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 | 2 || 4 | 5 |

Научные и технические основы бесконтактного теплового контроля букс железнодорожного подвижного состава

-- [ Страница 3 ] --

Запишем формулу (12) для СТК с диапазоном спектральной чувствительности приемника (1 – 2)

, (15)

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

Из выражения (15) найдем среднюю плотность излучения Rср

. (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 ТБ и элементов тележки ТТ (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 ТНВ)

,

где ТН – температура нагревателя калибратора (зависит от температуры наружного воздуха ТНВ); Ур.к, Тк – 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 %).

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 1,1С (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 на-

правлении поезда в одну сторону на нечетных осях вагонов становятся бо-

лее нагретыми в обратном направлении, т. к. эти оси становятся вторыми в

При смене направления движения поезда, менее нагретые буксы в тетележке по ходу движения и меняется их расположение по отношению к воздушному потоку.

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.

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 С /мин. Для сравнения, темп нагрева работоспособного подшипника при выходе на стационарный режим в стендовых условиях составляет 0,1–0,2 С/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 С) и «низким» уровнем нагрева (относительно температуры воздуха 4–10 С). 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 С до +40 С на термомеханической модели проводились расчеты полей температур (рисунок 10) при стационарном тепловом режиме при скорости движения поезда 60 км/час.

Анализ построенного графика нагрева буксы в указанном диапазоне температур окружающей среды показывает, что относительная – избыточная температура деталей буксы при –40 С больше в 2–3 раза, чем относительная температура этих же деталей при +40 С 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 про-

цессы незначительно сказываются на нагреве наружных контрольных по-

верхностей буксового узла (в пределах погрешности напольных средств теплового контроля).

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 С, 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). 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 тепло-

вого 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.

При контроле по нижней поверхности буксы (КТСМ-02) отличие амплитудных значений по буксам на первой и второй оси менее существенное (1,21 раза), как показывают аналогичные расчетные осциллограммы сигнала (см. рисунок 13, б). Это связано с тем, что контроль производится по одной и той же зоне поверхности букс и отличие значений амплитуд сигналов вызвано только аэродинамическими причинами.

Полученные результаты исследований контролепригодности тележек скоростных поездов послужили основанием для первоочередного оснащения установками КТСМ-02 основных магистралей ОАО «РЖД». Методика была использована также для обоснования внедрения на ОАО «РЖД» специализированных пунктов теплового контроля тягового подвижного состава с комбинированным использованием КТСМ-01 и КТСМ-02.

Разработанная термомеханическая модель позволяет моделировать распределение температур в буксовом узле в отдельных аварийных ситуациях, наиболее часто встречающихся в эксплуатации. Это касается процесса нарушения торцевого крепления подшипников со сдвигом буксы, а также процесса ослабления посадки внутренних колец подшипников. В разделе 3 диссертации приведены результаты экспериментального исследования ситуаций с данными неисправностями. По причине ограниченных возможностей применяемых при испытаниях технических средств, исследовались только начальные стадии развития неисправных состояний. В разделе 4 на модели прогнозировалось возможное развитие состояний буксового узла с указанными неисправностями.

При разрушенном торцевом креплении и последующем выходе из строя переднего подшипника, несмотря на нарушение геометрии (сдвиг роликов и кольца), может поддерживаться относительная временная работоспособность заднего подшипника в режиме эксплуатационных нагрузок радиального направления. Буксовый узел в этом состоянии с относительно работоспособным только задним подшипником может функционировать без аварийного нагрева определенное время (ограниченное продолжительностью действия на узел только радиальных нагрузок), при этом температу-

ра наружных колец и внешних поверхностей корпуса буксы не превышает минимальных пороговых значений, принятых для настройки средств теплового контроля. При последующем моделировании заклинивания роликов заднего подшипника, что может быть, как показал эксперимент, вызвано действием осевых сил на буксовый узел, заклинивание приводит к многократному увеличению темпа нагрева заднего подшипника. При этом аварийный темп разогрева подшипника и деталей буксового узла значительно выше, чем, если бы в буксе работали два подшипника при тех же условиях заклинивания роликов одного из подшипников.



Pages:     | 1 | 2 || 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.