Научные и технические основы бесконтактного теплового контроля букс железнодорожного подвижного состава

• Автор: Миронов, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 05.22.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 362 с. : ил.

1 анализ научных и технических решений создания и совершенствования СРЕДСТВ ТЕПЛОВОЙ БЕСКОНТАКТНОЙ ДИАГНОСТИКИ БУКС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.
1.1 Краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований тепловых режимов работы буксовых узлов

1.2 Анализ конструктивных особенностей буксовых узлов и рам тележек,

влияющих на тепловой контроль

1.2.1 Особенности теплопередачи внутри буксового узла

1 2.2 Особенности конструктивного исполнения буксовых узлов и сопряже

ний с рамой тележки.

1.2.3 Особенности конструкции рам тележек, влияющие на теплоотдачу с

поверхности буксовых узлов

1 3 Анализ технических решений систем бесконтактного теплового контроля

букс
1.3.1 Краткий обзор вариантов конструкции методов и средств теплового
контроля .
1 3 2 Анализ используемых на железных дорогах мира систем теплового
контроля.
1.4 Анализ вариантов выбора пороговых значений работоспособности буксо
вых узлов при тепловом контроле.
1.5 Постановка задачи исследования.
2 СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ И СРЕДСТВ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.
2.1 Модель движения единицы подвижного состава для оценки перемещений и силового режима работы буксового узла блок
2.2 Разработка и оценка термомеханической модели работы буксовых узлов
разных типов блок
2.2.1 Расчет угловых и линейных скоростей деталей подшипника
2.2.2 Расчет распределения нагрузок по телам качения подшипника.
2.2.3 Расчет тепловых потоков, действующих на поверхностях подшипника подмодель 2.1.
2.2.4 Разработка конечноэлементной модели тепловых процессов в буксовом узле подмодель 2.
.5 Моделирование теплоотдачи во внешнюю среду с учетом обтекания потоком встречного воздуха подмодель 2.
2.3 Модель сканирования буксы подвижной единицы приемником ИК излучения при проследовании поезда блок
2.3.1 Определение координат узлов конечноэлементной модели буксы в общей с СТК системе координат.
2.3.2 Определение списка конечных элементов, попавших в зону контроля приемника ИК излучения
2.3.3 Расчет средней температуры поверхности буксы в зоне контроля
2.3.4 Определение интервала времени контроля буксового узла имитация сигналов датчиков прохода оси
2.4 Моделирование ИК излучения с зоны сканирования и передачи энергии на приемник ИК излучения СТК блок
2.5 Модель работы приемного устройства СТК и определения уровня сигнала теплового излучения блок 5.
2.5.1 Оценка относительной температуры нагрева буксы в условных единицах
2.5.2 Температурная оценка нагрева буксы.
2.6 Разработка программного обеспечения.
Выводы по разделу
3 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БУКСОВОГО УЗЛА В КОНТЕКСТЕ ТЕПЛОВОГО
КОНТРОЛЯ.
3.1 Экспериментальные исследования распределения температур в корпусе буксы с коническими подшипниками кассетного типа в поездных условиях
3.1.1 Изучение общего температурного состояния конических подшипников кассетного типа и наружных корпусов букс и полубукс адаптеров грузовых вагонов, влияния режимов движения поезда и температуры наружного воздуха на тепловое состояние подшипниковых узлов.
3.1.2 Исследование температурного состояния нижней части буксового узла грузового вагона с кассетным подшипником и верификация по экспериментальным данным модели Виртуальный прибор
3.1.3 Изучение стабильности температурного режима в зоне контроля буксовых узлов с кассетными подшипниками и оценки достоверности показаний аппаратуры теплового контроля
3.1.4 Исследование температурного состояния кассетных подшипников и корпусов букс тележек высокоскоростных пассажирских поездов и влияния на него температуры воздуха, скорости движения поезда и расположения
букс в тележке вагоне
3.2 Стендовые исследования по оценке теплового состояния буксового узла
3.2.1 Методика испытаний.
3.2.2 Результаты испытаний буксовых узлов с цилиндрическими и коническими подшипниками
3.2.3 Подтверждение термомеханической модели испытаниями и идентификация параметров трения модели
3.3 Стендовые испытания аварийных режимов работы подшипника
3.3.1 Испытания буксового узла с разрушенным торцевым креплением и
сдвигом корпуса буксы
3.3.2 Испытания буксового узла с ослаблением посадки внутреннего кольца переднего подшипника
3.4 Мониторинг нагрева буксовых узлов с цилиндрическими и коническими подшипниками в эксплуатации на сети дорог по результатам показаний средств теплового контроля КТСМ и КТСМ
3.4.1 Температурный режим работы буксовых узлов грузовых вагонов с коническими подшипниками в сравнении с цилиндрическими подшипниками
3.4.2 Динамика изменения уровня нагрева букс в зависимости от пробега.
3.4.3 Статистика уровней нагрева четных и нечетных осей в грузовых и пассажирских поездах по показаниям средств теплового контроля
Выводы по разделу 3 Г.
4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ БУКСОВЫХ УЗЛОВ В РАБОТОСПОСОБНОМ И АВАРИЙНЫХ СОСТОЯНИЯХ. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
4.1 Тепловое состояние буксовых узлов в стационарном режиме.
4.2 Обоснование преимущества оценки состояния подшипников по относительной температуре корпусов букс.
4.3 Численные исследования взаимовлияния нагрева смежных деталей ходовых частей и буксы
4.3.1 Оценка степени влияния нагрева колеса на нагрев корпуса буксы
4.3.2 Оценка влияния нагрева буксы на элементы колеса.
4.4 Разработка методики оценки контролепригодности подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике
4.4.1 Целесообразность разработки методики
4.4.2 Практическая реализация методики оценки контролепригодности
для вагонов.
4.4.3 Применение методики к тяговому подвижному составу.
4.5 Результаты численного моделирования аварийных режимов работы буксовых узлов.
4.5.1 Результаты численного исследования буксового узла с разрушенным торцевым креплением и сдвигом корпуса буксы
4.5.2 Результаты численного исследования буксового узла с ослаблением посадки внутреннего кольца одного из подшипников.
4.6 Исследования по повышению информативности сигнала приемника излучения
Выводы по разделу
5 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОЗДАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА НАГРЕВА БУКСОВЫХ УЗЛОВ В ДВИЖУЩИХСЯ ПОЕЗДАХ.
5.1 Архитектура и программнотехнические средства распределенной системы теплового контроля и централизованного мониторинга
5.1.1 Архитектура системы
5.1.2 Компонент первого уровня АСК ПС аппаратура нового поколения КТСМ.
5.1.3 Система передачи данных с линейных пунктов контроля СПД ЛП
5.1.4 Автоматизированные рабочие места АРМ ЛПК и АРМ ЦПК.
5.1.5 Информационное взаимодействие АСК ПС с отраслевыми системами
различного назначения
5.2 Основные положения математического обеспечения распределенной системы теплового контроля и мониторинга в части прикладной модели распознавания класса неисправных букс
5.2.1 Обоснование выбора диагностических признаков.
5.2.2 Расчетноэкспериментальный метод определения контрольных значений диагностических признаков.
5.2.3 Разработка информационного и программного обеспечения мониторинга нагрева буксовых узлов.
5.3 Основные результаты внедрения прораммнотехнических средств распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов
5.3.1 Влияние объемов внедрения КТСМ и АСК ПС на снижение отказов средств теплового контроля
5.3.2 Влияние объемов внедрения КТСМ и АСК ПС на снижение задержек поездов и отцепок вагонов на гарантийных участках
5.3.3 Влияние объемов внедрения КТСМ и АСК ПС на обеспечение безопасности движения поездов.
5.3.4 Оценка эффективности КТСМ по основным показателям
5.4 Оценка экономической эффективности модернизации существующих и внедрения новых средств теплового контроля подвижного состава.
Выводы по разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


В настоящее время имеется достаточное количество предложений вариантов конструкций технических средств для определения технического состояния элементов железнодорожного подвижного состава, в которых контролируемым параметром является электромагнитное излучение в ИК диапазоне 7, . Эти технические решения в виде идей, конструктивных схем, опытных образцов защищены соответствующим образом в виде патентов на изобретение или публикаций. Рассмотрим некоторые из указанных конструкций для того, чтобы проанализировать общие подходы к тепловому контролю элементов колесных пар. Например, в работе предложена схема размещения датчиков, воспринимающих ИК излучение на пути для замера в движущемся поезде температуры осей колесных пар, колесных дисков, корпусов тяговых электродвигателей, тяговых редукторов и корпусов букс. Расположение датчиков обеспечивает контроль соответствующих узлов для вагонов и локомотивов всех типов таким образом, что ранее предложенное и разработанное устройство идентифицирует тип локомотива или вагона для отбора показаний определенных датчиков. Вся информация от датчиков обрабатывается на персональной ЭВМ, имеющей на входе аналоговоцифровые преобразователи. Устройство по изобретению относится к аппаратуре контроля изменения температуры колес движущихся поездов. Главной особенностью устройства является наличие функции самокалибровки. Переменный усилитель далее усиливает сигнал и в результате он конвергируется в цифровой сигнал. Цифровой сигнал используется как входной сигнал для обратной связи усилителя переменного усиления. В ответ на цифровой сигнал переменный усилитель регулирует усиление до тех пор, пока сигнал обратной связи не достигнет заданной величины. В работе тепловой датчик состоит из стандартного болта, в который вмонтирован чувствительный к температуре элемент, помещенный в подшипниковый узел подвижного состава. Этот элемент содержит восприимчивый к температуре воск, который по заранее определенной температуре расширяется, вызывая движение поршня, который воздействует на специальное устройство. Это устройство может функционировать как антенна пассивная отражающая или активная передатчик, сигналы которой могут приниматься аппаратурой очень высокой селективностью, установленной на обочине пути. В изобретении предложено регистрировать распределение температур по корпусу буксы и по колесному диску при помощи двух тепловизорных датчиков сканирующего типа, установленных на пути. Путем обработки полученных распределений температур на ЭВМ диагностируют колесную пару, определяя при этом источники нагрева, что обычно связано с повышенным трением в буксе или контакте тормозной колодки с бандажом, например при неотпуске тормоза. В изобретении предлагается способ измерения температуры колесной оси и подшипников с целью обнаружения перегрева упомянутых узлов в проходящем подвижном составе с помощью инфракрасных приемников и осциллирующего сканирующего луча, который ориентируется поперечно к продольной оси пути рисунок 1. Величины измеренных аналоговых сигналов от инфракрасного приемника оцифровываются и затем попарно сопоставляются с ориентацией частоты колебания сканирующего луча так, чтобы, по крайней мере, два полных колебания сканирующего луча были проанализированы для каждой оси. Рисунок 1. Такие системы имеют специальные устройства для сопоставления измеряемой температуры с конструкцией исследуемого узла. Так, устройство для обнаружения перегретых букс железнодорожного подвижного состава , в соответствии с рисунком 1. ИК излучения, подключенный к первому входу первого ключевого элемента, датчик прохождения колесных пар, подключенный через формирователь ко второму входу первого ключевого элемента и к первому входу второго ключевого элемента, пороговый элемент, выход которого соединен со вторым блоком регистрации. Устройство снабжено датчиком давления колеса на рельс, который подключен ко второму входу второго ключевого элемента, выход которого соединен с управляющим входом порогового элемента, к информационному входу которого подключен выход первого ключевого элемента.