Анализ построения аппаратуры теплового контроля буксовых узлов

Основой построения аппаратуры контроля буксовых узлов является измерение энергии излучения корпуса буксового узла. Каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию. Тела, полностью поглощающие падающий на них лучистый поток и обладающие максимальной излучаемостью, называются абсолютно черными телами. Излучение черного тела полностью определяется его температурой.

Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела Е является функцией длины волны л и температуры Т. В соответствии с законом Планка спектральная плотность излучения черного тела для длин волн от л до d л определяется по формуле:

(3.1).

где С1 и С2 — константы, равные соответственно 3,74•104 Вт•см-2•мкм4 и 1,438•104 мкм•град.

Максимум плотности излучения по мере возрастания температуры тела перемещается в область коротких волн (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — График энергетического спектрального излучения чёрного тела.

По закону Вина длина волны (в мкм), соответствующая максимуму излучения, определяется по формуле:

. (3.2).

Для корпусов большинства перегретых букс, температура которых может изменяться от 0 до 80 °C, максимум спектральной плотности излучения приходится на длины волн от 11 до 8 мкм. Поскольку при длинах волн меньше лmax плотность излучения быстро падает и основная ее часть приходится на длины волн более лmax, то наибольшее количество энергии излучения букс находится в диапазоне от 5 до 15 мкм. Эти значения длин волн должны учитываться при выборе приемника излучения (датчика) для аппаратуры контроля букс. Однако плотность излучения Солнца (на рисунке она показана в безразмерных величинах) имеет максимум при длине волны около 0,5 мкм и очень малая ее часть приходится на длины волн более 5 мкм. Поэтому для защиты аппаратуры контроля от влияний отраженной солнечной энергии приемник излучения должен иметь заградительные фильтры для длин волн короче 5 мкм.

Излучение, воспринимаемое приемником аппаратуры контроля от корпуса буксы, с определенным коэффициентом передачи пропорционально полной плотности излучения буксы Wб. Полная плотность излучения абсолютно черного тела Wчт (интегральная) определяется законом Стефана-Больцмана. При интегрировании Е (л, Т) во всем диапазоне волн от л =0 до л =? получаем:

(3.3).

где у =5,67•10−12 Вт/см2•град4 — постоянная Стефана-Больцмана.

Поскольку в природе не существует абсолютно черных тел, то все реальные тела называются нечерными и делятся на тела с селективным и серым излучением. Излучательные способности серых тел, к которым относятся и буксы, характеризуются степенью черноты е, показывающей, во сколько раз полная плотность излучения данного тела меньше полной плотности излучения абсолютно черного тела. С учетом е выражение (3.3) принимает вид:

. (3.4).

Для корпусов букс значение е равно примерно 0,85−0,95. Изменение степени черноты букс вносит дополнительные погрешности в измерение ДТкб, а следовательно, приводит к ошибкам в распознавании перегретых букс по выбранному параметру контроля.

При выборе метода контроля букс по температуре их корпусов важным моментом является постоянство выходного сигнала приемника излучения при контроле букс с одинаковой температурой шейки оси (критерий аварийности) во всем диапазоне изменений температуры наружного воздуха. Если с помощью приемника излучения измерять значение плотности излучения WT, то при изменении температуры наружного воздуха сигнал на выходе приемника будет изменяться пропорционально изменению плотности излучения WT. А это значит, что при контроле букс с одинаковым критерием аварийности в диапазоне температур наружного воздуха от -40 до +40°С сигнал на выходе приемника будет изменяться почти в 2 раза (рисунок 3.2 кривая 1). Произвести оценку состояния буксы по такому сигналу сложно.

Поэтому в аппаратуре контроля букс плотность излучения WT измеряют с учетом температуры наружного воздуха. Суть этого метода в том, что с помощью приемника излучения измеряется превышение полной плотности излучения корпуса буксы над полной плотностью излучения тела с температурой наружного воздуха (рама вагона, температура которой примерно равна температуре наружного воздуха). В этом случае полная плотность излучения, передаваемая с определенным коэффициентом к приемнику, может быть рассчитана по формуле:

(3.5).

где — температура корпуса буксы, °К;

— температура наружного воздуха, °К.

В результате воспринимаемое приемником излучение изменяется незначительно во всем диапазоне температур наружного воздуха (рисунок 3.2 кривая 2).

В состав аппаратуры контроля букс (рисунке 3.3) входят правое и левое считывающие устройства 1 (напольные камеры), которые содержат приемные капсулы 2 и приемники инфракрасного излучения с оптической системой 3.

Рисунок 3.3 — Структурная схема аппаратуры дистанционного контроля букс.

Каждое считывающее устройство устанавливается на фундамент 9. Узконаправленная оптическая система считывающего устройства выполнена из материала, пропускающего инфракрасное излучение (германий, трехсернистый мышьяк, йодистобромистый калий), и ориентирована на заднюю по ходу движения поезда стенку корпуса буксы. При выборе углов ориентации оптической системы учитываются исключение из контроля посторонних нагретых предметов (тормозных колодок, ободов колес), защита оптики от «взглядов» на солнце и фон неба.

При прохождении по участку контроля (участок размещения считывающих устройств) колесных пар 6 локомотива и вагонов поезда каждая оптическая система «осматривает» сначала раму вагона или тележку 5, а затем заднюю стенку корпуса буксы 4. Принимая излучения рамы вагона и корпуса буксы, приемник вырабатывает электрический сигнал, который усиливается приемной капсулой и подается по кабелю к устройствам 10 постового оборудования. Постовое оборудование аппаратуры контроля располагают в специальном помещении или контейнере вблизи участка контроля (4−10 м от оси пути).

В зоне, где приемная оптика «осматривает» заднюю стенку корпуса буксы, на рельс 7 устанавливается датчик прохода колес 8, который вырабатывает электрический сигнал в момент контроля буксового узла. Сигнал с датчика поступает на устройства 11 постового оборудования. Дальнейший процесс работы аппаратуры контроля зависит от того, построена она по принципам систем телеизмерения или телесигнализации. При построении аппаратуры по принципам телеизмерения далее передается и регистрируется непрерывный ряд значений измеряемой величины. Устройство 10 нормирует сигналы от букс по длительности, а устройство 11 вырабатывает сигналы счета осей (колес) и стробирующий импульс, по которому аппаратура передачи данных 12 воспринимает сигналы с выхода устройства 10. Длительность импульса стробирования должна быть больше времени контроля буксы. В результате кратковременного открытия входа аппаратуры передачи данных на время прохода буксы удается исключить из контроля посторонние нагретые части подвижного состава.

С помощью аппаратуры передачи данных сигналы от букс и счета осей передаются по линии связи к станционному оборудованию и после приема их комплектом аппаратуры передачи данных 15 выдаются на регистратор 14. Станционное оборудование аппаратуры контроля, работающей по принципам систем телеизмерения, может дополняться устройствами аварийной сигнализации и автоматическими указателями 13 (см. рисунок 3.3). Последние распознают перегретые буксы по определенным признакам сигналов (амплитуде, отношению или разности амплитуд сигналов двух букс одной колесной пары) и выдают обслуживающему персоналу информацию о наличии и расположении перегретых букс в поезде. По сигналам с этих устройств производится отметка перегретой буксы на ленте самописца и автоматическое воздействие на систему электрической централизации станции для перекрытия сигнала прибывающему поезду.

Участок размещения напольных устройств аппаратуры контроля выбирается с таким расчетом, чтобы было достаточно времени на обработку регистрируемой информации и остановку поезда в пределах станционных путей. Расстояние от станции до места установки напольных устройств выбирается в пределах 5−10 км.

При работе аппаратуры контроля по принципам систем телесигнализации на станцию передаются только дискретные сообщения об аварийном состоянии объекта контроля (буксы). Устройства 10 автоматически распознают сигналы от перегретых букс по определенным признакам, а устройства 11 вырабатывают кодовое значение текущего номера проконтролированной оси или физической подвижной единицы. В момент обнаружения перегретой буксы с помощью АПД передается, а с помощью устройств 14 регистрируется информация о наличии и расположении перегретых букс в поезде. В качестве регистратора используются печатающие устройства, цифровые индикаторы и др.

К преимуществам аппаратуры контроля, построенной по принципам систем телеизмерения, относится простота построения постового оборудования, наглядность и достаточно высокая информативность регистрируемых данных.