Точный диагноз
Как без разборки заглянуть внутрь тепловозного дизеля и узнать его состояние, степень износа узлов и агрегатов? Ответ дает трибодиагностика. Сегодня в ТМХ внедряется уникальная технология СВЧ-плазменной спектрометрии, которая позволяет по обычной пробе моторного масла получить данные о состоянии двигателя и дать точный прогноз его остаточного ресурса.
Лучше предупредить
Сегодня, чтобы понять, что происходит внутри тепловозного дизеля, вовсе не обязательно его разбирать. Один из самых точных способов диагностики — анализ состава металлических примесей в смазочном масле.
В процессе работы в моторном масле накапливаются мельчайшие металлические частицы, отделившиеся от трущихся деталей. При нормальной работе двигателя частиц в масле накапливается немного, однако если в одном из узлов двигателя имеется повреждение (например, из-за масляного голодания повреждена поверхность тела качения какого-либо подшипника), то количество металлических частиц с течением времени существенно вырастет.
При эксплуатации и обслуживании дизелей тепловозов многие факторы могут стать причиной повреждения их узлов. Чем больше параметров частиц изнашивания можно определить при анализе, тем более подробную картину износного процесса можно построить, в том числе определить этап развития повреждения, его степень, а также сам поврежденный узел.
Способ диагностики, при котором техническое состояние определяется посредством измерения параметров частиц изнашивания, называется трибодиагностикой. В его основе лежат спектральные методы исследования: исследуемый материал (пробу масла) помещают в спектрометр, металлические частицы вместе с маслом сгорают в нем и дают спектральный (аналитический) сигнал, а по его величине определяют концентрацию металла в пробе.
В современной железнодорожной отрасли этот метод имеет повсеместное распространение и является базовым. В структуре РЖД и сервисных компаний мониторинг состава масла полностью интегрирован в цифровую систему обслуживания локомотивов по фактическому техническому состоянию — вместо жесткого календарного графика. Сервисные компании, в частности «ЛокоТех», используют централизованные сети дорожных лабораторий.
Ручной анализ ушел в прошлое: современные лаборатории оснащены автоматическими атомно-эмиссионными спектрометрами с индуктивно связанной плазмой и ИК-фурье-спектрометрами. Крупнейшие железнодорожные операторы мира используют этот метод как главный элемент предиктивного анализа. Определять техническое состояние исследуемых объектов сегодня помогает искусственный интеллект.
100 параметров в одной капле
Традиционные методы спектрального анализа масел при всех их достоинствах имеют один серьезный недостаток: они ориентированы только на определение концентрации металлов в масле, что серьезно ограничивает достоверность диагностирования и возможность прогнозирования отказов. Решить эту проблему помогла новая технология.
Все началось в 1990-х годах в Иркутске. Научный коллектив под руководством Виктора Григорьевича Дрокова занялся разработкой СВЧ-плазменного анализатора и созданием технологий диагностирования авиационных газотурбинных двигателей. Уникальность прибора сразу заявила о себе: он позволяет получать огромный объем диагностической информации из аналитической навески всего в 1 мл масла, причем измеряются такие параметры, как массовая доля металла в растворенном виде (частицы < 2 мкм), массовая доля в виде отдельных частиц, количество частиц, их размер и элементный состав отдельно каждой частицы.
За прошедшие годы успешно разработаны технологии диагностирования для различных авиационных двигателей — ПС-90А, Д-30КП/КП-2/КУ/КУ-154, ПД-14, а также для некоторых вертолетных редукторов. Полученным результатам посвящено большое количество статей в российских и зарубежных научных журналах.
В 2021 году начался новый этап — адаптация технологии для дизелей локомотивов и апробация анализатора на железной дороге. Более 4 тысяч проб масла, отобранных в пяти локомотивных депо, послужили статистической базой для создания технологии диагностирования локомотивной техники с помощью СВЧ-плазменного метода.
В основе инновационного метода лежит атомно-эмиссионная сцинтилляционная спектрометрия с СВЧ-плазмой. Проба масла, прошедшая подготовку в лаборатории, в виде аэрозоля подается в аналитическую зону прибора. С помощью высокочастотного СВЧ-излучения (микроволн, аналогичных тем, что используются в бытовых печах, но многократно мощнее) генерируется стабильный плазменный разряд. Ультразвуковой распылитель анализатора тонко и последовательно направляет распыленную пробу масла в горячую зону плазменного разряда, где частицы металлов мгновенно нагреваются, испаряются, их пары переходят в возбужденное состояние и превращаются в облако атомного пара — сцинтилляционную вспышку длительностью менее 10 мс. Оптическая система анализатора улавливает эти кратковременные вспышки, регистрирует их и с высочайшей точностью определяет параметры для каждой отдельной частицы в пробе масла по 12 осно́вным и легирующим металлам (в перспективе — по 14–16). Для сравнения: стандартный экспресс-метод, принятый на железных дорогах по ГОСТу, измеряет концентрацию семи элементов (металлов).
Измерив таким образом параметры всех частиц в пробе масла, программное обеспечение анализатора формирует протокол измерений, проводит его автоматизированную статистическую обработку и выдает предварительную оценку технического состояния исследуемого объекта. На основе полученных результатов специалист видит полную картину износных процессов внутри дизеля или их отсутствие. Благодаря широкому спектру определяемых параметров метод позволяет отличить не только различные типы сплавов друг от друга, но и степень повреждения, безошибочно указывая, какой именно узел начал разрушаться, а в некоторых случаях — степень повреждения и тип износного процесса.
Технология позволяет определять повышенный износ цилиндропоршневой группы, шатунно-коленвальной группы, механизма газораспределения, турбины и маслонасоса. Причем метод применим и для проб масла, и для смывов с маслофильтров — этой важной диагностической особенностью не обладает ни один спектральный метод анализа, применяемый для диагностики дизелей.
Преимуществом СВЧ-плазменного метода перед РДЭ-АЭС (атомно-эмиссионным спектрометром с вращающимся дисковым электродом) является определение множества параметров частиц — количества, размера, состава каждой частицы, а также относительных параметров, рассчитываемых на их основе.
«Именно за счет этой особенности СВЧ-плазменный метод анализа — единственный, позволяющий напрямую работать как с пробой масла, так и с пробой смыва с маслофильтра, который несет основную информацию о состоянии дизеля. РДЭ-АЭС, в свою очередь, определяет только массовую долю (концентрацию) металла в масле», — уточняет технический директор Центра спектральной диагностики ТМХ Виктор Владиславович Дроков.
Другая важная особенность: для настройки и градуировки прибора используются стандартные образцы на основе натуральных частиц износа, выделенных из реальных проб масел и смывов с фильтров. Это значительно повышает достоверность диагностирования, так как такие образцы максимально близко соответствуют анализируемым пробам — и по элементному составу, и по форме, и по размеру частиц изнашивания.
Работа на воздухе
Использование СВЧ-плазменных анализаторов показало, что технология имеет сразу несколько ключевых преимуществ.
Во-первых, это работа на обычном атмосферном воздухе вместо дорогих инертных газов. Классическим методом точного элементного анализа является применение индуктивно связанной плазмы (ICP), которая требует непрерывной подачи существенного количества аргона высокой чистоты. Для удаленных депо со сложной логистикой доставки баллонов этот метод практически недоступен. В СВЧ-плазменном анализаторе микроволновая плазма формируется из обычного атмосферного воздуха. Прибору для работы нужно только электричество. Это радикально удешевило и ускорило анализы.
Во-вторых, технология работает с металлом в пробе не как с неделимой примесью, а отдельно с каждой металлической частицей. Имеется возможность измерения состава каждой из частиц, что позволяет по результатам измерений рассчитывать относительные параметры (так называемый рейтинговый подход) и определять поврежденный узел в любом типе анализируемых проб.
В-третьих, разработанный диагностический подход позволяет применять метод на далекую перспективу. Современные тенденции двигателестроения направлены на расширение номенклатуры применяемых сплавов, переход на новые типы масел, изменение компоновки маслосистем, смену дизелей на газовые турбины — диагностические возможности СВЧ-плазменного метода позволяют учесть все эти факторы.
Дополнительным аспектом, влияющим на эффективность анализа, является то, что в двигателестроении все чаще применяются маслофильтры тонкой очистки, и их присутствие в маслосистеме в некоторых случаях снижает диагностическую значимость пробы масла практически до нуля, потому что металлических частиц в пробе масла практически не остается. В этом случае выходом может стать анализ металлических частиц, осажденных на фильтре. СВЧ-плазменный метод анализа — единственный, чья методология позволяет применять относительные (рейтинговые) диагностические параметры и эффективно работать с пробой смыва с маслофильтра.
Этот же подход работает с узлами, в которых локально применяется консистентная смазка (например, буксовые узлы): в смазке этих узлов, как и на маслофильтре в маслосистеме, происходит постоянное накопление металлических частиц. Применяя рейтинговый подход, распределение долей накопленных частиц в смазываемом узле от разных деталей можно легко оценить СВЧ-плазменным методом.
Результаты СВЧ-плазменных измерений прекрасно дополняются как методами химмотологии, так и другими методами диагностики (параметрическая, акустическая, вибродиагностика). Таким образом, СВЧ-плазменный анализатор — это не просто очередной прибор, а принципиально иной подход к диагностике двигателей/дизелей/трансмиссий. Он видит то, что раньше оставалось вне зоны внимания: позволяет не просто оценить количество металла в масле, а определить его происхождение и построить портрет самого износного процесса, протекающего в поврежденном узле. А значит, позволяет заглянуть внутрь двигателя гораздо глубже и точнее.
Испытание БАМом
Сегодня технология СВЧ-плазменного анализа проходит опытную эксплуатацию на Байкало-Амурской магистрали — в Тынде. Выбор полигона не случаен. «Тында-Северная» — одно из самых крупных сервисных локомотивных депо России, где сосредоточено обслуживание около 700 секций грузовых, пассажирских и маневровых тепловозов. Оно включает в себя сервисное отделение «Февральск» и сервисный участок «Беркакит», входит в состав Дальневосточного филиала компании «ЛокоТех-Сервис».
Ежедневно, в соответствии с регламентом, специалист ЦСД ТМХ отбирает пробы масла из тепловозов, проходящих техническое обслуживание в депо, преимущественно на ТО-2. После отбора пробы поступают в лабораторию. Лаборанты проводят подготовку проб к анализу, в процессе которой заменяется основа пробы, выполняются ее разделение и концентрирование. В результате из одной пробы масла для СВЧ-плазменного анализа получаются две — с разным гранулометрическим составом. Затем химик-аналитик проводит анализ каждой пробы на СВЧ-плазменном анализаторе. В день на одном анализаторе можно проанализировать пробы с девяти дизелей, а в среднем за месяц это составляет 180 секций. Последние наработки позволяют сократить время анализа и проверять 10–12 дизелей за восьмичасовую смену.
Система сначала сама сравнивает полученные параметры с эталонной моделью исправного дизеля и выдает вердикт: все в порядке, есть проблемы или требуется особый контроль. Уточненный диагноз ставит специалист.
«На выходе получаем протокол анализа пробы с предварительным решением относительно СМИД — статистической математической модели исправного дизеля по параметрам частиц изнашивания, характеризующих маслосистему дизеля в исправном состоянии. Дальнейшее диагностическое заключение выдает специалист. Мы активно работаем над совершенствованием диагностического заключения, стремимся к максимальной автоматизации принятия диагностического решения», — рассказывает Виктор Дроков.
Диагностическое заключение по дизелям, имеющим повышенные параметры частиц износа, передается обратно в сервисное локомотивное депо. Там инженеры принимают решение о дальнейших операциях с локомотивом. «Мы стремимся предупредить развитие повреждения и не довести до разрушения узла. В случае повреждения дизеля по результатам СВЧ-плазменного анализа имеется возможность локализовать конкретный узел или деталь, ответственную за неисправность», — уточняет Виктор Дроков.
Здесь кроется главная особенность современного опыта Тынды — уход от простой фиксации факта поломки к анализу тенденций. Данные лабораторных анализов масла сопоставляются с показателями бортовых микропроцессорных систем управления тепловозов (МСУ-ТП) через интеллектуальную систему предиктивного анализа «БОРТ». То есть специалисты видят не разовую картину, а динамику изменений, что позволяет прогнозировать развитие ситуации и принимать решения на опережение.
Миллионная экономия
Технология СВЧ-плазменного анализа прошла проверку на практике и подтвердила свою эффективность. Достоверность диагностического заключения близка к 90%, что является очень высоким показателем для такого рода исследований.
Одно из главных преимуществ применения технологии — реальный переход к ремонту по фактическому состоянию. Вместо плановой замены дорогостоящих узлов, «потому что подошло время и этого требует регламент», детали меняются тогда, когда фиксируется начало их физического разрушения.
Еще один положительный результат — снижение затрат на закупку масел. Спектральная диагностика позволяет определять остаточный ресурс металлсодержащих присадок, и масло заменяется не по жесткому графику пробега, а при реальном его истощении.
Кроме того, метод позволяет повышать качество узлов и механизмов. Данные об их износе передаются напрямую конструкторам ТМХ для оперативной модернизации узлов и изменения технологии литья или механической обработки металлов.
Впечатляют и результаты, полученные на главном полигоне — в депо «Тында-Северная». Согласно материалам компании «ЛокоТех», внедрение глубокой трибодиагностики позволило сократить количество тяжелых заклиниваний дизелей более чем в 3,5 раза. Учитывая, что коленчатый вал стоит миллионы рублей, а его замена требует полной разборки локомотива, окупаемость технологии спектрального анализа оценивается как колоссальная.
Если смотреть шире — на всю группу компаний «ЛокоТех» и сеть депо, то масштаб впечатляет еще больше. По данным за 2025–2026 годы, внедрение сквозной предиктивной диагностики, где трибодиагностика является базовым элементом, позволило бы выявить и превентивно устранить до 12% повреждений узлов тепловозов, а по еще 5% повреждений — оперативно принять меры по недопущению развития износного процесса.
В планах ЦСД — переход к серийному производству СВЧ-плазменных анализаторов, что открывает возможности дальнейшего развития технологии, интеграция с бортовыми системами контроля физико-химических параметров масла, расширение номенклатуры диагностируемых систем (компрессоры, буксовые узлы, генераторы, тяговые электродвигатели и пр.). Последующие задачи связаны с расширением базы диагностических признаков, повышением точности интерпретации результатов, увеличением доли автоматизации обработки данных и, конечно, масштабированием технологии.
СПРАВКА
Центр спектральной диагностики ТМХ
Широкому внедрению технологии СВЧ-плазменного анализатора и проведению системных исследований в этой сфере способствовало создание в 2024 году Центра спектральной диагностики. Решение стало важнейшим шагом компании по переводу обслуживания локомотивов на принципы «Индустрии 4.0» и цифрового предиктивного анализа. Новая структура вывела классический лабораторный анализ масла на уровень высокотехнологичного ИT-решения, интегрированного в единую цифровую экосистему холдинга. ЦСД ТМХ работает в тесной связке с другими цифровыми подразделениями, в частности c компанией «ТМХ — Интеллектуальные системы», и аккумулирует данные со всех ключевых сервисных локомотивных депо и заводов компании.
СПРАВКА
Трибодиагностика представляет собой современный метод технической диагностики, основанный на анализе продуктов износа в смазочных материалах. Этот подход позволяет определить техническое состояние узлов трения без разборки оборудования, выявить неисправности на ранней стадии развития и предотвратить аварийные ситуации.
Опубликовано в журнале «Вектор ТМХ»