авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Научные и технические основы бесконтактного теплового контроля букс железнодорожного подвижного состава

-- [ Страница 2 ] --

– 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.

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 и в которой воспринимается телами качения радиальная нагрузка, действующая на подшипник, «нагруженной зоной», соответственно зону, ограниченную дугой 360 – , «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)

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)

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); – длина ролика; iн – число контактов, приходящихся в секунду на наружном кольце подшипника; Qр – средняя радиальная нагрузка на ролик; – центробежная сила, действующая на каждый ролик в подшипнике, – масса ролика, – 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 – 1, второго кольца – 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 Qа – средняя осевая (аксиальная) нагрузка на ролик; Z – количество роликов; nc – частота вращения сепаратора; -радиус средней линии торцевой поверхности наружного кольца; - площадь торцевой поверхности наружного кольца; – коэффициент трения скольжения для цилиндрического подшипника.

Плотность теплового потока на внутреннем кольце цилиндрического подшипника

, (7)

где – 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; – 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.

При разработке конечно-элементной модели и расчетной схемы был применен оригинальный подход, который позволил смоделировать теплоперенос из «нагруженной зоны», ограниченной углом , в «ненагруженную» за счет вращающихся деталей. Очевидно, что основной нагрев роликов, сепаратора, смазки и внутренних колец подшипника происходит в «нагруженной зоне», ограниченной углом , 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 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). 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 MT[КЭ1S, КЭ2S,… КЭiS,… КЭkS] (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 1,…2 вычисляется согласно законов теплообмена излучением по формуле

, (12)

где Sоб – рабочая площадь объектива приемника ИК излучения;

S() – спектральная чувствительность приемника ИК излучения;

Ka() – коэффициент пропускания атмосферы;

K0() – коэффициент пропускания оптической системы;

r(,T) – спектральная интенсивность плотности излучения абсолютно

черного тела;

l – расстояние от центра объектива до площадки излучения;

– степень черноты или коэффициент излучения;

, – углы между направлением оптической оси и нормалью поверх-

ности.

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;

Sq, Kaq, K0q – спектральная чувствительность и коэффициенты пропус-

кания приемника, определенные в первом приближении

как константы для q-го интервала спектра излучения;

u – количество интервалов, на которые разбита инфракрасная об-

ласть спектра электромагнитного излучения;

Si – площадь i-го конечного элемента;

Riq – суммарная плотность излучения i-го КЭ как абсолютно черно-

го тела, в интервале диапазона волн q;

i – угол между направляющим вектором ориентации приемника и

нормали i-го конечного элемента;

li – расстояние между приемником и i-м конечным элементом. Суммарная плотность излучения Riq 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, 1q, 2q – 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, , ) и параметры прозрачности среды (Ka(), K0()) на практике в реальной ситуации точно определить невозможно.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.