Совершенствование методов и технических средств тепловой диагностики ограждающих конструкций изотермического подвижного состава (ИПС)

При формировании подходов в системе управления безопасностью движения в условиях реформирования железнодорожного транспорта в ОАО «РЖД» было уделено особое внимание разработке и реализации системы входного контроля железнодорожной продукции для нужд компании.

Возрастающие требования к эксплуатации изотермического подвижного состава приводят к необходимости разработки и создания экспертно-информационных технологий определения теплотехнических характеристик кузовов ИПС по их фактическому состоянию, сочетающих в себе функции оценки технического состояния ограждающих конструкций ИПС, сравнения данных с паспортными и передачи информации с целью проведения своевременного обслуживания и ремонта.

Актуальность этой задачи обусловлена целым рядом объективных причин: во-первых, длительная эксплуатация изотермического подвижного состава сопровождается моральным и физическим износом его ограждающих конструкций, требующих своевременного ремонтаво-вторых, необходимость снижения эксплуатационных расходов в условиях конкуренции на рынке транспортных услуг диктует создание систем технического обслуживания и ремонта изотермического подвижного состава, исходя из фактического состояния работающих его узлов с отказом от дорогостоящей планово-предупредительной системы с периодическим отвлечением подвижного состава от эксплуатациив-третьих, в настоящее время не существует систем, способных выполнять подобные задачи, а существующие методы диагностирования не позволяют находить дефекты в ограждающих конструкциях ИПС на стадии их зарождения.

В предлагаемой работе в первой главе рассматриваются тенденции развития методов и средств диагностики теплоизоляции, ограждающих конструкций изотермического подвижного состава (ИПС), включая типовую v методику теплотехнических испытаний продукции вагоностроения, принятую ГОСТом.

Вторая глава посвящена математическому моделированию и анализу физических процессов, происходящих в ограждении ИПС.

На первом этапе проводится моделирование процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях энергостабилизированных систем, при условии, что известны основные технические характеристики и физические постоянные характеристики кузова ИПС, а также режимы работы изоляции.

На втором этапе решается обратная задача, т. е. по известным температурным структурам ограждающих конструкций определяются технические и теплотехнические характеристики кузова ИПС.

Для проверки правильности полученного аналитического решения проводилось теплотехническое обследование лабораторного рефрижераторного контейнера и контейнера типа 1АА.

Испытания ограждающих конструкций проводились в двух режимах: первый режим характеризуется тем, что постоянная времени нагрева воздуха внутри конструкции to значительно больше постоянной времени прогрева изоляции tk. Особенностью второго режима испытаний является соизмеримость этих постоянных.

Результаты аналитического решения позволяют найти решение обратной задачи, определить технические и теплотехнические характеристики кузовов ИПС по известным тепловым структурам: произведение удельной теплоемкости материала на плотность материала, коэффициент теплопроводности материала.

В третьей главе на стыке стандартной методики МИ 3177−701 700 202 127−2000 и теплотехнического ГОСТа 26 629−85 разработана методика определения локальных и приведенного коэффициентов теплопередачи, принципиально новый метод сравнительных теплотехнических испытаний.

В основу инфракрасной диагностики положен тепловой (тепловизионный) метод неразрушающего контроля, дополненный информацией о контактных измерениях температурных параметров объекта контроля и метеорологических характеристиках окружающей среды на момент проведения обследования.

При наличии локальной утечки тепла в зонах нарушения изоляции уровень инфракрасной светимости в них превышает светимость прилегающих зон, что собственно и позволяет локализовать и идентифицировать участки дефектов.

В четвертой главе рассмотрены этапы разработки программно-аппаратного комплекса тепловой диагностики ограждающих конструкций изотермического подвижного состава «Тепло-М».

В пятой главе приводятся результаты и анализ теплотехнических испытаний вагонов-термосов № 80 000 334, 91 844 480 и рефрижераторного контейнера типа СКР-5−40−1АА контейнера № ABMU № 04 01 86 9.

Выводы.

1. Испытания показали, что приведенные коэффициенты теплопередачи двух изотермических вагонов-термосов (ИВ-термосов) № 91 844 506, 91 844 480 равны соответственно 0.79 (Вт/м2*°С) и 0.86 (Вт/м2*°С). При этом локальные коэффициенты теплопередачи боковых стен изменялись в пределах от 0.24 до 2.86, боковых дверей — от 0.24 до 1.45, крыш — от 0.24 до 2.86, полов — от 0.24 до 1.95, торцевых стен — от 0.24 до 1.91.

Испытания вагона-термоса № 80 000 334 модели ТН-201 дали следующие результаты: приведенный коэффициент теплопередачи-0.35 (Вт/м2*°С).

При этом локальные коэффициенты теплопередачи боковых стен изменялись в пределах от 0.11 до 0.42, боковых дверей — от 0.24 до 1.45, крыши — от 0.11 до 0.21, пола — от 0.11 до 0.42, торцевых стен — от 0.11 до 0.42.

2. Приведенные коэффициенты теплопередачи ИВ-вагонов № 91 852 301, 91 853 044, АРВ № 83 387 050, ZB-5 № 87 831 137 соответствуют: 0.46 (Вт/м2*°С), 0.52 (Вт/м2*°С), ¦ 0.44 (Вт/м2*°С), 0.42 (Вт/м2*°С). При этом локальные коэффициенты теплопередачи изменялись в пределах:

Типы изотермических вагонов Локальные коэффициенты теплопередачи элементов ограждающих конструкций изотермических вагонов (Вт/м2*°С).

Боковые стены Двери Торцевые стены Пол Крыша.

ИВ № 91 852 301 0.14−1.10 0.27−2.19 0.14−0.55 0.27−0.56 0.27−1.92.

ИВ № 91 853 044 0.12−1.86 0.12−1.86 0.12−1.63 0.12−0.47 0.47−2.09.

АРВ № 83 387 050 0.12−1.40 0.12−1.87 0.23−0.70 0.23−0.47 0.12−1.17.

ZB-5№ 87 831 137 0.22−1.79 0.22−1.34 0.22−0.67 0.22−0.45 0.22−1.79.

Результаты теплотехнических испытаний изотермических вагонов, проведенные в рефрижераторных депо ст. Тихорецк и ст. Лиски сведены в следующую таблицу:

Типы Приведенные коэффициенты Примечание п/п изотермических теплопередачи К> 0.7 вагонов изотермических вагонов (Вт/м2*°С).

К< 0.4 (Вт/м2*°С) К< 0.7 (Вт/м2*°С).

1 ИВ № 91 844 506 0.79-большой объем ремонта.

2 ИВ № 91 844 480 0.86-болыпой объем ремонта.

3 ИВ № 80 000 334 0.35-без ремонта.

4 ИВ № 91 852 301 0.46-малый объем ремонта.

5 ИВ № 91 853 044 0.52—малый объем ремонта.

6 АРВ № 83 387 050 0.44-без ремонта.

7 ZB-5 № 87 831 137 0.42-без ремонта.

Итого 1(14.3%) 4(57.2%) 2(28.6%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволили сформировать следующие основные результаты и выводы:

1. Проведен анализ существующих методов и технических средств тепловой диагностики ограждающих конструкций термостабилизированных систем. Разработан классификатор методов тепловой диагностики ИПС.

Анализ методов показал, что на данный момент не существует универсального метода, сочетающего в себе высокую точность, практичность и информативность, позволяющего единовременного и поочередно определять локальные и интегральные теплотехнические характеристики ограждающих конструкций ИПС.

Наиболее точным методом для определения приведенного коэффициента теплопередачи термостабилизированных систем является МИ 3177−701 700 202 127−2000 «Типовая методика теплотехнических испытаний». Следует отметить, что при использовании данного метода невозможно определить локальные коэффициенты теплопередачи отдельных областей исследуемой поверхности. Полученные результаты справедливы лишь в том случае, если достигнут стационарный режим, а это значит, что время испытаний будет достаточно большим, порядка 48 часов, и сократить его не представляется возможным.

Наиболее информативным методом является ГОСТ 26 629 «Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций». Метод не приспособлен для ИПС, не доработан для определения приведенного термического сопротивления отдельных помещений в зданиях и сооружениях. Существуют сложности в определении теплотехнических характеристик базового участка исследуемой поверхности.

2. Методом конечных элементов проведено моделирование процессов теплопереноса в изоляционных слоях ограждающих конструкций термостабилизированных систем.

Максимальная разница между экспериментальными и расчетными данными не превышает 2%.

Применить полученное решение для определения технических и теплотехнических характеристик кузова ИПС не представляется возможным. Отсюда возникает необходимость провести моделирование процессов теплопереноса в изоляционных слоях ограждающих конструкций ИПС аналитическим методом Фурье.

3. Получено аналитическое решение и зависимости, характеризующие изменение температурного поля по толщине ограждающей конструкции со временем, а также на внутренних и внешних поверхностях ограждающих конструкций кузова ИПС.

Данное решение позволяет провести анализ полученных результатов и использовать их для решения обратной задачи по определению технических и теплотехнических характеристик кузова ИПС по известным температурным структурам ограждающих конструкций, геометрическим параметрам конструкции кузова ИПС, а также по известным значениям температуры воздуха внутри и снаружи кузова ИПС.

Максимальная разница между экспериментальными и расчетными данными не превышает 3%.

В ходе испытаний определены локальные коэффициенты теплопередачи ограждающих поверхностей кузова.

4. Разработан алгоритм для экспериментального определения теплотехнических характеристик выделенной области ограждающей конструкции кузова ИПС, а именно: коэффициенты теплопроводности, теплопередачи, произведение удельной теплоемкости на плотность материала изоляции.

Определение локального коэффициента теплопередачи проведено в стационарном и нестационарном режимах теплопереноса в ограждающей конструкции кузова ИПС.

Время определения приведенного коэффициента теплопередачи кузова ИПС не превышает четырех часов, что на порядок меньше времени, необходимого для определения приведенного коэффициента теплопередачи традиционным методом.

5. Исследовано изменение площади температурной структуры конструкции i. кузова ИПС с течением времени, показавшее, что площадь температурного поля конструкции контейнера соответствует своей геометрической площади.

Численным методом конечных элементов разработана модель, имитирующая работу изоляции кузова ИПС, согласно которой получено, что площадь температурного поля конструкции контейнера соответствует своей геометрической площади.

При численном моделировании для наложения на геометрию модели регулярной конечно-элементной сети были применены методы подобия.

Максимальная разница между экспериментальными т расчетными данными составила 8.86%.

Исследованы изменения площадей дефектных областей 2 и 3 поверхности контейнера. Получено, что площади температурных полей дефектных областей изменяются в начальный период времени прогрева изоляции, в дальнейшем они остаются неизменными при условии, что чувствительность инфракрасной камеры в горизонтальном направлении составляет 1 см.

6. На основе стандартных методов разработана новая методика теплотехнических испытаний, позволяющая проводить периодический контроль теплоизоляции ограждающих конструкций при разработке, создании и эксплуатации рефрижераторного и пассажирского подвижного состава, а также различных стационарных термостабилизированных систем за время, равное 2-м часам вместо 48 согласно стандартной методике испытаний.

7. Разработана методика сравнительных теплотехнических испытаний, позволяющая оценивать ограждающие конструкции ИПС благодаря введению коэффициента качества.

Методика позволяет определять теплотехнические характеристики ограждающих конструкций ИПС без учета значений коэффициентов теплоотдачи воздуху от внешних поверхностей.

8. Разработан и создан программно-аппаратный комплекс тепловой диагностики ограждающих конструкций ИПС, обладающий широким спектром возможностей, таких как автоматизация процесса испытаний, определение локальных и приведенного коэффициента теплопередачи, регистрация тепловых полей ограждающих конструкций объекта испытаний, составление полных отчетов и электронных паспортов.

9. Проведены теплотехнические испытания вагонов-термосов № 80 000 334, № 91 844 480, № 91 852 301, 91 853 044, АРВ № 83 387 050, № 87 831 137.