Совершенствование методов и средств бесконтактной тепловой диагностики букс подвижного состава

Надежная работа ходовых частей вагонов является важнейшим условием обеспечения безопасности движения поездов. Актуальность данной проблемы повышается в условиях удлинения тяговых плеч и гарантийных участков безостановочного следования грузовых вагонов без технического обслуживания на промежуточных пунктах технического обслуживания (ПТО) грузовых вагонов. Проблема усугубляется также объективной необходимостью сокращения численности работников вагонного хозяйства, занятых осмотром поездов на постах безопасности и техническим обслуживанием вагонов на ПТО. В этих условиях большое значение придается комплексному использованию средств технической диагностики для контроля состояния ответственных узлов подвижного состава в пути следования.

При решении этой задачи особое место отводится применению бесконтактных систем обнаружения перегретых букс в движущихся поездах. Данные системы контроля технического состояния подвижного состава позволяют своевременно выявить и устранить появляющиеся в процессе эксплуатации неисправности ходовых частей подвижного состава и, тем самым, предупредить возникновение необратимых отказов, способных привести к авариям и крушениям.

В настоящее время на сети дорог РФ находятся в эксплуатации несколько разновидностей систем бесконтактного контроля состояния буксовых узлов на ходу состава. Некоторые из них отработали в эксплуатации длительное время и как морально, так и технически устарели. Возникает вопрос о модернизации этих систем или полной замене на другие, пришедшими на смену, устройствами. Однако, при совершенствовании аппаратной части систем контроля нагрева букс и замене микропроцессорной техникой до сих пор применяются отдельные принципы контроля букс, разработанные еще для букс на подшипниках скольжения. Это касается выбора зоны контроля буксового узла и соответствующей направленности приемника инфракрасного излучения на ходовые части. Кроме того, буксовый узел на подшипниках качения, разработанный как узел, не требующий технического обслуживания в поездных условиях в отличие от буксы на подшипниках скольжения, предполагает принципиально иное назначение аппаратуры теплового контроля букс. Аппаратура в этих условиях становится не вспомогательным, а основным средством контроля. В связи с этим существенное значение принимают автоматизированные системы передачи информации о результатах контроля букс и мониторинг этих показаний во времени.

Данное исследование посвящено совершенствованию методов и средств бесконтактной тепловой диагностики буксовых узлов.

Общая методика исследований построена на использовании метода конечного элемента (МКЭ) в теплотехнике и газодинамике, методах аналитической механики, виртуального трехмерного моделирования, идентификации, аналитической геометрии, теплотехнических измерений, компьютерных технологиях, испытаний в реальных условиях и на стендах.

Научная новизна результатов работы состоит в следующих, выносимых на защиту, положениях:

1 Разработана комплексная имитационная диагностическая модель теплового контроля буксовых узлов, позволяющая производить оценку уровня сигнала на приемнике инфракрасного излучения при различных вариантах ориентации приемника ИК-излучения, внешних температурных условиях, скорости движения вагона, параметров ходовых частей и пути.

2 Разработана конечно-элементная модель буксового узла тележки грузового вагона для исследования распределения температур в буксовом узле.

3 Разработана экспериментальная методика стендовых испытаний для исследования распределения температур буксового узла в условиях, имитирующих эксплуатационную работу.

4 Установлены закономерности изменения уровня сигнала на приемнике инфракрасного излучения у существующих средств тепловой диагностики в зависимости от динамических перемещений буксовых узлов и изменения геометрических параметров ходовых частей.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что:

1 Разработана компьютерная реализация диагностической модели теплового бесконтактного контроля буксовых узлов, которая позволяет оценивать информативность различных зон на корпусе буксы с точки зрения уровня сигнала на приемнике инфракрасного излучения.

2 Теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснована целесообразность использования нижней части корпуса буксы в качестве зоны для теплового бесконтактного контроля.

3 Для исследования тепловых режимов в корпусах букс различных типов разработан и использован стенд, имитирующий работу буксового узла в условиях эксплуатации, создано техническое и программное обеспечение регистрации показаний датчиков температур

4 Разработано техническое, информационное и программное обеспечение базового модуля КТСМ-02 (Комплекс Технических Средств Многофункциональный) для построения системы комплексной напольной диагностики подвижного состава.

5 Разработано техническое обеспечение модернизации базовых систем тепловой диагностики букс в виде создания подсистемы КТСМ-02Б (Букса) с напольной камерой, расположенной на подошве рельса, и впервые промыш-ленно реализованной в условиях России ориентацией приемника ИК-излучения на нижнюю часть корпуса буксы. Подсистема внедрена совместно с базовым комплексом КТСМ-02 в ОАО «РЖД» в количестве 20 комплектов по состоянию на конец 2003 года.

6 Разработано техническое, информационное и программное обеспечение многоуровневой системы передачи и анализа информации от устройств теплового контроля букс вагонов, что создало условия перехода от критической диагностики перегретых букс, т. е. регистрации необходимости экстренного принятия решения (отцепки вагона), к организации мониторинга грения букс, отвечающей принципам обслуживания подвижного состава в пути следования. Система внедрена в восьми филиалах (дорогах) ОАО «РЖД».

Автор выражает признательность научному руководителю А.Э. Пав-люкову за помощь и поддержку в работе, а также благодарит профессора М. В. Орлова за научные консультации при подготовке работы, благодарит за многолетнюю совместную работу при создании систем тепловой диагностики букс специалистов предприятия «Инфотэкс» В. Л. Образцова, А.Ф. Таги-рова, В. В. Лядова, Н. Г. Пигалева и других коллег, принимавших в этом процессе участие.

Выводы по разделу 4.

1 На основе создания базового комплекса КТСМ-02 реализована концепция построения многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава, состоящей из подсистем обнаружения перегретых букс, неисправностей тормозного оборудования, волочащихся деталей, нарушения габарита и других.

2 На основе полученных и обоснованных в работе принципов совершенствования систем теплового контроля букс разработано техническое обеспечение модернизации базовых систем тепловой диагностики букс в виде создания подсистемы КТСМ-02Б (букса) с напольной камерой, расположенной на подошве рельса и впервые примененной в условиях России ориентацией приемника ИК-излучения на нижнюю часть корпуса буксы.

3 По ключевым показателям назначения, надежности и экономическим разработанная система КСТМ-02БТ имеет преимущество перед ДИСК-2БТ, а по отдельным — перед базовой КТСМ-01БТ. Экономический эффект от замены устаревших ДИСК-Б (ПОНАБ-3) на оборудование КТСМ-02БТ составляет 706 600 руб. в год на один комплект (цены декабря 2003 г.) в сравнении с заменой на оборудование ДИСК-2БТ.

4 Статистический анализ данных, полученных от систем КТСМ в эксплуатации показал, что реальные уровни тепловых сигналов, вырабатываемых приемниками ИК-излучения КТСМ-02, выше, чем от КТСМ-01 (01Д) в 1,8 раза. Этот факт подтверждает результаты проведенных теоретических и экспериментальных (на стенде) исследований.

5 Анализ эксплуатации КТСМ-02 показывает, что данная система имеет более высокие показатели эффективности работы, чем базовые системы теплового контроля. Более высокие показатели КТСМ-02 достигнуты ориентацией приемников излучения на нижнюю цилиндрическую часть корпуса буксы, преобразованием с высоким разрешением аналоговых сигналов от букс и колес в цифровой вид с последующим анализом формы, амплитуды и длительности тепловых сигналов, статистической обработкой массива тепловых сигналов по всему поезду — отдельно по каждой стороне.

6 Разработано техническое, информационное и программное обеспечение многоуровневой системы передачи и анализа информации от устройств теплового контроля букс вагонов, что создало условия перехода от критической диагностики перегретых букс, т. е. регистрации необходимости экстренного принятия решения (отцепки вагона), к организации мониторинга грения букс, отвечающей принципам обслуживания подвижного состава в пути следования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны условия совершенствования технических средств теплового бесконтактного контроля букс, что обеспечило получение научно-обоснованных решений, внедрение которых вносит вклад в развитие диагностики подвижного состава и повышения безопасности движения.

Нижеприведенные выводы, результаты и рекомендации являются основными составными частями решенной проблемы:

1 Разработана и представлена комплексная имитационная диагностическая модель теплового контроля буксовых узлов, позволяющая производить оценку уровня сигнала на приемнике инфракрасного излучения при различных вариантах ориентации приемника ИК-излучения, внешних температурных условиях, скорости движения вагона, параметров ходовых частей и пути.

2 Разработана методика и техническое обеспечение стендовых испытаний буксового узла тележки грузовых вагонов, позволяющие получить распределение температур работающего буксового узла по элементам при движении вагона с различными скоростями. Результаты стендовых испытаний позволили верифицировать математическую модель исследования тепловых процессов буксового узла и в целом диагностическую модель.

3 При существующей ориентации приемников ИК-излучения аппаратуры тепловой диагностики букс (ПОНАБ, ДИСК, КТСМ-01), как показано согласованными результатами виртуального моделирования и эксперимента, происходит сканирование малоинформативной зоны с точки зрения теплового излучения, а именно: смотровой и частично крепительной крышки корпуса буксы.

4 Смотровая крышка является наименее нагретой частью корпуса буксы при движении вагона: температура нагрева смотровой крышки в 1,6 и 2,1 раза меньше, чем соответственно температура нижней и верхней части корпуса буксы. Это подтверждается результатами экспериментальных и теоретических исследований.

5 Уровень сигнала на приемнике ИК-излучения при существующей ориентации значительно зависит от диаметра колеса и сочетания динамических перемещений буксового узла. Возможны сочетания указанных параметров, приводящие к уменьшению сигнала до 7 раз по отношению к идеальному сочетанию.

6 Исследования на диагностической модели позволили количественно оценить целесообразность использования в качестве зоны тепловой диагностики букс доступную для контроля нижнюю часть корпуса буксы с помощью сравнения сигналов на приемнике ИК-излучения при существующей ориентации и предлагаемой.

7 На основе создания базового комплекса КТСМ-02 реализована концепция построения многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава, состоящей из подсистем обнаружения перегретых букс, неисправностей тормозного оборудования, волочащихся деталей, нарушения габарита и других.

8 На основе полученных и обоснованных в работе принципов совершенствования систем теплового контроля букс разработано техническое обеспечение модернизации базовых средств тепловой диагностики букс в виде создания подсистемы КТСМ-02Б (Букса) с напольной камерой, расположенной на подошве рельса и впервые реализованной в условиях России ориентацией приемника ИК-излучения на нижнюю часть корпуса буксы. Подсистема внедрена в ОАО «РЖД» в количестве 20 комплектов по состоянию на конец 2003 г. Получены заявки на установку на железных дорогах СНГ 50 комплектов на 2004 г.

9 По ключевым показателям назначения, надежности и экономическим разработанная система КСТМ-02БТ имеет преимущество перед базовой КТСМ-01БТ. Экономический эффект от в замены устаревших ДИСК-Б (ПОНАБ-3) на оборудование КТСМ-02БТ составляет 706 600 руб. (цены декабря 2003 г.) в год на один комплект в сравнении с заменой на оборудование ДИСК-2БТ.

10 Разработано техническое, информационное и программное обеспечение многоуровневой системы передачи и анализа информации от устройств теплового контроля букс вагонов, позволившее совершенствовать технологию обслуживания вагонов при контроле технического состояния буксовых узлов. Система внедрена в восьми филиалах (дорогах) ОАО «РЖД».