСК-Б или ПОНАБ-3. Информация о результатах подобного контроля, а также при срабатывании КТСМ, передаётся на пульт-табло находящийся у дежурного по станции или поездного диспетчера (при диспетчерской централизации) [4]

На станции Лужская установлен КТСМ-02.

 Достоинство такой системы – это возможность ее расширения до пятнадцати разных подсистем. Линейные пункты предполагается комплектовать подсистемой контроля буксовых узлов и тормозов, а если необходимо, то и подсистемой контроля волочащихся деталей. Напольные камеры крепятся на рельс.




2.3 Система контроля вертикальных сил взаимодействия колес с рельсами (WILD).

Система WILD предназначена для проверки состояния колес и предупреждения дефектов, которые могу повлиять на безопасность движения поездов. Главной целью этой системы  является выявление дефектов колёс как: ползуны, выщербины, колес aссиметричной формы и т.д., которые могут вызывать повреждения вагонов или рельса. Данная система может использоваться для контрольного взвешивания – контроль перегрузов и неравномерной загрузки вагонов состава. 

WILD позволяет измерять вагоны в движении поезда, не вызывая при этом задержки транспорта. Обнаружение дефектов колес на ранней стадии важно для предотвращения аварийных ситуаций, колесо с полузном/выщербиной может привести к перегреву подшипника, блокированию оси, что может привести к серьёзным авариям и повреждениям рельсов, вагонов и грузов.

WILD измеряет истинную нагрузку между колесом и путями с высокой частотой. Круглое колесо вызывает постоянную контактную силу, а колесо с дефектом вызывает другую по типу динамическую нагрузку, с разными пиками в зависимости от дефекта. Система отделяет силу нагрузки исходящую от разных колес, что важно при определении множества мелких дефектов.

Система обеспечивает:

выявление колес подвижного состава, по которым имеется превышение пороговых значений вертикальных сил взаимодействия колес и рельсов, а также определения перегруза и неравномерной загрузки;

сбор, обработку и хранение информации, формирование базы данных по параметрам вертикального силового взаимодействия колес и рельсов, перегруза и неравномерной загрузки ПС;

сетевой мониторинг с выдачей операторам на ПТО Лужская 

информации о ПС с указанием колёсных пар и колес, по которым имеется превышение пороговых значений силового взаимодействия с рельсами, перегруза и неравномерной загрузки.

Система контроля вертикальных сил взаимодействия колес с рельсами (WILD) представлена на рисунке 6




2.4 Устройство контроля схода подвижного состава (УКСПС)

УКСПС – это дополнительное средство, предназначенное для обеспечения роста безопасности поездного движения.

Устройство контроля схода подвижного состава УКСПС предназначено для обеспечения остановки поезда возле входного светофора (перед станцией) при имеющихся в составе колесных парах, сошедших с рельс, а также отдельных свисающих частей, что выходят за пределы габарита по низу и могут привести к поломке стрелочных переводов.

Устройство УКСПС направлено на электрическое взаимодействие с приборами контроля находящегося у дежурного станционного поста, а также с аппаратурой, которой управляется входной светофор, разрешающий или запрещающий составу проследовать с перегона на саму станцию в зависимости от состояния электроцепей устройства. 

Принцип действия УКСПС, касается непосредственно кронштейнов. В результате повреждения кронштейнов увеличивается электрическое сопротивление цепи датчиков, планок и перемычек, что приводит к обесточиванию реле.

Когда происходит срабатывание УКСПС, входной светофор перекрывается. Отмена запрещающего показания в такой ситуации, а также последующий прием остановленного состава и следующих за ним происходит при помощи специализированной кнопки, оснащённой счетчиком количества нажатий. Процедура осуществляется до полного восстановления датчиков УКСПС.

Как только датчики УКСПС срабатывают от поезда, двигающегося со станции по однопутному участку, дежурный по станции отправления получает сигнал срабатывания УКСПС и немедленно оповещает об этом машиниста отправившегося локомотива. Также о срабатывании УКСПС незамедлительно ставятся в известность поездной диспетчер и дежурный по соседней станции, к которой отправился состав [6].



2.5 Автоматизированная система контроля инвентарных номеров вагонов (АСКИН)

Система АСКИН предназначена для автоматизации технологических процессов, связанных со списыванием и распознаванием инвентарных номеров грузовых вагонов прибывающих и отправляющихся поездов со станции.

Устанавливается cистема АСКИН на путях приема/отправления железнодорожных станций, а также промышленных предприятий, в сортировочных парках станций с целью организации процесса формирования поездов [7].



Данная система обеспечивает:

- Формирование видеоизображений, содержащих инвентарные номера вагонов;

- Распознавание восьмизначных инвентарных номеров вагонов по сформированным видеоизображениям;

- Экспорт отчетов в информационные системы предприятия;

- Цветовую индикацию в списке поезда нераспознанных номеров;

- Формирование пономерного списка поезда;

- Формирование отчетов о принятых составах;

- Круглосуточную работу в любых метеорологических условиях;

- Визуальный контроль оператором соответствия распознанных номе

ров видеоизображениям инвентарного номера.

На данном рисунке 8 показывается как наглядно выглядит программа АСКИН ,где четко виден сам вагон, его номер и с какой скоростью следует поезд.






2.6 Автоматизированная система коммерческого осмотра поездов и вагонов (АСКО ПВ) 

АСКВО ПВ предназначена для выполнения в процессе движения поезда коммерческих браков, угрожающих безопасности движения и сохранности перевозимых грузов (нарушение габарита погрузки, тeхнических условий размещение и кpeпления гpузов на открытом подвижном составе, перегруз вагонов и др.) Данная системы была создана для, создания безопасных условий труда и улучшения охpaны труда приемщиков поездов 9 и приемосдатчиков) [8].

Данная система предназначена:

- визуaльного контроля и регистрации состояния вагонов и грузов (на открыто подвижном составе в части очистки и качества крепления грузов. В процессе контроля состояния оцениваются: состояние крыш, верхних и боковыхoлюков вагонов, пробоины и прорубы в контейнерах, равномерность погрузки, повреждение груза или упаковки груза в полувагонах или наoплатформах, заделы и проломы в стенах вагона, состояние (открыто, закрыто) торцовых дверей в полувагонах и крытых порожних вагонах, состояние разгрузочных люков в полувагонах и цистернах, наличие посторонних предметов, груза или деталей вагонов, выходящих за габарит погрузки, исправность погрузки платформ (исправность стяжек, растяжек, упорных и распорных брусков, сдвига груза);

- обеспечивается возможность визуальной оценки состояния люков цистерн на предмет наличия пломб;

- проверки правильности размещения и крепления груза на открытом подвижном составе, наличия остатков груза, реквизитов крепления и определение веса каждого вагона;

- контроля габаритов грузов, погруженных на подвижной состав, в процессе их движения [9].

Автоматизированная система коммерческого осмотра поездов и вагонов 

представлена на рисунке 9.




2.8 Система автоматизированного контроля основных технических характеристик элементов внешней стороны вагонной тележки и автосцепки - «Техновизор

Техновизор выявляет дефекты в тележках грузовых вагонах.

Возможности этой данной система позволяет определяет определять в режиме реального времени следующие параметры:

- положение фрикционных клиньев, как критерия для отцепа вагона ввиду неравномерной нагрузки на боковую раму тележки;

- наличие/отсутствие тормозных колодок;

- обнаружение отсутствующих элементов буксы (болты, крышки)

- контроль смыкания витков пружин ? контроль разности высот осевых балок автосцепки .

Примеры кадров с выделенной заданной областью представлены на рисунке11




3.Анализ работы диагностических систем

Самой главной и ответственной ходовой частью вагона является колесная пара и это представлено на рисунке 11, данная часть вагона подвергается большему воздействию, что приводит к постоянному изнашиванию. Колесная пара воспринимает на себя все неровности пути что вследствие этого обладает высокой прочностью и упругостью, если это соблюдается то она будет отвечать качеством как износостойкость.

Для того чтобы уменьшить отцепки грузовых вагонов требуется уделить особое внимание средствам диагностики, которые будут выявлять дефекты на ранних стадиях. Это позволить поддерживать вагонный парк в исправном состоянии долгое время и оптимизировать работу осмотрщиков-ремонтников вагонов. В наше время оптимизация трудового процесса занимает не маловажную роль. Средствами диагностики контролируются практически все неисправности ходовых частей вагонов.

И только 29% неисправностей выявляются осмотрщиками вагонов, а все остальное способна выявить диагностическая аппаратура. Принимая во внимание установленную аппаратуру на станции Лужская, одним из направлений оптимизации технологии технического обслуживания поездов является полный отказ от осмотра поездов по прибытию поезда на станцию, что позволит уменьшить время доставки грузов.

Как представлено на рисунке 12 программа КТИ обеспечивает 54% выявления неисправностей колесных пар, а это большая половина все объемов, а программа WILD всего лишь 3%, которая отвечает за выявление дефектов на ранней стадии. И тем самым чтобы увеличить выявляемость дефектов на стадии из формирования требуется модернизация поста акустического контроля. Что позволит сократить количество отказов и ремонтов на сети железных дорог. И в данном случае, что опять не мало важно оптимизирует штат осмотрщиков-ремонтников вагонов. 




4. Пост акустического контроля (ПАК)

4.1 Оборудование поста акустического контроля

В настоящее время на сети железных дорог установлено 11 постов акустического контроля (ПАК). ПАК предназначен для обнаружения дефектов элементов буксовых узлов колесных пар (поверхностей внутреннего и наружных колец, подшипников, сепараторов).

Для обнаружения дефектов используется две линейные микрофонные решётки, расположенные на измерительном участке с обеих сторон железнодорожного пути. Каждая из решёток состоит из 6 микрофонов, размещенных в защитных боксах. Расстояние между соседними микрофонами составляет 1,50 мм, общий линейный размер решетки – 7.5 мм. С учетом чувствительности и диаграмм направленности микрофонов контролируемая  ПАК зона составляет не менее 10 метров вдоль направления движения состава, что равнозначно более чем трём полным оборотам стандартного колеса.

Аналоговые электрические сигналы с выхода двенадцати микрофонов поступают на аналогово-цифровой преобразователь, подключенный к входу управляющего компьютера. В качестве источника информации о дефекте в  ПАК используется акустические колебания, вызываемые последовательностями микроударов при вращении дефектных элементов буксовых узлов. Программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме осуществлять определение моментов прохождения поездов, обработку и передачу протоколов с результатами обнаружения дефектов диспетчеру.

Достоинство ПАК заключается в обнаружении дефектов элементов буксовых узлов на самых ранних стадиях развития, задолго до начала перегрева подшипника, приводящего к его разрушению. Поскольку уровень энергии акустических колебаний, возникающих при контакте ДПК с рельсом, значительно выше, чем при дефектах буксовых узлов, то оборудование ПАК может быть использовано и для обнаружения ДПК. 



4.2 Обнаружение ДПК акустическими методами

Любое перемещение колеса по рельсам сопровождается набором акустических колебаний. При движении по прямому ровному участку идеальной колесной пары звук от движения будет минимальным. Но, поскольку в процессе эксплуатации появляется незначительное различие в диаметрах колес каждой колесной пары, то, даже на прямом участке пути, будет наблюдаться незначительное проскальзывание колеса, имеющего меньший диаметр, что становится причиной возникновения звуков. При появлении ДПК акустическая картина дополнится как периодическими ударами, так и вызванными ими колебаниями конструктивных элементов тележки и вагона.

Основное требование к реализации методов анализа акустических сигналов заключается в обеспечении максимального акустического контакта между зоной появления вибросигнала (местом контакта дефекта поверхности катания с рельсом) и возможным местом установки измерительного датчика (микрофона). При этом термин «акустический контакт» используется по той причине, что передача вибрационных сигналов от колесной пары к датчику (микрофону) происходит в акустическом диапазоне частот.

Измерение параметров дефектов поверхности катания должно проводиться в определенных условиях:

- колесная пара должна быть нагружена достаточным усилием, чтобы дефект «мог проявиться» в измеряемых акустических сигналах, следовательно, проявление одного и того же дефекта будет зависеть от степени загрузки и скорости движения вагона;

- место контакта дефекта колесной пары и рельса должна располагаться в зоне чувствительности микрофона;

- в процессе измерений не должно быть других источников акустических сигналов с частотой, равной частоте дефектов, или их влияние должно быть максимально ослаблено.

Из указанных выше трех условий наиболее сложным является устранение сторонних источников акустических шумов.

Измерительное оборудование, используемое для диагностики, должно обладать определенными свойствами:

- частотные параметры микрофона должны охватывать весь возможный диапазон частот, которые могут возникнуть при контакте дефекта поверхности катания с рельсом, и который представляет «диагностический интерес».

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП), используемый  для регистрации,  должен обеспечивать запись с частотой не менее, чем в два раза превышающей максимальную частоту акустического сигнала.

Размещение напольного оборудования ПАК и используемое в их составе измерительное оборудование с запасом удовлетворяют этим требованиям:

- собственный вес даже порожних вагонов обеспечивает достаточную нагрузку на колесные пары;

-микрофоны находятся на минимально допустимом расстоянии относительно железнодорожного пути;

- амплитудно-частотная, характеристика измерительных микрофонов имеет  неравномерность ±2 [дБ] в диапазоне частот от 4 до 70000[Гц];

- частота дискретизации АЦП превышает 60[кГц].

4.3 Методы обработки акустических сигналов с целью обнаружения ДПК

Рассмотрим осциллограммы сигналов, записанных микрофоном, при прохождении состава.

На рисунке 12 представлена осциллограмма выходного сигнала одного микрофона при прохождении состава (количество осей - 340, скорость движения - 59 [км/час], время прохождения мимо микрофона - 70 секунд).

Анализ выходных сигналов показывает наличие в них низкочастотных составляющих с амплитудой, достигающей в несколько вольт. Причиной этого являются низкочастотные акустические шумы в диапазоне до 200 [Гц]. Сигнал в этом диапазоне вызван «акустическим мешком», возникающим вокруг каждого из вагонов, шумом ветра, шумом качения колес, поэтому наблюдаемые на рисунке 13 пики, не несут полезной информации и должны быть отфильтрованы до начала обработки.

Результаты применения программного фильтра высоких частот показаны на рисунок 14 и рисунок 15

После фильтрации на осциллограмме стало различимым возрастание сигнала при приближении КП к микрофону, выделение тележек и колесных пар. Также на осциллограмме обозначились всплески амплитуды, характерные для акустических ударов. Следует отметить, что среднее значение амплитуды сигнала после ФВЧ на порядок меньше, чем у оригинального сигнала, вследствие фильтрации высокой энергии низкочастотных шумовых составляющих спектра. Однако, даже после фильтрации наличие ДПК приводит к появлению импульсов с амплитудой пика более 1 Вольт, что является самым простым признаком для обнаружения ДПК.

В общем случае обнаружение ДПК может производиться по форме акустического сигнала, по спектрам прямого сигнала и/или его огибающей, с использованием «пик-фактора», «эксцесса», и другими методами.

Определим основные особенности проявления ДПК в акустических сигналах, и в получаемых на их основе спектрах мощности. Таких характерных особенностей существует несколько.

Во-первых, это наличие на зарегистрированном сигнале явно выраженных периодических ударных процессов. Каждый акустический импульс, возникающий при обкатывании зоны дефекта поверхности катания, характеризуется целым набором параметров:

-  максимальная амплитуда импульса,

-  скорость нарастания и затухания амплитуды импульса,

-  частота повторения импульсов.

Во-вторых, это наличие в спектре акустического сигнала широкополосных «поднятий», своеобразных энергетических горбов вблизи частот собственных резонансов элементов механической конструкции. Несмотря на то, что связать параметры таких горбов с первичными ДПК очень сложно, однако их наличие может использоваться как признак наличия периодического возбуждающего воздействия, а максимальная амплитуда горба определяется энергией возбуждающего процесса.

Характерная форма акустического сигнала зарегистрированного микрофоном при прохождении КП, имеющей достаточно развитый дефект поверхности катания, приведена на рисунке 15

В момент контакта с рельсом дефектного участка поверхности катания на вибросигнале появляется четко выраженный амплитудный пик, некий энергетический импульс. Параметры этого импульса определяются видом, локализацией и степенью развития дефекта поверхности катания, а также положением места удара относительно микрофона.

На рисунке 16 видны три последовательных импульса интервалы между которыми составляют около 180 [мс], что при стандартном диаметре колеса 0,957 мм соответствует скорости движения вагона (оси) - 60 [км/час]. Пик с наибольшей амплитудой приходится на момент наименьшего расстояния между КП и микрофоном. После каждого удара в дефектной колесной паре возникают свободные резонансные колебания, которые затухают по экспоненциальному закону.

Для описания формы акустических импульсов, вызванных механическими ударами, используется специальный термин - «золотая рыбка». Наличие импульсов такой формы в акустическом сигнале является надежным диагностическим признаком для обнаружения ДПК.

Частота следования этих «золотых рыбок» во временном сигнале достаточно точно соответствует частоте, характеризующей проявление ДПК, т.е. частоте вращения колеса. Интенсивность «золотых рыбок», степень их выраженности, превышения над общим фоном вибрации, зависит от степени развития дефекта и расположения места удара относительно микрофона. Следует отметить, что в общем случае на оборот колеса может приходиться различное количество ударных импульсов, возникающих вследствие как одновременно нескольких ДПК одного колеса, так и регистрацией акустических колебаний от ДПК противоположного колеса и соседних колесных пар.

Амплитуда импульсов от одного ДПК имеет сложную зависимость от взаимного расположения места удара и микрофона, но в любом случае наиболее мощные импульсы регистрируются при нахождении места удара в 1,5-2,0 мм от микрофона, в то время как максимальное расстояние обнаружения ударов составляет до 3-5 мм в каждую сторону от микрофона.

Дополнительным способом, позволяющим повысить вероятность обнаружения дефектов поверхности катания с использованием амплитуды акустического импульса является, использование линейной акустической решетки. Элементами такой решетки могут выступать входящие в состав ПАК шесть микрофонов, расположенные с каждой стороны пути. Поскольку расстояние между крайними микрофонами составляет 7,5 мм, то напротив решетки произойдет не менее четырех ударов, акустические импульсы от которых будут последовательно зафиксированы микрофонами.

На рисунке 17 приведены сигналы, зафиксированные шестью микрофонами, при прохождении оси с ДПК, при этом цветные вертикальные линии соответствуют моментам прохождения оси напротив каждого из микрофонов. Период следования акустических импульсов, зарегистрированных на микрофонах № 1 (красный), № 3 (коричневый), № 5 (темно-синий) и № 6 (лиловый), совпадает с частотой вращения колеса.

Сигналы от микрофона № 2 (синий) и № 4 (зеленый) частично закрыты более мощными сигналами от соседних микрофонов.

Наличие корреляции формы импульсов и постоянный интервал между их пиками позволяют реализовать алгоритм согласованный цифровой фильтр для обнаружения пачки из четырех радиоимпульсов.

Другим методом обнаружения ДПК является анализ «прямых» спектров акустических сигналов. При этом в отличие от дефектов подшипников турбин, роторов и других механизмов частота вращения колеса и, соответственно, частота обкатывания дефекта поверхности катания не превышает 10 [Гц]. То есть мы имеем дело с весьма низкочастотным сигналом, время наблюдения которого составляет всего 2-3 оборота. Следует также напомнить, что наличие низкочастотных акустических шумов требует применения фильтра высокой частоты, поэтому в спектре акустического сигнала распознать и выделить как частоту обкатывания поверхности катания, так и ее гармоники не представляется возможным.

Возможность применения методов анализа «прямых» спектров акустических сигналов заключается в том, что энергия, выделяемая во время движения колесной пары с дефектом поверхности катания, приводит к возбуждению резонансных колебаний на собственных частотах отдельных элементов буксовых узлов. При этом появление в спектре акустического сигнала «энергетического горба» в высокочастотной области может служить признаком наличия дефекта поверхности катания. Пример спектра сигнала с повышенным уровнем энергии на высоких частотах приведен на рисунке 18а. На, а на рисунке 18б - спектр сигнала соседней колесной пары без дефекта.

Нетрудно заметить, что энергия колебаний на частотах около 1,6 [кГц] при наличии дефекта поверхности катания более, чем в 2,5 раза больше, чем в случае отсутствия дефекта. Стабильность наличие «энергетического горба» в диапазоне 1,5— 1,6 [кГц] для различных ДПК является основанием для использования этого признака в системах обнаружения ДПК. Вполне вероятным представляется тот факт, что количество таких вынужденных колебаний может быть несколько.

Третьим методом обнаружения ДПК является анализ формы и спектра огибающей акустического сигнала. В вибродиагностике этот метод получил м.......................