10.02.2019

Бороться с вибрацией поможет... вибрация и телеметрический контроль

Вибрации - друг, или враг?

Идея использовать энергию вибраций и шума для пользы дела не нова. Соответствующие разработки ведутся у нас в ЮФУ, РАН и  в ряде лабораторий за рубежом. Скорость технического прогресса в этой области пропорциональна уровню получаемой от этого энергии. Увы, чайник от шума стоящего неподалеку ветрогенератора не вскипятишь, а трудов потратишь не пропорционально много. 

Но есть отрасли техники, где много энергии и не надо, например, для питания тензоусилителя или передатчика данных с датчиков крутящего момента, размещенных на вращающемся валу в условиях испытательного стенда или системы мониторинга состояния механизма, эти вибрации производящего. Если раньше в этой нише лидировали фотоэлектрические преобразователи энергии, лучшие по своей эффективности, то с появлением напечатанных на 3D принтере нано-пьезо-электрических элементов, последние имеют все шансы возглавить лидерство. И это будет не просто рядовая смена лидера на какой нибудь популярной велогонке. Это будет технологический прорыв. Одно дело укрощение капризной пьезокерамики, при изготовлении которой нужна чистота операционной, и другое дело напечатать датчик на  3D принтере в обычных условиях.

Дистанционный (телеметрический) контроль, перспективы и проблемы

Представим себе датчик вибрационного мониторинга состояния подшипников колесной пары. Например, такой. Или пьезоэлектрический.  Такие датчики колебаний при наличии хорошей механической защиты от попадающих в них камешков и других поднимаемых воздухом с путей мелких предметов будут в состоянии диагностировать состояние подшипников.  Остается только решить, как они сообщат о неполадках ремонтной службе состава?

Единственные доступные каналы - оптический, или радио, но для первого, например, нужно обеспечить прозрачность мехзащиты, стойкость к удару, и достаточный для питания мощного лазерного светодиода уровень вырабатываемой виброгенератором электроэнергии. Для радиоканала потребуется известная цепочка преобразований сигнала: усиление /фильтрация, амплитудно-импульсная, кодоимпульсная модуляция, передача через прозрачную для радиодиапазона механическую защиту.  

  В любом варианте разработка сотрудников Инженерного машиностроительного колледжа под руководством профессора Сяо Женя, кажется, попадает в самую точку. Вибраций на железнодорожном транспорте - хоть отбавляй. Работа узлов чрезвычайно напряженная. Риски поломок велики и сопряжены с тяжелыми последствиями. Представьте себе аварийную остановку поезда метро в тоннеле между станциями даже при малой скорости. 

Непрозрачность обычных средств механической противоударной защиты легко преодолевается,  ведь в оборонной промышленности есть прозрачная броня, да и на подходе графеновая защита, которая может оказаться достаточно прозрачной. Каждый лист графена абсолютно прозрачен для видимого излучения.

Для питания лазерного светодиода, передающего информацию,  нужно накапливать энергию и повышать электрический потенциал хотя бы до 3.5В.

На что можно опереться при дистанционном контроле/мониторинге уже сейчас

Фирма Linear Technology разработала и предлагает по вполне доступным ценам порядка 2-5 долларов за штуку  микросборки, решающие  проблемы использования низкопотенциальной энергии.  В частности микросхема LTC3588 целенаправленно  разработана для преобразования энергии от источников механических колебаний (вибрационные процессы),   разработанная недавно микросхема LTC3105 предназначена для кондиционирования (накопления + повышения потенциала) энергии от фотоэлектрических преобразователей, а сборка LTC3108/LTC3109 "решает"  проблему  получения низкопотенциальной энергии из окружающих нас температурных градиентов. Кавычки означают, что рентабельность таких схем пока невысока и они используются в основном системах дистанционного измерения, телеметрического контроля в системах отопления, вентилляции и кондиционирования воздуха, для запитки датчиков промышленного мониторинга и др. 
Но и эти инновации могут не понадобиться, так как предполагается ,что новые нано-пьезо-элементы будут обладать способностью накапливать энергию. Многим известны работы профессора Е. Сорокодума, который пытается решить проблему сбора низкопотенциальной энергии. Разработки Linear Technology и китайского машиностроительного колледжа приближают решение этой задачи. 

Но нас в данном контексте интересует не вопрос экономии энергии, а вопрос безопасности на железнодорожном и других видах транспорта, а также на установках высокого риска выхода из строя, где необходим непрерывный мониторинг состояния объекта. Задачи, которые здесь возникают лишь отдаленно связаны с испытательными стендами. Все таки испытательный стенд по определению является лабораторной установкой, пусть даже он находится на борту самолета, это все равно лабораторная испытательная лаборатория. А условия на колесной паре ж/д состава, пусть даже это будет Иволга, таковы, что лабораторными их не назовешь. Да и требования к точности совсем не лабораторные.

 Устройство мониторинга скорее напоминает компаратор, который должен оценить вибрации от взаимодействия обода колеса с рельсом, вибрации от несоосности вала, изгибные вибрации осей, вибрации обоймы, ограничивающей движение шариков/роликов, и наконец состояние самих роликов. У каждого вида колебаний своя характерная частота и свои нормальные амплитуды. Так что задача автономного компаратора не проста. Но её решение будет оценено по достоинству ремонтно-профилактическими службами, да и каждым из нас, пользующимся железнодорожным транспортом. 

Так что незаурядное техническое решение исследователей из Поднебесной может поднять на новый уровень исследование вибраций, причем помогут бороться с вибрациями, вернее с их негативными последствиями, сами вибрации, которые предоставят датчикам крутящего момента, акселерометрам необходимое питание и энергетическую поддержку средствам передачи информации о состоянии, например, подшипников ответственных узлов сервисным службам. 

Новый импульс это открытие придаст и давно уже обсуждаемому переходу с планового регламента ремонтных работ на транспорте к выводу оборудования в ремонт/обслуживание по фактическому состоянию ответственных узлов. 

Так что нас ждут очередные приятные новости о том, что то тут то там ремонтники перешли на установку умных не требующих питания сигнализаторов неисправности на поездах, в метро, на трамваях. Услышим, как на загруженных автотрассах вибрация дорожного полотна дает энергию для освещения или светофоров. Мы будем первыми, кто сообщит вам об этом. 

Почему мы с уверенностью ждем массового внедрения этих технологий? Да потому, что уже созданы чернила из нано-пьезо-электрических микрокристаллов на гелевой основе, которые под действием ультрафиолета можно организовать в трехмерные пьезоэлектрические структуры и печатать такие элементы на 3D-принтере. И это в ситуации, когда  потребность в подобных устройствах поистине безгранична...