Научные и технические основы бесконтактного теплового контроля букс железнодорожного подвижного состава

32

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ БУКС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Миронов Александр Анатольевич

Екатеринбург 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. На железнодорожном транспорте Российской Федерации на буксовый узел приходится до 61,2 % от общего количества браков по вагонному хозяйству и до 27 % отцепок вагонов в период гарантийного срока после деповского или капитального ремонта. По данным ОАО «ВНИИЖТ» в первый месяц эксплуатации выходит из строя 35 % буксовых узлов, в первую очередь, по дефектам смазки и грубым нарушениям технологии монтажа. В последующие месяцы растут отцепки по дефектам смазки, торцевого крепления, повреждениям колец подшипника, роликов и сепаратора. Значительная часть неисправностей буксового узла связана с повышением нагрева с различной интенсивностью.

Контроль состояния буксовых узлов в эксплуатации производится визуально на пунктах технического обслуживания осмотрщиками вагонов, а на перегонах и подходах к пунктам технического обслуживания (ПТО) - напольными бесконтактными средствами теплового контроля (СТК) по инфракрасному (ИК) излучению от букс проходящих поездов. По существу, СТК являются основным аппаратным средством контроля буксовых узлов на российских железных дорогах и большинстве зарубежных дорог.

Данные системы контроля технического состояния подвижного состава позволяют своевременно выявлять появляющиеся в процессе эксплуатации неисправности ходовых частей подвижного состава и, тем самым, предупредить возникновение необратимых отказов, способных привести к авариям и крушениям.

Широкое применение СТК в деле обеспечения безопасности движения ставят большое количество вопросов в процессе проектирования, эксплуатации и совершенствования СТК и подвижного состава, решение которых требует проведения теоретических и экспериментальных исследований. Однако исследования в данной области носят разрозненный характер, касающийся или объекта диагностирования - буксы, или вопросов совершенствования оборудования СТК. Необходим системный подход к организации и проведению исследований.

Цель исследования. Данное исследование посвящено развитию научных и технических основ бесконтактного теплового контроля букс в движущихся поездах.

В соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы следующие задачи:

1. Разработать метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

2. Разработать комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля букс и его вычислительную реализацию для имитационного моделирования всего процесса контроля.

3. Разработать на базе созданных математических моделей методику оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

4. Провести экспериментальные исследования теплового состояния буксового узла в эксплуатационных и стендовых условиях, выполнить экспериментальную оценку достоверности моделей и целесообразности реализованных технических решений в усовершенствованных средствах теплового контроля.

5. Выполнить теоретические исследования на моделях и оценку технических проблем, стоящих при эксплуатации и совершенствовании бесконтактного теплового контроля.

6. Предложить расчетно-апостериорную модель статистического характера для распознавания класса неисправных букс и выбора пороговых значений теплового контроля.

7. Разработать и реализовать основные положения создания распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов в движущихся поездах с многоуровневой обработкой и передачей информации.

8. Предложить технические решения по созданию новых систем теплового бесконтактного контроля букс и совершенствования технологии контроля базовыми системами.

Решение этих задач позволит повысить эффективность контроля нагрева букс подвижного состава в пути следования, что является важнейшим условием повышения безопасности движения поездов на сети железных дорог РФ.

Методика исследования. Общая методика исследований построена на использовании методов теплопередачи и теплообмена, конечного элемента (МКЭ), имитационного моделирования, методах теоретической механики, виртуального трехмерного моделирования, идентификации, аналитической геометрии, статистики и теории вероятности, теплотехнических контактных и бесконтактных измерений, объектно-ориентированного программирования, компьютерных технологий, испытаний в реальных условиях и на стендах, обобщении современных тенденций развития СТК.

Достоверность исследования основана на использовании при оценке корректности разработанных моделей теплового контроля результатов проведенных испытаний буксовых узлов на стендах (расхождение результатов расчетов и данных измерений не более 10 %) и под вагонами в реальных условиях эксплуатации, а также результатов периодически проводимых статистических анализов уровней нагрева букс в общесетевой эксплуатации на дорогах ОАО «РЖД».

Обоснованность результатов исследований достигается комплексным использованием проверенных практикой теоретических и эмпирических методов исследования, а модели процесса теплового контроля согласуются с опытом создания и совершенствования средств теплового контроля.

Обоснованность реализованных технических решений средств теплового контроля оценивалась сопоставлением показаний, полученных СТК бесконтактным способом с контактными измерениями температур буксовых узлов в зоне контроля (среднее расхождение измерений составляет не более 6%), а также положительными результатами подконтрольной эксплуатации на сети дорог ОАО «РЖД».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

2. Комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля, системно интегрирующий моделирование следующих процессов: действия нагрузок на буксовый узел во время движения вагона; выделения тепла в зонах трения, распространения тепловых потоков от подшипников к шейке оси и к наружным поверхностям, доступным для теплового контроля зон корпусов букс; излучения тепловой энергии в ИК области спектра; восприятия ИК излучения приемником напольных средств контроля при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды с учетом различных геометрических параметров корпусов букс и характера ориентации сканирующей системы.

3. Методика выбора пороговых значений признаков работоспособного состояния букс.

4. Разработка и применение для различного подвижного состава методики оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

5. Результаты проведенных на стенде, в поездных условиях и в процессе подконтрольной эксплуатации экспериментальных исследований температурных режимов буксовых узлов с различными типами подшипников, находящихся в работоспособном и предаварийном состояниях.

6. Теоретические результаты, полученные на моделях:

- особенности распределения тепловых потоков от подшипников к потенциальным зонам контроля на корпусах букс разнородного подвижного состава;

- оценка влияния нагрева ободов, дисков и ступиц колес при колодочном торможении и осей колесных пар при дисковом торможении на нагрев подшипников и корпусов букс в контролируемых зонах;

- характер нагрева буксовых узлов в аварийных режимах работы с наличием различных неисправностей.

7. Программно-технические решения, реализованные при создании средств теплового контроля нового поколения КТСМ-02, совершенствовании контроля базовыми средствами КТСМ-01, разработке и эксплуатации отраслевой распределенной системы контроля и мониторинга нагрева букс.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен новый метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коничес-кими роликоподшипниками, основанный на:

- имитационном моделировании всего процесса бесконтактного теплового контроля;

- комплексных экспериментальных исследованиях температурных режимов буксовых узлов в работоспособном состоянии и при наличии основных предаварийных неисправностей;

- распознавании класса неисправных букс при тепловом контроле с учетом опытных данных.

2. Впервые создан комплекс связанных математических моделей бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

Комплекс включает следующие математические модели, разработанные в рамках исследования и имеющие научную новизну:

- термомеханическая модель функционирования буксового узла, которая позволяет моделировать процесс образования тепла в роликоподшипниках цилиндрического и конического типа при рабочих и аварийных режимах, теплопередачу в буксовом узле и теплоотдачу во внешнюю среду в зависимости от нагрузок на буксовый узел и скорости движения вагона;

- математическая модель пространственного сканирования буксы приемником ИК излучения при проследовании поезда, позволяющая получить траекторию сканирования буксы любой заданной геометрии при любых углах ориентации приемника ИК излучения;

- математическая модель ИК излучения с зоны сканирования буксового узла, передачи лучистой энергии на приемник ИК излучения и определение уровня сигнала излучения, соответствующего относительному и абсолютному нагреву буксового узла.

3. Предложена апостериорная модель статистического характера для распознавания класса неисправных букс при тепловом контроле и выбора контрольных значений признаков оценки работоспособного состояния букс.

4. Впервые на базе комплекса моделей бесконтактного теплового контроля разработана методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в следующем:

1. Для имитационного моделирования разработана вычислительная реализация комплекса математических моделей бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов. Это позволяет проводить численные исследования процессов теплового контроля и разрабатывать рекомендации по созданию новых систем теплового контроля и совершенствования технологии контроля базовыми системами, существенно сократив объем экспериментальных исследований.

2. На базе созданных математических моделей реализована методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс, которая может быть использована для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля и на стадии проектирования нового подвижного состава. Методика апробирована для скоростного пассажирского и тягового подвижного состава и позволила обосновать внедрение на основных магистралях страны конкретные технические решения и алгоритмы теплового контроля.

3. Теоретически и экспериментально получено подтверждение того, что полностью исключить случаи несвоевременного обнаружения аварийного разрушения подшипников при часто встречающихся неисправностях буксового узла (нарушение торцевого крепления подшипников со сдвигом корпуса буксы и ослабление посадки внутреннего кольца подшипника) только средствами теплового контроля нельзя.

4. На основе полученных и научно обоснованных в работе предложений создания и модернизации систем теплового контроля букс разработано техническое обеспечение принципиально новой многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава КТСМ-02 с возможностями подключения к ней подсистем контроля других параметров состояния подвижного состава.

5. С учетом структуры и принципов обслуживания подвижного состава в пути следования разработана и программно-аппаратно реализована на базе оборудования КТСМ распределенная система теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов (АСК ПС) отраслевого назначения.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных в диссертации исследований использованы при разработке системы КТСМ-02, совершенствовании контроля букс различного подвижного состава базовыми установками КТСМ-01, для назначения и утверждения на сети ОАО «РЖД» пороговых значений настройки СТК. К концу 2008 г. доля КТСМ в общем количестве СТК на дорогах России составляла 100 %, из них доля КТСМ-02 составляла 33 %. Распределенная система теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов АСК ПС внедрена на 15 дорогах сети ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные положения работы изложены и одобрены на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, УрГУПС, 2003 г.); на 4, 5, 6, 7-ой научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2003-2006гг.); на 3-й и 5-й научно-технических конференциях «Подвижной состав ХХ1 века (Идеи. Требования. Проекты)» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2003, 2005 гг.); на LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, ДИИТ, 2006 г.); на НТС ОАО РЖД (29.08.08); на НТС секции ученого совета ФГУП ВНИИЖТ; на научно-технических совещаниях при старшем вице-президенте ОАО «РЖД» В. А. Гапановиче (2004-2009 гг.), посвященных проблемам теплового контроля букс подвижного состава; на НТС филиала ОАО «РЖД» «Свердловская железная дорога» в 2006 г.; на заседании лаборатории колесных пар и буксового узла ФГУП ВНИИЖТ; на семинарах кафедры «Вагоны» УрГУПС в 2001-2009 гг.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 40 научных работах, опубликованных в журналах «Железнодорожный транспорт», «Вестник ВНИИЖТ», «Транспорт, наука, техника, управление», «Транспорт Урала», «Локомотив», «Автоматика, связь, информатика», «Тяжелое машиностроение», «Вагоны и вагонное хозяйство», научных трудах РАН, МИИТ, УрГУПС, и материалах конференций всероссийского и международного уровней. По теме исследований получено 3 патента РФ на изобретения и одно положительное решение на выдачу патента на изобретение.

2. Содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности разрабатываемой в диссертации научной проблемы, показывает ее народнохозяйственное значение. Большое внимание уделяется вопросам теплового контроля букс подвижного состава, так как он обеспечивают предотвращение аварийных ситуаций, связанных с неисправностями буксового узла ходовых частей.

В первом разделе дан краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований тепловых процессов в буксовых узлах, выполнен анализ конструктивных особенностей буксовых узлов и рам тележек, влияющих на тепловой контроль, а также анализ технических решений систем бесконтактного теплового контроля букс и основных направлений их совершенствования, сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Исследованиям работоспособности буксового узла, оценке внешних и внутренних факторов в эксплуатации, повышению надежности, анализу конструкции посвящены работы российских исследователей П.С. Анисимова, В.Н. Белоусова, А.П. Бомбардирова, С.Н. Быкова, И.А. Буше, В.И. Донских, О.М. Савчука, С.Г. Иванова, Ю.М. Казанцева, Л.А. Колосова, Н.Н. Кудрявцева, В.В. Лукина, В.В. Новикова, В.Л. Образцова, М.В. Орлова, А.И. Полякова, С.В. Петрова, В.В. Рябцева, В.Н. Цюренко, В.Я. Френкеля, А.Ф. Тагирова, П.С. Юракова.

Разработке принципов комплексного контроля технического состояния подвижного состава и диагностики букс по ИК излучению посвящены работы В.М. Алексенко, А.Г. Алексеева, В.А. Берзина, Э.Г. Миронова, С.Н. Лозинского, В.Л. Образцова, М.В. Орлова, В.И. Самодурова, Г.К. Сендерова, М.М. Соколова, Е.Е. Трестмана, А.В. Третьякова, П.С. Шайдурова.

Исследованиям методов обработки информации при выявлении нагретых букс посвящены работы Г.В. Варварина, М.И. Глазковой, Н.И. Горлач, В.Л. Образцова, Х.Б. Шмермана, Е.Е. Трестмана и других ученых.

Отмеченным проблемам посвящены также работы зарубежных ученых, среди которых: Дж. Амстронг, К. Галахер, Р. Бернес, М. Лаплеш, М.А. Роланд, Г. Сиблей и многих других.

Выполненный анализ имеющихся теоретических и экспериментальных исследований, а также анализ конструктивных особенностей буксовых узлов и рам тележек в контексте теплового контроля показывает, что:

- не выполнялись комплексные исследования теплового контроля букс, которые бы интегрировали анализ функционирования объекта диагностирования и работы средств теплового контроля в модель всего процесса контроля;

- не были исследованы особенности распределения тепловых потоков от подшипников к потенциально контролепригодным зонам корпусов букс разнородного подвижного состава, так как возможности использованных расчетных моделей сводились к оценке средних по объему и поверхности корпуса буксы температур;

- недостаточно исследовались температурные режимы букс и вопросы обеспечения эффективного теплового контроля разнородного (грузовой, тяговый, пассажирский) подвижного состава с различными конструкциями букс, в том числе с коническими подшипниками кассетного типа;

- не учитывалось влияние аэродинамических свойств рамы тележки, которые у отдельных типов тележек существенно определяют разный нагрев подшипников и корпусов букс на первой и второй осях;

- не было изучено влияние на процессы теплового контроля таких факторов, как скорость движения поезда (обдув букс встречным воздухом), колебания колесных пар во время движения, диаметр (износ) колес;

- не проводилось исследование взаимного влияния нагрева ободов, дисков и ступиц колес при колодочном торможении и осей колесных пар при дисковом торможении на нагрев подшипников и корпусов букс в контролируемых зонах;

- мало изучены вопросы живучести буксовых узлов в аварийных режимах работы с наличием различных неисправностей (защемление роликов между кольцами, проворот внутренних колец, нарушение торцевого крепления подшипников и др.) и условия своевременного обнаружения неисправных букс средствами теплового контроля в движущихся поездах до полного разрушения подшипников.

Кроме того, не были решены следующие технические проблемы:

- применялись практически один-два диагностических признака (амплитудный и относительный в форме отношения уровней нагрева двух букс с одной стороны тележки), что не могло удовлетворить возросшим требованиям эксплуатации, в том числе при использовании в подвижном составе разнотипных подшипников и марок смазки;

- в средствах контроля отсутствовали возможности автоконтроля и автокоррекции параметров приемо-усилительных (измерительных) трактов, диагностики всех составных частей и узлов собственно СТК, устройств электропитания и каналов связи;

- отсутствовала система передачи и сбора диагностической информации с целью централизованной обработки и мониторинга теплового состояния буксовых узлов на участках безостановочного движения поездов, хранения баз данных и выдачи по запросам пользователей всей необходимой информации;

- не были решены вопросы стыковки и информационного взаимодействия СТК линейного уровня с автоматизированными системами верхнего уровня (АСУ ПТО, АСОУП, ГИД, КАС АНТ и др.)

Анализ тенденций в направлении совершенствования отечественных и зарубежных систем бесконтактного теплового контроля букс показывает, что процесс в данной области идет по следующим направлениям:

- поиск зон контроля, наилучшим образом отражающих техническое состояние буксовых узлов различных типов;

- увеличение зоны сканирования нижней части корпуса буксы благодаря развертке обзора приемника ИК излучения;

- отказ от камер, установленных рядом с путевой решеткой на отдельном фундаменте в балласте;

- обеспечение интеграции СТК с другими напольными системами диагностики подвижного состава;

- совершенствование систем передачи информации о результатах контроля.

Таким образом, выполненный анализ исследований и технических решений позволил сформулировать цель и задачи исследований настоящей работы.

Во втором разделе рассматривается разработка и компьютерная реализация уникального комплекса математических моделей теплового бесконтактного контроля букс, включающего моделирование работы объекта контроля (буксового узла) и моделирование работы средства теплового контроля при проходе поезда.

Комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля буксовых узлов состоит из следующих блоков - моделей (рисунок 1).

1. Модель движения единицы подвижного состава для оценки перемещений и силового режима работы буксового узла.

2. Термомеханическая модель функционирования буксового узла.

3. Модель сканирования буксы подвижной единицы приемником ИК излучения при проследовании поезда.

4. Моделирование ИК излучения с зоны сканирования и передачи

энергии на приемник ИК излучения СТК.

5. Модель работы приемного устройства СТК и определения нагрева буксы.

В первом блоке (см. рисунок 1) решается задача компьютерного моделирования движения вагона по заданным случайным неровностям. Моделирование грузового вагона производится с помощью разработанной на кафедре «Вагоны» УрГУПС модели движения вагона, имеющей 114 степеней свободы. Для моделирования используется программная среда UM, реализующая автоматический синтез уравнений движения систем связанных твердых тел.

Выходными данными моделирования движения являются зависимости вертикальных и осевых сил, действующих на буксовый узел (осциллограммы), по которым определяются математические ожидания (для случайных неровностей) указанных параметров.



Рисунок 1- Схема комплекса математических моделей функционирования объектов и средств тепловой диагностики букс ( - блоки моделей; - входные-выходные данные блоков)

Во втором блоке реализуется термомеханическая модель, состоящая в

свою очередь из подмоделей (2.1-2.3, см рисунок 1):

- образования тепла в работающем подшипнике (2.1);

- распределения температурных полей в буксовом узле (2.2);

- газодинамическая (2.3).

На уровне подмодели 2.1 решается задача определения теплообразования в работающем подшипнике от нагрузок, полученных на модели блока 1. На рисунках 2 и 3 показаны расчетные зоны теплообразования для букс с коническим и цилиндрическими подшипниками.

Тепловые потоки от сил трения качения

Определение тепловых потоков базируется на расчете угловых и линейных скоростей деталей подшипника, расчете распределения нагрузок на ролики. Условимся считать зону, ограниченную дугой ц и в которой воспринимается телами качения радиальная нагрузка, действующая на подшипник, «нагруженной зоной», соответственно зону, ограниченную дугой 360 - ц, «ненагруженной зоной».

Тогда радиальная плотность теплового потока по «нагруженной зоне» наружного кольца (см. рисунок 2) каждого цилиндрического подшипника от сил трения качения определяется

(1).

Суммарная плотность теплового потока в радиально нагруженной зоне наружного кольца от первого и второго ряда роликов конического подшипника (см. рисунок 3) вычисляется

. (2)



Рисунок 2 - Зоны образования тепловых потоков в буксе с цилиндрическими подшипниками, принятые при моделировании

Плотность теплового потока по «ненагруженной зоне» наружного кольца каждого цилиндрического подшипника (см. рисунок 2) определяется

. (3)

Суммарная плотность теплового потока по «ненагруженной зоне» наружного кольца конического подшипника (см. рисунок 3) определяется

. (4)



Рисунок 3 - Зоны образования тепловых потоков в буксе с двухрядным коническим подшипником, принятые при моделировании

В формулах (1)- (4) - коэффициент трения качения для подшипника (используется зависимость изменения коэффициента трения от температуры на подшипнике, зависимость определяется путем идентификации по экспериментальным данным в разделе 3); l_p - длина ролика; i_н - число контактов, приходящихся в секунду на наружном кольце подшипника; Q_р - средняя радиальная нагрузка на ролик; - центробежная сила, действующая на каждый ролик в подшипнике, m_p - масса ролика, d₀- диаметр окружности центров роликов, _с - угловая скорость вращения сепаратора.

При расчете радиальной плотности теплового потока на внутреннем кольце подшипника учитывается, что внутреннее кольцо вращается, поэтому в модели тепловой поток прикладывался на всю радиальную поверхность внутреннего кольца (см. рисунки 2, 3). Тогда радиальная плотность теплового потока на внутреннем кольце находится

 , (5)

где - длина дуги нагруженной зоны внутреннего кольца по средней линии; - площадь поверхности внутреннего кольца.

Для внутренних колец конического подшипника в выражении (5) соответственно для первого кольца - ц_{1 ,} второго кольца - ц_2.

Тепловые потоки от сил трения скольжения

Расчет плотности теплового потока на торцевые поверхности колец цилиндрического подшипника (см. рисунок 2).

Плотность теплового потока на наружном кольце

, (6)

где Q_а - средняя осевая (аксиальная) нагрузка на ролик; Z - количество роликов; n_c - частота вращения сепаратора; R_СН -радиус средней линии торцевой поверхности наружного кольца; S_на - площадь торцевой поверхности наружного кольца; - коэффициент трения скольжения для цилиндрического подшипника.

Плотность теплового потока на внутреннем кольце цилиндрического подшипника

, (7)

где R_cв - радиус средней линии торцевой поверхности внутреннего кольца; - площадь торцевой поверхности внутреннего кольца.

Для конического подшипника (см. рисунок 3) аксиальная плотность теплового потока на внутреннем кольце второго и первого рядов конического подшипника от радиальной нагрузки

, (8)

где - площадь торцевой поверхности внутреннего кольца, взаимодействующей с роликами; - коэффициент трения скольжения для конического подшипника; б - угол контакта.

Аксиальная плотность теплового потока от осевой нагрузки на внутреннем кольце ряда роликов, воспринимающим первым осевую нагрузку

. (9)

Тепловые потоки, вычисляемые по формулам (1) - (9), используются в качестве «нагрузок» для оценки распределения температурных полей в буксовом узле с цилиндрическими и коническим подшипниками методом конечных элементов (МКЭ).

Уравнение теплопереноса в частных производных, записанное в векторно-матричном виде, выразится следующим образом:

, (10)

где - плотность; С - теплоемкость; Т - температура; t - время; {V} - вектор скорости передачи тепла; {L} - векторный оператор дифференцирования - вектор теплового потока; - генерация тепла в единице объема.

Уравнение (10) в матричной форме, приведенное к методу конечных элементов, записывается следующим образом:

, (11)

где [K] - матрица теплопроводности; [С] - матрица удельных теплоемкостей; {Т} - узловые температуры; - скорость изменения температуры; {Q}- вектор узлового теплового потока.

Для аппроксимации геометрии буксового узла (рисунок 4) применительно к тепловому анализу был выбран объемный 10-ти узловой конечный элемент в виде тетраэдра.

Рисунок 4 - Аппроксимация конечными элементами буксового узла с коническим подшипником и адаптером

При разработке конечно-элементной модели и расчетной схемы был применен оригинальный подход, который позволил смоделировать теплоперенос из «нагруженной зоны», ограниченной углом ц, в «ненагруженную» за счет вращающихся деталей. Очевидно, что основной нагрев роликов, сепаратора, смазки и внутренних колец подшипника происходит в «нагруженной зоне», ограниченной углом ц, в «ненагруженной зоне» происходит перераспределение тепла между движущимися и неподвижными деталями буксового узла. Поэтому основным элементом примененного подхода, учитывающим описанные выше явления, является использование в модели следующего допущения: объем, занимаемый роликами, сепаратором и смазкой, в подшипнике был заменен в цилиндрической системе координат модели единым телом вращения (РСС - ролик-сепаратор-смазка), которое также разбивалось на конечные элементы. При этом через свойства отдельных компонентов определялись эквивалентные теплофизические свойства (плотность, теплоемкость и теплопроводность) тела РСС. Эквивалентная теплопроводность л_РСС комплекса РСС в направлениях осей цилиндрической системы координат модели определялась по формуле

,

где n - частота вращения соответственно: для оси y - частота вращения сепаратора подшипника; n = 1- для оси z, для оси x - частота вращения ролика вокруг своей оси; V - объем; индексы: рол - ролик; с - сепаратор; см - смазка.

Это позволило смоделировать перераспределение тепла при вращении обоймы роликов с сепаратором. Аналогичным образом в модели определялись теплопроводности всех вращающихся тел буксового узла.

Учитывая, что буксовый узел работает в условиях обтекания воздушным потоком от движения и, соответственно с этим, его влияния на тепловой режим узла, была разработана модель для расчета обтекания встречным потоком воздуха буксового узла. Задача состоит в определении граничных условий для расчета по МКЭ - коэффициентов теплоотдачи и распределении их по поверхности корпуса буксы и крышки при различных начальных температурах тела, температурах и скорости набегающего потока.

Буксовый узел представляет тело сложной геометрической формы, которую можно представить как сочетание цилиндрических и плоских поверхностей. Поэтому решение задачи теплоотдачи на поверхности буксового узла производилось для ламинарного режима с помощью критериальных уравнений для цилиндра и пластины.

В третьем блоке (см. рисунок 1) моделируется проследование буксового узла через зону контроля приемника ИК излучения. При этом решается геометрическая пространственная задача динамического пересечения поверхности буксового узла с зоной контроля приемника, выраженной в пространстве конусом с вершиной, находящейся в точке, из которой исходит оптическая ось приемника (рисунок 5).

Рисунок 5 - Пересечение поверхности КЭ модели буксы с зоной контроля ИК приемника

Поскольку СТК воспринимает тепловое излучение только наружных поверхностей элементов, то в модель сканирования буксы передаются данные (координаты) лишь внешних узлов конечно-элементной сетки. Оставшиеся после селекции конечные элементы приобретают трехузловую структуру, представляющую собой участок поверхности, ограниченной треугольником. Задача решается путем перевода с помощью векторно-матричных преобразований координат узлов КЭ из подвижной системы координат, связанной с буксой, в базовую неподвижную («земля»). Это позволяет при расчете положения узлов КЭ учесть перемещения и углы поворота буксы в пространстве при движении вагона. В результате на базе исходного массива конечных элементов (КЭ) с поверхности контролируемого буксового узла единицы подвижного состава M_T[КЭ₁^S, КЭ₂^S,… КЭ_i^S,… КЭ_k^S] (k - номер конечного элемента; s - индекс КЭ, у которых три узла находятся на поверхности буксового узла) в процессе «отсева» КЭ по признаку «попадания» в зону контроля приемника ИК излучения формируется новый массив n конечных элементов, находящихся в данный момент времени в зоне контроля и тепловое излучение которых воспринимается приемником.

Таким образом, в четвертый блок передается геометрическая и физическая информация (значения температур) о конечных элементах, находящихся в зоне контроля приемника в каждый момент времени. По рассчитанным значениям средних температур в КЭ, находящихся в зоне контроля («пятне») в каждый момент времени, может быть построена осциллограмма теплового сигнала, пропорционального считанной температуре.

В четвертом блоке комплекса моделей выполняется определение параметров инфракрасного излучения с полученного в блоке 3 массива конечных элементов, попавших в зону контроля приемника в каждый момент времени. При этом моделируются факторы, влияющие на прием излучения, это - свойства внешней среды, геометрические параметры системы.

Лучистый поток, воспринимаемый приемником, со спектральной чувствительностью, заключенной в диапазоне волн л_1,…л₂ вычисляется согласно законов теплообмена излучением по формуле

, (12)

где S_об - рабочая площадь объектива приемника ИК излучения;

S_л(л) - спектральная чувствительность приемника ИК излучения;

K_a(л) - коэффициент пропускания атмосферы;

K₀(л) - коэффициент пропускания оптической системы;

r(л,T) - спектральная интенсивность плотности излучения абсолютно черного тела;

l - расстояние от центра объектива до площадки излучения;

е - степень черноты или коэффициент излучения;

щ, б - углы между направлением оптической оси и нормалью поверхности.

Конечные элементы в зоне сканирования имеют различную температуру и соответственно положение в спектре максимальной спектральной плотности излучения, которое определяется законом смещения Вина. Кроме того, КЭ имеют различную ориентацию относительно приемника. Учитывая это, а также считая площадь КЭ очень малой величиной, запишем выражение (12) в виде

, (13)

где i - номер КЭ;

q - номер интервала спектра излучения;

S_л^q, K_a^q, K₀^q - спектральная чувствительность и коэффициенты пропускания приемника, определенные в первом приближении как константы для q-го интервала спектра излучения;

u - количество интервалов, на которые разбита инфракрасная область спектра электромагнитного излучения;

S_i - площадь i-го конечного элемента;

R_i^q - суммарная плотность излучения i-го КЭ как абсолютно черного тела, в интервале диапазона волн q;

ц_i - угол между направляющим вектором ориентации приемника и нормали i-го конечного элемента;

l_i - расстояние между приемником и i-м конечным элементом. Суммарная плотность излучения R_i^q i-го КЭ определяется из выражения закона Планка для распределения интенсивности излучения по спектру для абсолютно черного тела

, (14)

где h = 6.6256·10^-34 Дж·с - постоянная Планка; c = 2.998·10⁸ м/с - скорость света; к = 1.38054·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура черного тела в градусах К, л₁^q, л₂^q - границы q-го диапазона излучения.

В 5 блоке моделируется работа приемного устройства СТК. В зависимости от эксплуатационных условий и возможностей аппаратуры применяются абсолютная (температурная) или относительная (по относительной температуре или в условных квантах теплового сигнала) оценки нагрева букс подвижного состава.

Определив значение мощности излучения F принимаемого приемником СТК (см. формулу 13) можно рассчитать среднюю абсолютную температуру поверхности нагретого тела (буксы) в зоне контроля («пятне»). При этом для расчета воспользуемся формулой (12), подставляя в нее приближенные значения параметров, т. к. точное положение сканируемого тела (S, l, щ, б) и параметры прозрачности среды (K_a(л), K₀(л)) на практике в реальной ситуации точно определить невозможно.

Запишем формулу (12) для СТК с диапазоном спектральной чувствительности приемника (л₁ - л₂)

, (15)

где S - площадь сканируемой поверхности; ц - угол между направляющим вектором ориентации приемника и нормали поверхности тела; R_ср - средняя плотность излучения поверхности тела в зоне сканирования.

Из выражения (15) найдем среднюю плотность излучения R_ср

. (16)

Опишем связь между плотностью излучения и температурой излучателя. Поскольку интеграл в формуле Планка (14) не поддается аналитическому решению, установить зависимость между R и Т можно путем аппроксимации решений интеграла, полученных численными методами. Тогда средняя температура поверхности буксы в зоне сканирования ИК приемником может быть представлена

. (17)

Уровень теплового сигнала (ТС) в градусах определяется как разность температур ?Т буксы Т_Б и элементов тележки Т_Т (фон), находящихся в сходных физических условиях, но при этом не подверженных тепловому влиянию буксы.

Таким образом, разность ?Т будет равна

.

Для пересчета уровня ТС из градусов в кванты, используемые в средствах теплового контроля ПОНАБ, ДИСК и КТСМ, воспользуемся устанавливаемой при калибровке данной аппаратуры ценой одного кванта Ц в °С (зависит от температуры наружного воздуха Т_НВ)

,

где Т_Н - температура нагревателя калибратора (зависит от температуры наружного воздуха Т_НВ); Ур.к, ДТк - уровень теплового сигнала на который калибруется прибор в квантах и градусах согласно принятым калибровочным таблицам для названной аппаратуры.

Тогда уровень теплового сигнала буксы в квантах

.

Первые два блока рассмотренного комплекса моделей относятся к функционированию объекта теплового контроля и могут быть названы нами для удобства «виртуальная букса», третий, четвертый и пятый блоки относятся к моделированию работы средства теплового контроля и могут быть названы «виртуальный прибор». «Виртуальная букса» и «виртуальный прибор» для каждого конкретного случая (типа подвижного состава, типа СТК) образуют виртуальную модель теплового контроля.

Согласно разработанных и приведенных выше математических моделей блоков 3-5 было разработано специальное программное обеспечение для компьютерной реализации «виртуального прибора». Программное обеспечение согласно алгоритму осуществляет считывание тепловых полей, полученных на термомеханической модели, обработку траектории сканирования, определение осциллограммы сигнала.

В третьем разделе диссертации приведены результаты разработки и реализации комплекса экспериментальных исследований работоспособности буксовых узлов, оценки достоверности разработанных моделей и целесообразности реализованных технических решений в средствах теплового контроля. Рассмотрим комплекс по его составляющим - видам испытаний.

Измерения температур буксовых узлов в эксплуатационных поездных условиях контактными датчиками температуры.

Данным видом испытаний решались следующие задачи.

1. Исследование общего температурного состояния подшипников кассетного типа и наружных корпусов букс и полубукс (адаптеров) грузовых вагонов (Экспериментальное кольцо).

Испытания проводились контактными непрерывными измерениями температур букс вагонов опытного маршрута Экспериментального кольца ВНИИЖТ (ст. Щербинка) ОАО «РЖД» 27-29 июня 2005 г. Для проведения контактных измерений температуры использовались автономные, цифровые термометры с памятью (рисунок 6, а). Датчики устанавливались с помощью магнитного крепления на различные зоны снаружи букс (см. рисунок 6, б), продолжительность измерений 15 часов (вечер-ночь-утро, включающие движение с постоянной скоростью, торможение, остановки поезда), интервал записи измерений температур в память датчика - 1 мин.

Полученные при контактных измерениях распределения температур буксовых узлов в поездных условиях, в сравнении с результатами расчетов на термомеханической модели, сопоставимы качественно и количественно (расхождение не более 10 %).



Рисунок 6 - Измерения температур буксовых узлов в эксплуатационных поездных условиях контактными датчиками температуры

2. Подробное изучение распределений температур в зоне контроля КТСМ-02 (нижней части буксового узла - рисунок 6, в) и верификация по экспериментальным данным модели «виртуальный прибор».

Сопоставление рассчитанных на моделях работы средства теплового контроля («виртуальный прибор») и зарегистрированной СТК КТСМ-02 значений уровней нагрева в выбранных случайным образом значений времени при испытаниях на полигоне показывает, что среднее расхождение значений не превышает уровня расхождений для термомеханической модели. Это свидетельствует о высокой достоверности блока моделей «виртуальный прибор».

3. Изучение стабильности температурного режима в зоне контроля буксовых узлов с кассетными подшипниками и оценки достоверности показаний аппаратуры теплового контроля (Северная ж.д.).

Сопоставление результатов измерений температур на 24-х буксах контактными термодатчиками (рисунок 6, г) в поездных условиях и одновременно бесконтактным способом с помощью КТСМ-02 показывает, что среднее расхождение измерений букс в зоне сканирования контактным способом и бесконтактным способом с помощью КТСМ-02 составляет 1,1?С (5,7%) (рисунок 7).

4. Исследование температурного состояния кассетных подшипников и корпусов букс тележек скоростных (до 200 км/час) пассажирских поездов (Октябрьская ж.д.- Санкт Петербург -- Москва).

Результаты измерений (рисунок 6д) температур буксовых узлов на скоростных тележках модели 68-4076 показывают, что отношение средних значений относительных температур букс четных и нечетных осей (по хо-ду движения) измеряемых вагонов в контрольных точках при установившемся тепловом режиме работы букс составляет 1,28 (рисунок 8).

При смене направления движения поезда, менее нагретые буксы в направлении поезда в одну сторону на нечетных осях вагонов становятся более нагретыми в обратном направлении, т. к. эти оси становятся вторыми. При смене направления движения поезда, менее нагретые буксы в тетележке по ходу движения и меняется их расположение по отношению к воздушному потоку.



Рисунок 7 - Сопоставление результатов измерений температур корпусов букс контактными датчиками с показаниями КТСМ_02 в °С

Рисунок 8 - График изменения во времени температур буксовых узлов за один полный рейс поезда «Невский экспресс» Санкт Петербург - Москва - Санкт Петербург

Полученные при испытаниях выводы явились частью исследований причин систематически наблюдаемой разницы показаний аппаратуры КТСМ-01 на буксы четных и нечетных осей скоростных пассажирских поездов.

Стендовые испытания в режиме эксплуатационных нагрузок с измерением температур на поверхности и внутри буксового узла

Испытаниям на специально разработанном стенде подвергалась ось колесной пары с буксовым узлом. Стенд позволяет имитировать действующие на буксовый узел радиальную и осевую нагрузки. Измерялись температуры наружных колец подшипников в 16 точках контактными термопарами, установленными в специальные отверстия в корпусе буксы, и температуры корпуса в этих же сечениях бесконтактным пирометром. По результатам испытаний строились графики выхода на стационарный режим теплового состояния.

Решались следующие задачи:

1. Изучение распределений температур, идентификация по экспериментальным данным параметров трения для термомеханической модели буксового узла, оценка достоверности моделей.

2. Оценка температур в роликах подшипников по специальной методике при выходе на стационарный режим. Подтверждение достоверности термомеханической модели буксового узла.

Для определения температуры ролика изготавливался измерительный ролик с установленным в нем автономным термодатчиком. Сравнение графиков расчетных температур и полученных по результатам стендовых испытаний буксового узла (рисунок 9) показывает, что максимальное расхождение расчетов и измерений составило 9%. При этом расчетные температурные поля внутри подшипника согласуются с температурами, измеренными на роликах в процессе эксперимента, что характеризует достоверность и работоспособность созданной модели.

Стендовые испытания в режиме неисправностей буксового узла с измерением температур буксового узла

Решались следующие задачи:

1. Оценка темпа нарастания аварийных температур с разрушенным торцевым креплением и сдвигом корпуса буксы.



Рисунок 9 - Сравнение графиков расчетных и экспериментальных температур элементов корпуса буксы (выход на стационарный режим теплового состояния)

Результаты стендовых испытаний по имитации аварийной ситуации со смещенным корпусом буксы показывают, что при нарушении или отсутствии торцевого крепления происходит процесс разрушения переднего подшипника, сопровождающийся временным заклиниванием роликов по торцам. При этом температура наружных колец и внешних поверхностей корпуса буксы не превышает минимальных пороговых значений, принятых для настройки средств теплового контроля. При такой ситуации полностью исключить случаи несвоевременного обнаружения аварийного разрушения подшипников при нарушении торцевого крепления и сползании корпуса буксы только средствами теплового контроля нельзя.

2. Оценка темпа нарастания аварийных температур с ослаблением посадки внутреннего кольца переднего подшипника.

Испытания буксового узла с ослаблением посадки (проворот) внутреннего кольца переднего подшипника показывают, что темп нагрева наружного кольца в конечной фазе испытаний (12-15 минут от начала) - 4 град/мин, торца оси - 10 єС /мин. Для сравнения, темп нагрева работоспособного подшипника при выходе на стационарный режим в стендовых условиях составляет 0,1-0,2 єС/мин в зависимости от значения осевой (аксиальной) нагрузки.

Подконтрольная эксплуатация с мониторингом нагрева буксовых узлов по показаниям бесконтактных напольных средств теплового контроля

Решаемые задачи. Статистическая и вероятностная оценка нагрева букс в процессе эксплуатации.

Данный вид исследований проводился с использованием базы показаний СТК, пополняемой с установок на территории России и позволяющей решать множество задач теплового контроля. В автореферате приводится лишь один пример использования результатов статистических исследований, позволивших принять конкретные технические решения.

Наблюдение за опытной эксплуатацией составов с коническими подшипниками показало, что распределения уровней нагрева конических подшипников производства ЕПК на смазке Мобилит 221 носят двумодальный характер, то есть имеется тенденция деления букс на группы с «высоким» (относительно температуры воздуха 25-35 єС) и «низким» уровнем нагрева (относительно температуры воздуха 4-10 єС). Это явление было зарегистрировано также при контактных измерениях температур букс с коническими подшипниками (см. рисунок 7). Наличие данного факта говорит о нестабильности параметров смазки и препятствует объективному выбору пороговых значений контроля. Предприятие-изготовитель осуществил замену на смазку Буксол и это привело к тому, что распределение принимает одномодальный характер и наиболее вероятный уровень нагрева букс с кассетными подшипниками сосредоточился около одного значения.

В четвертом разделе приводятся результаты численного экспериментирования на разработанных моделях с целью получения необходимых для практического использования результатов, позволивших обосновать и внедрить конкретные технические решения в тепловой диагностике. Для оценки общего температурного режима буксы в диапазоне температур окружающей среды от -40 єС до +40 єС на термомеханической модели проводились расчеты полей температур (рисунок 10) при стационарном тепловом режиме при скорости движения поезда 60 км/час.



Рисунок 10 - Поля температур в буксах с различными подшипниками (температура воздуха 0 єС)

Анализ построенного графика нагрева буксы в указанном диапазоне температур окружающей среды показывает, что относительная - избыточная температура деталей буксы при -40 єС больше в 2-3 раза, чем относительная температура этих же деталей при +40 єС окружающей среды. Это обусловлено зависимостью силы трения в подшипнике от температуры воздуха, что подтверждает нецелесообразность использования для оценки допустимого нагрева буксы только абсолютной температуры буксы.

При тепловом контроле по инфракрасному излучению от буксы важно установить, как влияет или не влияет на нагрев буксы нагрев колеса при торможении колодочным или дисковым тормозом, а также возникновение аномальных ситуаций, когда колесная пара вагонов по причине неисправности тормозов (неотпущенные или самопроизвольно сработавшие) перемещается с прижатыми к ободу колодками. Моделировались различные виды торможения: многократно повторяющееся, экстренное, длительное, дисковое, а также движение с неотпущенными тормозами. Анализ результатов, часть которых приведена на рисунке 11, показывает, что данные процессы незначительно сказываются на нагреве наружных контрольных поверхностей буксового узла (в пределах погрешности напольных средств теплового контроля).



Рисунок 11 - Результаты моделирования нагрева деталей колесной пары при торможении

Как уже отмечалось, важным является то, какие детали буксового узла попадают в зону сканирования приемника инфракрасного излучения. Поэтому проектирование подвижного состава должно сопровождаться проверкой контролепригодности конструкции его ходовых частей к диагностике системами бесконтактного теплового контроля.

Основываясь на моделях «виртуальная букса» и «виртуальный прибор», была предложена расчетная методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс. Методика может быть использована для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля и при проектировании подвижного состава нового поколения.

Методика апробирована на скоростных тележках модели 68-4076 пассажирских вагонов в составах поездов типа «Невский экспресс». Анализ рассчитанных на модели (температура воздуха 0 єС, скорость движения вагона 180 км/час) полей скоростей обтекания на поверхностях тележки показывает, что по различным поверхностям корпуса буксы скорости обтекания на первой оси в 1,3-2 раза выше, чем на второй (рисунок 12).

Рисунок 12 - Поля скоростей обтекания на поверхностях тележки модели 68-4076 при движении вагона со скоростью 180 км/час

Это приводит к тому, что теплоотдача от буксы с соответствующих поверхностей в атмосферу на первой оси выше, чем на второй, а значит, температура этих поверхностей при одних и тех же технических состояниях подшипников будет ниже на первой оси, чем на второй. Выполненные расчеты на термомеханической модели буксового узла подтвердили это, так как полученные относительные температуры (разница между абсолютной и температурой воздуха) деталей букс первой и второй осей различаются в 1,3-1,7 раза в зависимости от выбранной зоны на корпусе буксы или подшипника. После теплового расчета, следуя схеме исследований (см. рисунок 1), с использованием трехмерных компьютерных моделей выполнялось определение траектории сканирования букс тележки приемником ИК излучения средства теплового контроля, а также определение осциллограммы теплового сигнала, пропорционального считанной средней температуре (рисунок 13).

Анализ осциллограмм сигналов показывает, что при одинаковом техническом состоянии подшипников в буксах на первой и второй осях, тепловой сигнал, считываемый системой контроля КТСМ-01, с буксы на первой оси в 2,05 раза меньше (см. рисунок 13), чем с буксы на второй оси. Это происходит, как было показано моделированием, за счет неравнозначного обдува (охлаждения) букс на первой и второй осях, а также из-за считывания теплового сигнала при данной ориентации приемника с разных зон буксовых узлов нагретых неодинаково.