Обоснование изменения угла ориентации приемников ик-излучения - Модернизация аппаратуры контроля подвижного состава на перегоне Зябровка-Тереховка

Как известно, в аппаратуре контроля нагрева букс ПОНАБ, ДИСК, КТСМ-01 приемники инфракрасного (ИК) излучения - болометры установлены под углом 13 или 20 градусов к оси пути и под углом 34 градуса к горизонту, то есть ориентированы на поверхность крышки буксового узла и частично на верхнюю цилиндрическую (попутную относительно движения поезда) часть корпуса буксы. Эти углы ориентации(визирования) приемников ИК-излучения, разработанные еще для диагностики букс с подшипниками скольжения, сохранились и диагностики букс на подшипниках качения. Для определения фактической зоны сканирования буксового узла, а также для оценки влияния износа колеса и динамических перемещений колесной пары в колее при движении поезда по пути с неровностями выполним трехмерное компьютерное моделирование и экспериментальное исследование на реальном подвижном составе. Для удобства дальнейшего изложения назовем зону контроля болометра - "лучем", а участок поверхности буксы, находящийся в зоне контроля, - "пятном" (рисунок 6.1).

трехмерная геометрическая модель для определения зоны корпуса буксы, сканируемой болометром при проходе колесной пары

Рисунок 6.1 - Трехмерная геометрическая модель для определения зоны корпуса буксы, сканируемой болометром при проходе колесной пары

Результаты натурного эксперимента, в котором лазер имитировал "взгляд" приемника инфракрасного излучения напольной камеры, показывают, что при проходе колесной пары ориентированный стандартным образом приемник инфракрасного излучения фактически сканирует, в основном, смотровую крышку и частично крепительную крышку буксы, при этом наиболее нагретая часть - корпус буксы не попадает в зону обзора. Далее средствами компьютерного моделирования установлено, что при движении поезда на уменьшение зоны сканирования существенно влияют вертикальные и горизонтальные перемещения буксы (вместе с колесной парой), так как болометр имеет пространственную ориентацию. По результатам моделирования движения вагона на реальных неровностях, были получены максимально вероятные амплитуды вертикальных и горизонтальных отклонений центра зоны сканирования буксового узла от идеального варианта. Хотя максимальные амплитуды были получены в разные моменты времени, но в силу случайного характера неровностей существует высокая вероятность одновременного их появления в различных сочетаниях при проходе корпуса буксы через зону контроля. Данные сочетания, очевидно, являются наихудшими положениями буксы с точки зрения формирования теплого сигнала приемником ИК-излучения.

Диапазон абсолютных значений отклонений положения буксы:

    - максимальное вертикальное отклонение 21,6 мм; - максимальное горизонтальное отклонение 13,9 мм.

Для расчета выбраны возможные сочетания отклонений корпуса буксы от среднего значения, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Сочетание размеров неровностей и величин диаметра колеса

Варианты

Горизонтальное отклонение, мм

-13,9

-13,9

13,9

13,9

-13,9

-13,9

13,9

13,9

Вертикальное отклонение, мм

21,6

-21,6

21,6

-21,6

21,6

-21,6

21,6

-21,6

Диаметр колеса, мм

950

850

Сигнал при данных различных сочетаниях строился следующим образом. При движении поезда "Пятно" при сканировании крышки буксы как бы "скользит" по поверхности буксы и в каждый момент времени рассчитывалась площадь проекции чувствительного элемента болометра на поверхность корпуса буксы. По площадям этих эллиптических фигур строился график условного теплового сигнала, в котором по оси ординат откладывается значение фактической площади, а по оси абсцисс - точки отсчета пути сканирования вдоль оси пути. На рисунке 6.2 приведен график сигнала для различных вариантов сочетаний амплитуд неровностей и диаметров колес.

график изменения сигнала приемника ик-излучения при перемещении буксы в зоне контроля при различных сочетаниях геометрии колеса и динамических перемещениях колесной пары

Рисунок 6.2 - График изменения сигнала приемника ИК-излучения при перемещении буксы в зоне контроля при различных сочетаниях геометрии колеса и динамических перемещениях колесной пары

На диаграмме (рисунок 6.3) показаны отношения в процентах площадей сигналов для различных вариантов к максимальной площади сигнала и интерпретированы в виде диаграммы.

Полученные результаты показывают, что величина сигнала на приемник инфракрасного излучения только по причинам геометрического характера может изменяться (уменьшаться) в семь раз (100 % и 14 %). Это может привести в эксплуатации к ошибкам при обнаружении перегретых букс.

сравнение площадей сигналов, полученных при различных сочетаниях геометрии колеса и динамических перемещениях колесной пары

Рисунок 6.3 - Сравнение площадей сигналов, полученных при различных сочетаниях геометрии колеса и динамических перемещениях колесной пары

Приведенные исследования говорят о том, что ориентация на крышку недостаточно информативна ввиду сложности юстировки оптики, удаленности приемника ИК и меньшего нагрева крышки, чем у корпуса буксы. Для проверки последнего предположения и изучения теплового режима работы буксового узла была разработана математическая модель тепловых процессов в буксовом узле. В расчете в качестве внешнего воздействия была задана температура каждого ролика 100 градусов, начальная температура остальных элементов 20 градусов, температура воздуха 20 градусов. В результате определено, как распределяется температура по элементам буксового узла во времени с учетом воздушного охлаждения буксы от движения вагона со скоростью 60 км/час. На рисунке 6.4 показано распределение температур в буксовом узле через 20 минут после приложения источника нагрева

Полученное распределение температур подтверждено стендовыми испытаниями буксового узла с измерениями в разных сечениях температур деталей подшипников и наружных поверхностей буксового узла во времени.

температурные поля нагрева буксового узла

Рисунок 6.4 - Температурные поля нагрева буксового узла

Испытания проводились посредством задания частоты вращения оси колесной пары, соответствующей скорости поезда 60 км/ч, при различных значениях вертикальной (от 0 до 7,5 тс на подшипник) и осевой нагрузок (от 0 до 1,5 тс) с помощью штатных средств испытательного стенда.

Для имитации охлаждения корпуса буксы встречным воздухом создавался принудительный обдув с одной стороны буксового узла. При испытаниях регистрировались следующие параметры:

    - время работы стенда - температура посадочной поверхности наружного кольца переднего и заднего подшипника в восьми сечениях (восемь точек на каждое кольцо) - температура корпуса буксы в восьми точках, в районе просверленных отверстий бесконтактным термометром RAYMX4P; - температура крепительной и смотровой крышки буксового узла.

Результаты показывают, что верхняя зона буксы и менее нагретая нижняя часть корпуса нагреваются выше, чем крепительная крышка, причем в диапазоне, предшествующем заклиниванию подшипника и связанного с этим аварийного интенсивного нарастания температуры градиент температуры по корпусу значительно выше, чем у крышки буксы.

Полученные выводы говорят о том, что в качестве зоны тепловой

Диагностики подшипников целесообразно использовать корпус буксы, так как приемник инфракрасного сигнала получал бы более мощный сигнал, который пропорционален температуре нагрева наружных колец подшипников. Поскольку верхняя часть корпуса буксы может быть не доступна для прямого сканирования (эта зона частично закрыта рамой тележки или открытыми бортами платформ), то целесообразно использовать наиболее нагретую - нижнюю доступную часть корпуса буксы.

Схема установки болометра и его ориентация показана на рисунке 6.5. Конструкция напольной камеры КТСМ-02 обеспечивает осмотр нижней и частично задней (по ходу движения) стенок корпуса буксового узла. При такой ориентации обеспечивается стабильность геометрии положения напольной камеры и приемника ИК относительно контролируемых объектов, наименьшее расстояние до объекта контроля. При этом исключаются ложные показания аппаратуры на рабочий нагрев шкивов и редукторов привода подвагонных генераторов, на нагрев обода колес, возникающий при торможении поезда, и на отраженное от корпусов букс солнечное излучение.

модель, демонстрирующая обзор буксы приемником ик-излучения в ктсм-02

Рисунок 6.5 - Модель, демонстрирующая обзор буксы приемником ИК-излучения в КТСМ-02

В результате проведенного исследования можно сказать, что ориентация приемников ИК-излучения аппаратуры обнаружения перегретых букс с напольными камерами от ПОНАБ и ДИСК под углами 34 град. к горизонту и 13 (20) град. к оси пути обеспечивает сканирование лишь смотровой (при угле 13 град.) и частично крепительной (при угле 20 град.) крышек корпуса буксы.

Уровень сигнала приемника ИК-излучения при такой ориентации существенно зависит от диаметра колеса и сочетания динамических перемещений буксового узла в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Возможны неблагоприятные сочетания указанных параметров, приводящие к уменьшению сигнала в 5...7 раз по отношению к идеальному результату сканирования буксовых узлов и пропуску аварийно нагретых букс.

Смотровая крышка является самой холодной частью корпуса буксы при движении вагона. Распределение температур по деталям корпуса буксы таково, что крышка в 1,5 - 2 раза нагрета менее, чем нижняя и боковая цилиндрические части корпуса буксы. Интенсивность изменения температуры нагрева смотровой крышки намного ниже, чем у нижней части корпуса буксы при аварийном нагреве (перед заклиниванием) подшипника.

При ориентации приемника ИК-излучения на нижнюю цилиндрическую часть корпуса буксы в сечении между передним и задним подшипниками с креплением напольной камеры непосредственно к подошве рельса как в аппаратуре КТСМ-02, обеспечивается:

    - формирование более мощного (в 1,5...1,8 раза) теплового сигнала; - стабильность положения напольной камеры c приемником ИК-излучения относительно корпуса буксы; - наименьшее расстояние до поверхности корпуса буксы; исключение ложных показаний аппаратуры на рабочий нагрев шкивов и редукторов привода подвагонных генераторов, на прямое и отраженное от букс излучение солнца.

Похожие статьи




Обоснование изменения угла ориентации приемников ик-излучения - Модернизация аппаратуры контроля подвижного состава на перегоне Зябровка-Тереховка

Предыдущая | Следующая