С помощью чего рекомендуется измерять температуру корпуса буксы

Средства контроля буксовых узлов

1. Средства контроля буксовых узлов.

1.1 Необходимость выявления греющихся букс

Буксовый узел – один из ответственных узлов ходовых частей подвижного состава – служит для передачи радиальных и осевых нагрузок к шейке оси, вращающейся в буксовых подшипниках колёсной пары. Существуют буксовые узлы с подшипниками скольжения и роликовыми подшипниками.

Различный эксплуатационный нагрев элементов подшипников вызывает температурные деформации, которые, уменьшая зазоры, могут привести к защемлению роликов между кольцами и разрушению роликового буксового узла. Поэтому температура буксового узла является важным критерием, характеризующим техническое состояние подшипников. Букса может нагреваться в результате неправильно установленного осевого и радиального зазора, в результате внезапных отказов подшипников качения.

На температуру букс также оказывает влияние температура наружного воздуха, что указывает на необходимость коррекции температуры, на которую настраиваются приёмники аппаратуры.

Букса с подшипником скольжения является наименее надёжным узлом грузового вагона. Из-за перегрева букс каждый третий вагон рабочего парка ежегодно поступал в текущий отцепочный ремонт.

В процессе эксплуатации необходимо выявлять неисправные (греющиеся) буксовые узлы, так как их эксплуатация представляет угрозу безопасности движения поездов.

Автоматическая система контроля технического состояния буксовых узлов позволяет своевременно выявлять и исключать появляющиеся в процессе эксплуатации неисправности подвижных частей состава и предупредить возникновение необратимых отказов, способны предотвратить аварии, сократить время остановок в пути по техническим причинам и повысить безопасность движения.

1.2 Существующие средства и методы

Существующая система обслуживания подвижного состава включает периодическое освидетельствование ответственных узлов вагонов, их технический осмотр, ремонт на станциях и контроль в пути. Для этого на дорогах организуются ПТО вагонов, ПКТО вагонов и КП.

ПТО размещаются на станциях массовой погрузки-выгрузки, сортировочных станциях. Здесь выполняется основной объём работ по техническому обслуживанию вагонов.

ПКТО и КП организуются на участковых и промежуточных станциях, участках безостановочного следования поездов и предназначены для контроля и устранения возникающих в пути неисправностей, угрожающих безопасности движения.

На участках безостановочного движения поездов протяжённостью до 300 км ПКТО размещаются в середине участка, а КП – через каждые 50-70 км вдоль участка.

Для обеспечения тщательного осмотра скорость поезда в пунктах осмотра снижается до 30-40 км/ч. Во время остановки пассажирских поездов осмотр вагонов проводят сплошным осмотром буксовых узлов.

При визуальном осмотре буксовых узлов на ходу поезда по характерным внешним признакам можно обнаружить только явные отказы букс, причём главным образом только с подшипниками скольжения. Обнаружить буксу с роликовыми подшипниками на ранней стадии нагрева значительно труднее, особенно визуально.

Одним из путей увеличения безотказности движения является создание аппаратных методов контроля. Развитие устройств происходило в направлении групповых и индивидуальных методов контроля букс.

Индивидуальные средства контроля располагаются непосредственно в каждом буксовом узле. В качестве датчиков используются различные тепловые индикаторы. Достоинства данного метода контроля – простота, непрерывность контроля, независимость от внешних условий. В силу значительной стоимости и невысокой эффективности данные средства не нашли широкого распространения. Индивидуальными средствами контроля в нашей стране и за рубежом оборудуются пассажирские вагоны.

Групповые средства контроля размещаются в дискретных точках пути и последовательно контролируют буксы всех проходящих поездов. В этом случае нет необходимости оборудовать весь вагонный парк устройствами контроля, что является достоинством метода. Учитывая инерционность процесса нагрева буксы, можно путём рационального размещения пунктов контроля свести к минимуму потери от дискретности контроля, то есть отслеживать динамику нагрева.

Из устройств группового контроля на практике наибольшее распространение нашли устройства, основанные на преобразовании энергии инфракрасного излучения букс.

1.2.1. Аппаратура ДИСК

Подсистема ДИСК-Б предназначается для автоматического обнаружения перегретых (неисправных) буксовых узлов вагонов и локомотивов при проходе поездами пункта размещения ее перегонных устройств и выдачи обслуживаю­щему персоналу станции информации о наличии, расположении и количестве перегретых букс в поезде.

Базовая подсистема ДИСК-Б входит в состав автоматической системы комплексного контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда ДИСК-БКВ-Ц и может дополняться на отдельных пунктах контроля подсистемами обнаружения дефектов колес по кругу катания ДИСК-К, обнаружения волочащихся деталей ДИСК-В и централизации информации с линейных пунктов контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда ДИСК-Ц.

Подсистема ДИСК-Б обеспечивает контроль поездов, движущихся в одном направлении на однопутных и двухпутных линиях с электрической или автономной тягой.

Базовая подсистема ДИСК-Б состоит из перегонных и станционных устройств, связанных между собой двухпроводной кабельной линией связи.

Перегонные устройства, в свою очередь, состоят из напольного и постового оборудования. Напольное оборудование размещается непос­редственно на пути и включает в свой состав:

— две основные напольные камеры;

— две вспомогательные напольные камеры;

— три датчика прохода колесных пар типа ПБМ-56 или типа Д50

французской фирмы CSEE;

— путевую коробку с электронной педалью типа ЭП-1;

Постовое оборудование размещается и специальном отапливаемом помещении, сооружаемом вблизи участка установки напольных устройств, и включает в свой состав:

Станционное оборудование размещается либо в помещении пункта технического осмотра вагонов (ПТО, ПКТО, КП), либо в помещении дежурного по станции (поста ЭЦ). В его состав входят:

—пульт оператора станционный;

Работа подсистемы ДИСК-Б основана на улавливании теплового излучения корпусов букс при движении поезда с последующим преобразованием его в электрические сигналы, усилением, нормиро­ванием

по длительности, передачей тепловых сиг­налов совместно с сигналами отметки прохода осей и вагонов на станцию, выделении по опреде­ленным критериям сигналов от перегретых букс и регистрацией информации о месте расположения таких букс в поезда. На рисунке 1.1 приведена структурная схема подсистемы ДИСК-Б.

Рисунок 1.1. Структурная схема подсистемы ДИСК-Б

На участке контроля по обеим сторонам колеи размещаются напольные считывающие камеры. Основные напольные камеры (НКПО, НКЛО) ус­танавливаются под углом 13° к оси пути, а вспомо­гательные (НКПВ, НКЛВ) — перпендикулярно оси пути.

Электронная педаль ЭП-1, включенная в состав напольного оборудования и обеспечивает выда­чу команд управления к постовому оборудованию при наличии поезда в зоне контроля длиной око­ло 50 м.

Датчики прохода колесных пар П1, П4, П5 пред­назначены для выработки сигналов отметки про­хода колесных пар в определенной точке пути. По сигналам датчиков осуществляется счет осей и физических вагонов в поезде, а также управле­ние работой устройств приемоусилительных трактов.

Блок усилителей, блок управления и блок пере­дачи сообщений входят в состав стойки перегон­ной.

Оконечные усилители содержат также устройства нормирования сигналов по длительности и уст­ройства температурной коррекции тепловых сигна­лов, которые управляются от блока термодатчи­ков, входящего в состав постового оборудования.

Блок управления включает в себя устройство отметки прохода физических вагонов, устройство формирования команд, устройство формирования импульсов от датчиков прохода колес, программно-задающее устройство и приемник обратного кана­ла.

Блок передачи сообщений содержит 7 прямых каналов передачи сигналов с перегона на станцию и один обратный канал приема сигналов со стан­ции, организованных частотным разделением поло­сы частот от 1,7 до 3,4 кГц (ширина канала 180 Гц), а также групповые устройства сопряже­ния с кабельной линией связи.

Блок приема сообще­ний содержит 7 каналов приема сигналов, один канал передачи сигналов на перегон и групповые устройства сопряжения с линией связи.

Блоки пре­образования и накопления включают в себя уст­ройства преобразования аналоговых тепловых сигналов в цифровой код, счетчики количества фи­зических вагонов в поезде и осей в вагоне, устрой­ства запоминания информации на один проконтро­лированный вагон, устройство выработки кодового значения текущего времени и порядкового (за смену) номера поезда, устройства «Тревоги», а также передатчик обратного канала.

В состав блока автономной работы входят устройства накопления информации о вагонах, в которых обнаруже­ны перегретые буксы (неисправные колесные пары или волочащиеся детали), устройство распознавания типа буксового узла (на подшипниках сколь­жения или качения) и устройства сопряжения. В состав станционного оборудования входят также пульт оператора станционный, блок сопряжения и печатающее устройство УП-1.

1.2.2 Аппаратура ПОНАБ-3

Аппаратура ПОНАБ-3 построена по принципу систем телесигнализации и реализует наиболее распространенный в мировой практике способ контроля исправности буксовых узлов железнодорожного подвижного состава по уровню инфракрасной энергии, излучаемой корпусом буксового узла в окружающее пространство. На рисунке 1.2 приведена структурная схема аппаратуры ПОНАБ-3.

Рисунок 1.2 Структурная схема аппаратуры ПОНАБ-3

В аппаратуре ПОНАБ-3 сообщение о наличии и расположении перегретой буксы в поезде передается только в момент ее обнаружения.

Применение такого способа передачи сообщений позволило в значительной степени повысить помехозащищённость аппаратуры за счет резкого снижения объе­мов передаваемой информации на один поезд.

Устройство автоконтроля ПОНАБ-3 обеспечивают выдачу на реги­стрирующее устройство информации о результатах про­верки аппаратуры после прохода каждого поезда через участок контроля.

В аппаратуре ПОНАБ-3 применяется удобная форма представления результатов контроля, обеспечивающая документальность регистрируемых данных. Результаты контроля выводятся на печатающее устройство, а места расположения перегретых букс в поезде указываются не в осях или условных вагонах, как это имеет место в других моделях аппаратуры, а в физических подвижных единицах (указание порядкового номера физической подвижной единицы).

В состав напольного оборудования входят: напольная камера левая НКЛ, напольная камера правая НКП, датчики прохода колес Д1—Д3, рельсовая цепь наложения РЦН и 2 соединительные муфты СМ

Каждая напольная камера размещается с внешней сто­роны рельса под углом 13° к оси пути и содержит узконаправленную оптическую систему, приемник инфракрас­ного излучения (болометр), предварительный усилитель сигналов, запирающую заслонку и другие элементы кон­струкции.

Оптическая система напольной камеры ориентируется в зону встречи ее с корпусом буксового, узла (зона стробирования), выбираемую в промежутке между датчиками Д1 и Д2.

Датчики Д1—Д3 устанавливаются с внутренней сторо­ны одного из рельсов и вырабатывают электрические си­гналы при проходе колесных пар подвижных единиц в зо­не их размещения. Расстояния от напольной камеры до датчика Д1 и между датчиками Д1—Д2 выбираются из условия обеспечения требуемой зоны стробирования, а ме­жду датчиками Д1 и ДЗ — из условия обеспечения рабо­ты устройства распознавания физических подвижных единиц.

Сигналы от датчиков подаются через соединительные муфты СМ к устройствам постового оборудования

Рельсовая цепь наложения предназначена для выработ­ки команд управления в момент появления и удаления поезда из зоны контроля ПОНАБ-3 и размещается вблизи напольных камер.

Постовое оборудование ПОНАБ-3 включает в себя блок управления БУ, 2 усилителя сигналов от букс. У (правой и левой сторон), 2 устройства логической обработки сигналов от букс УЛОС, 2 формирователя сигналов от датчиков прохода колес ФС1 и ФС2, блок отметчика вагонов БОВ, блок управления передачей БУП, блок запоминающего устройства БЗУ, блок счета вагонов БСВ, электронный передатчик кода ЭПК. и передатчик частотно-модулированных сигналов ПЧМС.

Блок БУ вырабатывает сигналы управления работой напольных камер, блока БУП и других устройств аппа­ратуры при проходе поезда по участку контроля и форми­рует программу сигналов для автоматической проверки исправности устройств после удаления поезда с участка контроля.

Усилители У обеспечивают необходимое усиление си­гналов от букс, поступающих на их входы с предваритель­ных усилителей. Сигналы с выходов усилителя поступают на входы УЛОС, где их логически обрабатывают для вы­деления сигналов от перегретых букс.

Формирователь ФС1 предназначен для выработки строб-сигнала на время прохода каждой колесной пары между датчиками Д1 и Д2, а также для формирования сигнала на блок БОВ в момент прохода колесной пары над датчиком Д1.

Формирователь ФС2 вырабатывает и подает на вход блока БОВ сигналы в момент прохода колесных пар над датчиком ДЗ.

Блок БОВ распознает при движении поезда по сигна­лам с датчиков Д1 и ДЗ физические подвижные единицы независимо от их осности и вырабатывает сигнал отметки прохода физической единицы в момент, когда последняя колесная пара подвижной единицы находится над датчи­ком ДЗ.

Блоки БУП. БЗУ, БСВ, ЭПК и ПЧМС входят в состав аппаратуры передачи данных. Блок БСВ предназначен для подсчета числа вагонов, прошедших по участку кон­троля Функции управления работой передающей части АПД выполняет блок БУП. Блок ЭПК формирует кодо­вые комбинации при передаче информации и посылает их на вход ПЧМС. Блок БЗУ согласует скорости поступле­ния сигналов на АПД и передачи кодовых комбинаций в канал связи.

В состав станционного (регистрирующего) оборудова­ния входит приемник частотно-модулированных сигналов Пр ЧМС, электронный приемник кода ЭПрК, блок контроля БК, печатающее устройство ПУ, пульт оператора ПО и устройства сигнализации УС, устанавливаемые у дежурного по станции.

Электронный приемник кода. предназначен для приема кодовых комбинаций и выдачи их на печатающее устройство.

Блок БК. контролирует уровень сигнала в канале связи и наличие поезда на участке размещения напольного оборудования, а также управляет работой схемы пульта оператора.

1.2.3. Аппаратура обнаружения перегретых букс компании SERVO CORPORATION OF AMERICA (США)

Аппаратура обнаруживает перегретые бук­сы по температуре задней стенки корпуса буксы, причем для каждой определяется превышение температуры корпуса буксы над тем­пературой окружающего воздуха. Оборудование аппаратуры условно делится на напольное, постовое и станционное – рисунок 1.3.

В состав напольного оборудования входят: два считывающих устройства с приемными капсулами 2, содержащими болометры, оптические системы и предварительные усилители, узлом заслонки 3 и устройствами обогрева 4; датчики прохода колесных пар 5—8, крайние из которых (5, 8) служат для определения направления движения поезда, включения аппаратуры и открытия заслонок, а средние (6, 7) — для образования зоны стробирования; кабельная соединительная коробка 9.

Рисунок 1.3 Структурная схема аппаратуры компании

SERVO CORPORATION OF AMERICA

Ось оптической системы ориентирована на заднюю стенку корпуса буксы под углом 35° в вертикальной плоскости по отношению к плоскости пути и под углом 5° в горизонтальной плоскости относительно оси пути.

В качестве датчиков прохода колес в аппаратуре применены маг­нитные педали. Датчик крепится к рельсу с внутренней стороны колеи. Так как сигнал на выходе обмотки датчика пропорционален скорости изменения магнитного потока, то датчик подобного типа устойчиво ра­ботает при скорости движения поезда, превышающей 8 км/ч.

В состав постового оборудования входят: импульсные усилители тепловых сигналов 12. 13. блок контроля направления 10, испытатель­ное устройство 11 и блоки электропитания болометра и постового обо­рудования (блоки питания на структурной схеме не показаны).

Назначение импульсных усилителей — усиление и формирование сигналов с амплитудой, пропорциональной температуре корпуса бук­сы.

Устройство контроля направления выполняет 2 основные функ­ции: определяет направление движения поезда и вырабатывает коман­ды управления, обеспечивающие последовательность взаимодействия блоков и узлов аппаратуры.

При контроле поезда устройством контроля направления выраба­тываются стробирующие импульсы, а после окончания контроля — команды на закрытие заслонок, включение обогревателей и остановки двигателя самописца.

Испытательный блок предназначен для проверки усилительного тракта аппаратуры, ее регистрирующего оборудования. В режиме проверки испытательный блок подключается ко входу импульсных уси­лителей и имитирует тепловые сигналы и сигналы датчиков прохода колес.

Станционное оборудование аппаратуры комплектуется трехканальным самописцем 16, блоком обработки данных 17, цифро­вым индикатором (электронным указателем) 18 и устройствами сигна­лизации 22, 23. Три канала самописца 19, 20. 21 предназначены для записи тепловых сигналов букс левой и правой сторон поезда, а так­же для отметки перегретых букс в поезде.

Блок обработки данных формирует сигнал «тревоги» в случае превышения выбранного порогового значения амплитудой сигнала бук­сы левой или правой стороны вагона или при превышении порогового значения разностью амплитуд сигналов букс одной колесной пары. Сторона поезда, на которой обнаружена перегретая букса, отмечается загоранием соответствующего оптического индикатора. При появлении на входе цифрового регистратора сигнала «тре­воги» включается генератор, который вырабатывает акустический сигнал.

Служебная связь между постом и станцией организуется по от­дельной физической двухпроводной линии связи с применением теле­фонных аппаратов 14, 15.

Конструктивно аппаратура выполнена в виде двух самостоятельных устройств (передающего и приемного), каждое из которых имеет от­дельный блок электропитания. В аппаратуре активно использована часть спектра телефонного канала, имеющая относительно низкий уро­вень шумов (1200—3050 Гц). В этом диапазоне частот размещается до 11 каналов с несущими частотами 1275, 1445, 1615 и т. д. до 2975 Гц через каждые 170 Гц. Сообщения каждого канала передаются в линию по методу частотной модуляции ЧМ одной из перечисленных несущих частот.

1.2.4. Аппаратура обнаружения перегретых букс компании General Electric (США)

В данной аппаратуре также использован принцип улавливания и преобразования в электрические сигналы энергии ИК-излучения, испускаемой задней стенкой корпуса буксы.

При этом температура задней стенки корпуса буксы измеряется на фоне температуры окружающей среды, т. е. измерительный тракт ап­паратуры реагирует на превышение температурой корпуса буксы тем­пературы окружающей среды (воздуха). На рисунке 1.4 приведена структурная схема аппаратуры General Electric.

Однако, несмотря на общ­ность принципов, аппаратура компании GE имеет ряд оригинальных отличительных признаков, к которым следует отнести применение вы­сокоскоростного затвора, открывающего приемник ИК-излучения только на время контроля каждой буксы; формирователей тепловых сигналов, делающих аппаратуру инвариантной к скорости движения поезда; температурной компенсации, уменьшающей влияние темпера­туры окружающей среды на параметры измерительных сигналов.

В состав напольного оборудования входят два считы­вающих устройства (напольные камеры) и датчик прохода колес­ных пар 6.

Напольное считывающее устройство этой аппаратуры объединяет в одном литом корпусе четыре не­зависимых устройства: приемную капсулу с болометром 2, оптиче­ской системой и предварительным усилителем, высокочастотный за­твор 3, защитную заслонку 4 и обогревательные элементы 5.

Рисунок 1.4 Структурная схема аппаратуры компании

General Electric (США)

Высокочастотный механический затвор установлен между первой и второй линзами на фокусном расстоянии. Механизм управления за­твором обеспечивает его открытие только на мгновение, когда в поле обзора болометра находится букса. Возможность ошибочных показа­ний, вызванных рассеянным солнечным светом, тормозными колодка­ми и другими греющимися предметами, почти исключается.

В качестве датчиков прохода колесных пар в аппаратуре исполь­зована магнитная педаль, прикрепляемая к шейке внутренней сторо­ны рельса.

Постовое оборудование аппаратуры включает датчики временных интервалов 7, усилители-формирователи 8, 9 и передающий комплект аппаратуры передачи данных 10.

Датчики временных интервалов по сигналам путевой педали фор­мируют команды на открытие затвора на время контроля каждой буксы, открытие входной заслонки и отключение электропитания на время контроля поезда, включение двигателя самописца станционного, оборудования.

Время сканирования каждой буксы определяется временем откры­тия высокочастотного затвора и будет тем больше, чем медленнее ско­рость движения поезда.

Аппаратура передачи данных представляет собой стандартное многоканальное устройство, передающее сообщения с помощью частотной модуляции в диапазоне звуковых частот (от 935 до 12500 Гц).

В состав станционного оборудования входят двухканальный само­писец 13, блок тревоги 12. приемный комплект АПД 11 и устройства сигнализации 16, 17.

Каналы самописца 14, 15 регистрируют сигналы от букс левой и правой сторон поезда.

Блок тревоги по одному из признаков распознавания греющихся букс (амплитуда сигнала буксы или разность двух сигналов букс од­ной колесной пары) сигнализирует (акустическая и оптическая сигна­лизация) о наличии в поезде перегретой буксы.

1.2.5. Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE (Франция)

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE построена по принципу аппаратуры телеизмерения с выдачей телеметрической информации на самописец. Основная особенность этой аппаратуры — измерение абсолютного значения температуры задней стенки корпуса буксы и применение в каче­стве приемника ИК-излучения активного селективного фотодиода, ко­торый состоит из пластинки сурьмянистого индия, помещенной в поле постоянного магнита (фотогальваномагнитный эффект). Подобный при­емник не требует источника питания (под действием ИК-излучения он сам является источником э. д. с.), практически безынерционен (постоянная времени менее 0,2 мкс) и низкоомный.

Рисунок 1.5 Структурная схема аппаратуры компании CSEE

В состав напольного оборудования входят считываю­щие напольные камеры 1, 2, датчик прохода колесных пар 4, укреп­ленный на рельсе 3, рельсовая цепь наложения 8 (электронная педаль) и электронный блок 5, который размещен на стативе постового обору­дования.

Малое сопротивление при­емника ИК-излучения (R

Источник

Научные и технические основы бесконтактного теплового контроля букс железнодорожного подвижного состава

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.

Источник