Тепловая диагностика элементов подвижного состава

ТЕПЛОВАЯ ДИАГНОСТИКА
ЭЛЕМЕНТОВ
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Приводятся результаты исследований в области дистанционного мониторинга транспортных магистралей. Особое внимание уделено разработке и внедрению экспертно-информационных систем тепловой диагностики подвижного состава, базирующихся на сочетании математических моделей с физическим экспериментом.
Использование инфракрасной (ИК) приемной аппаратуры нового поколения в сочетании с компьютерными методами обработки и передачи информации позволило довести предлагаемые методы дистанционной диагностики элементов подвижного состава до практической реализации.
Детально проанализированы дифференциальные характеристики температурных полей основных узлов и элементов подвижного состава и классифицированы признаки как уже сформировавшихся, так и зарождающихся дефектов.
Использование методов ИК-мониторинга транспортных систем позволяет прогнозировать и предотвращать развитие аварийных ситуаций задолго до выхода на катастрофические режимы, повышая тем самым надежность и безопасность эксплуатации транспортных систем.
Монография представляет интерес для специалистов в области безопасности железнодорожного транспорта, научных работников, инженеров. Может быть рекомендована в качестве учебного пособия для студентов вузов инженерно-физических и технических специальностей.
Введение
Транспортные системы занимают ведущее место в экономике развитых индустриальных государств. Они концентрируют в себе передовые достижения фундаментальной и прикладной науки, направленные на создание новых систем контроля, управления и безопасности. Одним из основных элементов транспортных систем является подвижной состав, оценка технического состояния работающих узлов которого является актуальной задачей. Актуальность этой задачи обусловлена целым рядом объективных причин:
- во-первых, длительная эксплуатация подвижного состава сопровождается моральным и физическим износом его оборудования, требующего своевременного ремонта и замены;
- во-вторых, необходимость снижения эксплуатационных расходов в условиях конкуренции на рынке транспортных услуг диктует создание систем технического обслуживания и ремонта подвижного состава, исходя из фактического состояния работающих узлов подвижного состава с отказом от дорогостоящей планово-предупредительной системы с периодическим отвлечением подвижного состава от эксплуатации по пробегу или времени;
- в-третьих, прогнозирование и предотвращение развития аварийных ситуаций невозможно без современного мониторинга технического состояния подвижного состава, в основе которого лежит отслеживание технического состояния элементов подвижного состава дистанционными методами;
- наконец, существующие методы и технические средства дистанционного обнаружения неисправностей ходовых частей подвижного состава по фактическому их состоянию обладают определенной вероятностью, недостаточной для обнаружения возникающих в эксплуатации на фазе зарождения целого ряда неисправностей работающих узлов подвижного состава.
Таким образом, возрастающие требования к эксплуатации подвижного состава приводят к необходимости разработки и создания экспертно-информационных технологий определения неисправностей элементов подвижного состава по их фактическому состоянию, сочетающих в себе функции оценки технического состояния различных элементов подвижного состава, сравнения данных с утвержденными эталонами и передачи информации в системы управления с целью принятия решения о возможности или невозможности эксплуатации того или иного элемента системы. При этом основными критериями эффективности экспертно-информационных систем являются: достоверность и оперативность получения информации о техническом состоянии объекта; быстрота обработки и передачи экспертной информации; степень автономности и защищенности от природных и техногенных воздействий; согласованность работы ее с технологическим процессом функционирования транспортной системы в целом.
В настоящей монографии обобщен накопленный автором опыт по разработке и созданию экспертно-информационных систем тепловой диагностики транспортных систем нового поколения на примере определения технического состояния ходовых частей подвижного состава и теплотехнических параметров ограждающих конструкций пассажирских вагонов, рефрижераторного подвижного состава (РПС) и других сооружений железной дороги, внутри которых поддерживается заданное тепловое поле.
Основным объектом исследования в работе является подвижной состав, представляющий один из наиболее сложных в техническом и эксплуатационном отношении элементов транспортной системы. В то же время экспертно-информационные системы, составляющие основу настоящей работы, применяются также и для оценки технического состояния автомобильного транспорта, систем тепло-, энерго- и газоснабжения, экологии, жилищно-коммунального хозяйства и др.
Общность физических процессов, лежащих в основе целого ряда явлений, происходящих на транспортных системах, и универсальность методов получения и обработки информации делают предлагаемые экспертно-информационные системы эффективным механизмом контроля технического состояния систем, позволяя использовать оптимальную стратегию предотвращения экстремальных ситуаций.
Основу любой экспергно-информационной системы составляют методы получения информации о диагностируемом объекте. При тепловой диагностике основным источником информации о поле температуры и его градиентах служит инфракрасное излучение. Сложность процессов, формирующих тепловые поля элементов транспортной системы, требует разработки как новых типов приемников инфракрасного (ИК) диапазона, так и адекватных математических моделей физических процессов, характеризующих различного рода взаимодействия составных частей системы не только друг с другом, но и с внешними системами.
Отметим, что методы ИК-радиометрии играют существенную роль при анализе технического состояния отдельных элементов подвижного состава, таких, как колесные пары, буксовые узлы, системы торможения, и др. В процессе эксплуатации подвижного состава формируется специфическая тепловая картина, характеризующая техническое состояние различных его элементов в различных диапазонах излучения.
Спектр излучения транспортной системы имеет два характерных масштаба локализации - один на длине волны около 0,5 мкм, обусловленный отраженной солнечной радиацией, и второй на длине волны около 9,0 10,0 мкм, зависящий от теплового излучения Земли.
Подвижной состав транспортной системы генерирует собственное (инфракрасное) излучение за счет работы дизеля, электрических машин (400 К), торможения локомотивов и вагонов (400-800 К), трения пары колесо-рельс при движении (300-800 К), особенно при вписывании колеса в кривые, нагрева буксовых узлов (340 К) и т.п.
При увеличении температуры исследуемого объекта в пределах от 300 до 400 К и в отдельных случаях до 900 К максимум плотности собственного излучения сдвигается в сторону уменьшения длины волны, а величина потока увеличивается на порядок. Поэтому спектр излучения железнодорожных транспортных систем имеет днем как минимум три характерных масштаба: 1-й - 0,5 мкм, обуславливаемый отраженной солнечной радиацией, 2-й - 3 6 мкм, определяемый как собственным тепловым излучением, так и отраженной солнечной радиацией, и 3-й - около 9 10 мкм - peaлизуемый в основном за счет собственного теплового излучения элементов и узлов железной дороги. Дополнительные максимумы могут возникнуть при аварийных режимах эксплуатации подвижных транспортных средств, когда собственная температура отдельного узла может превысить допустимую. Ночью спектр излучения транспортной системы меняется, поскольку в области отражения максимум исчезает.
Таким образом, для получения дистанционной информации о техническом состоянии транспортной системы исключительную важность приобретает использование радиофизических методов измерения тепловых полей ближней зоны ИК-излучения (0,8 0,9 мкм) и собственного инфракрасного излучения (3 6 мкм), (10 14 мкм), а также оптических полей видимого диапазона (0,4 0,7 мкм).
Следует отметить, что ИК-мониторинг дополняет традиционную систему оценки технического состояния транспортных магистралей, включающую в себя визуальные наблюдения, наземную съемку, определение технических параметров транспортного объекта с помощью измерительных вагонов-лабораторий и проектных данных.
Развитием исследований в области тепловой диагностики подвижного состава явилась экспертно-информационная система (ЭИС), основанная на технических устройствах ИК-излучения нового поколения. Основным объектом анализа в рамках этой системы выступают колесные пары и буксовые узлы, а также элементы системы торможения грузовых и пассажирских вагонов, локомотивов.
В отличие от существующих информационных систем ПОНАБ, ДИСК, аналогичных систем, представленных в патентах ЕПВ № 0 276 201 от 27.07.87, ЕПВ № 0 263 896 от 20.04.88, США № 4 928 910 от 29.05.90, США № 5 201 483 от 13.04.93, США № 5 149 025 от 18.04.95, главной особенностью такой информационной системы является использование ИК-радиометров типа "Терморад Т-160" или портативных инфракрасных камер типа "ThermaCam", осуществляющих боковое (горизонтальное) сканирование элементов подвижного состава с высоким пространственным и тепловым разрешением. Измерительная аппаратура информационной системы позволяет не только определить интегральные потоки ИК-излучения от различных элементов буксового узла, колеса и колодок, но и построить детальную пространствен
ную картину локализации участков энерговыделения при малых интенсивностях нагрева. Практически, данная система диагностирует неисправности как в период, когда эксплуатация того или иного элемента запрещена по условиям безопасности перевозок, так и на самых ранних этапах формирования и развития дефектов движущихся частей подвижного состава.
При создании экспертно-информационной системы нового поколения потребовалось разработать математические модели формирования тепловой картины колесного узла при различных режимах его движения. Особенностью модели является наличие граничных условий, величина которых резко изменяется при взаимодействии колеса с рельсом или тормозной колодкой. Сложный процесс формирования температурной структуры колеса был разбит на более простые режимы, соответствующие движению колеса. Оказалось, что в режиме движения колеса при наличии внешнего источника постоянной мощности тепловая структура колеса в конечном итоге не зависит от угловой координаты колеса. В режиме движения колеса при образовании внешнего источника тепла, мощность которого со временем равномерно уменьшается, температурная структура не зависит от угловой координаты. Зависимость температуры колеса от радиуса характеризуется в начальный период формирования температурной структуры возрастающей кривой, причем возрастание идет от центра колеса в сторону его поверхности катания. Характерной особенностью радиальной зависимости температуры колеса на последующих фазах формирования температурной структуры является наличие максимума на расстоянии до 0,15 м от поверхности катания колеса. В режиме движения колеса с образованием внешнего источника нагрева, мощность которого со временем равномерно увеличивается, температурная структура симметрична относительно угловой координаты колеса. Зависимость температуры колеса от радиуса характеризуется возрастающей кривой от центра колеса в сторону его поверхности катания.
Анализ составляющих внешних сил, приводящих к образованию источников нагрева колесного узла, показал возможность диагностирования отдельных элементов ходовых частей подвижного состава с использованием различных режимов его работы.
Эти выводы были подтверждены в ходе испытаний технических средств нового поколения в условиях реальной эксплуатации.
Для проведения экспериментальных исследований по обнаружению температурных структур колесных узлов, работающих при эксплуатации в различных режимах, были разработаны и изготовлены переносная, передвижная и стационарная системы получения дистанционной информации в ИК-диапазоне на базе тепловизора Т-160, изготовленного ГИПО г. Казань, и портативной инфракрасной камеры РМ-150 компании "Инфраметрикс". Для обработки дистанционных измерений тепловых структур колесных узлов разработаны методы выделенных областей, опорных направлений и максимальных окружностей.
Важнейшим элементом информационной системы является банк данных ИК-образов колесных узлов грузовых и пассажирских вагонов с перечнем признаков дефектов. Этот банк данных был накоплен в ходе испытаний ЭИС на станциях Батайск, Туапсе, Ростов-Главный Северо-Кавказской железной дороги, где на основании ИК-диагностики осуществлялся вывод вагонов с аномальными ИК-светимостями колесных узлов из грузопотока с последующей разборкой и дефектацией обнаруженных неисправностей с составлением акта.
В общей сложности на фазе отладок банка данных было проанализировано более 12000 колесных пар локомотивов, пассажирских и грузовых вагонов. Обнаружено, что: 0,44 % из всех обследованных колесных пар имеют несимметричный нагрев колеса; 1,99 % - имеют избыточный нагрев буксы; 6,71 % - имеют максимальный или минимальный перегрев колеса, связанный с неисправной работой тормозной рычажной передачи.
На основании проведенных теоретических и практических исследований тепловых структур ходовых частей подвижного состава разработан и изготовлен опытный образец программно-аппаратного комплекса ИК-диагностики ходовых частей подвижного состава железных дорог. При создании аппаратно-программного комплекса, предназначенного для регистрации, обработки, передачи и хранения тепловых полей колес, буксовых узлов и элементов системы торможения подвижного состава с высоким пространственным разрешением; выявления тепловых аномалий деталей ходовых частей подвижного состава, характеризующих неисправную работу буксовых узлов, тормозных систем и колес; оперативной передачи полученной информации на пункт технического осмотра о неисправностях в конкретных вагонах и локомотивах контролируемого поезда, проведена автоматизация решаемых задач, для чего отработаны алгоритмы и создано программное обеспечение в среде Windows. Автоматизация процесса определения неисправностей колесного узла позволила: обнаружить тепловые аномалии ходовых частей подвижного состава, соответствующие дефектам, имеющим аварийные последствия; вести наблюдение дежурным операторам в реальном масштабе времени; осуществить формирование и регистрацию карты теплового изображения колесного узла в реальном масштабе времени при прохождении подвижного состава; провести передачу отчета о неисправностях ходовых частей не позднее 20 мин после прохождения поезда через пункт технического осмотра.
Опытная эксплуатация комплекса показала высокую вероятность обнаружения дефектных узлов ходовых частей подвижного состава.
В результате проведения испытаний автоматизированного диагностического комплекса, выполненного на основе приборов промышленного тепловидения, установлено следующее:
1. Комплекс обеспечивает в автономном режиме круглосуточную диагностику элементов ходовых частей вагонов грузовых поездов, следующих через стационарный пункт технического осмотра.
2. Выявление тепловых аномалий буксовых узлов и колесных пар с перепадом температур более 10 К осуществляется в реальном масштабе времени дежурными операторами с экрана телевизионных мониторов. Автоматизированная обработка результатов обследования температурных аномалий с контрастом менее 10 К не превышает, в среднем, 20 мин.
3. Оперативное обследование элементов ходовых частей грузовых вагонов приборами промышленного тепловидения позволяет обнаружить температурные аномалии в прибывающих на ст. Батайск поездах, образовавшихся за счет наличия греющихся букс, различного соотношения сил тормозного нажатия колодок на колесные пары тележки, заторможенных колес, неравномерного проката, неисправностей работы колесной пары из-за перекоса боковых рам тележки.
Наряду с диагностикой ходовых элементов подвижного состава на базе портативной камеры "ThermaCam" была создана экспертно-информационная система "Термоконтейнер". Необходимость обеспечения условий термостабилизации при осуществлении перевозок скоропортящихся грузов через зоны с различными климатическими условиями предъявляет повышенные требования к термоизоляционным свойствам изотермического подвижного состава (ИПС), вагонов и контейнеров. Важнейшей задачей, стоящей перед системой, являлось создание методов дистанционной диагностики теплоизоляции пассажирских вагонов и изотермического подвижного состава при создании нового рефрижераторного контейнера типа 1АА. Основная идея метода заключается в определении дефектных элементов теплоизоляции при сканировании их ИК-радиометром. В отличие от существующих методов, которые проводят определение приведенного по площади коэффициента теплопередачи контейнера, вагона и аналогичных объектов, в основном, в стационарных режимах их работы (ГОСТ Р 50697-94), главной особенностью экспертно-информационной системы "Термоконтейнер" является локальное определение коэффициента теплопередачи элементов ограждающих конструкций на основе ИК-мониторинга исследуемых поверхностей.
Программно-аппаратный комплекс "Термоконтейнер" позволяет получать детальные тепловые структуры ограждающих поверхностей, на основании которых производится построение пространственных картин, соответствующих коэффициентам теплопередачи элементов теплоизоляции кузова термоконтейнера, вагона и т.д. Практически данная система диагностирует неисправности термоизоляции как в стационарных, так и в нестационарных режимах работы термоконтейнера.
При разработке экспертно-информационной системы "Термоконтейнер" потребовалось разработать математическую модель формирования тепловой картины ограждающей конструкции кузова рефрижераторного контейнера при условии, что при работе термоконтейнера температура воздуха внутри и вне его изменяется. На основании разработанной модели проведено определение локальных значений коэффициентов теплопередачи ограждающей поверхности замкнутой области, внутри которой формируется тепловое поле известного закона.
Полученные теоретические результаты были использованы при создании ограждающих конструкций кузова рефрижераторного контейнера типа 1АА.

Для проведения исследований ограждающих поверхностей использовался переносной программно-аппаратный комплекс на базе портативной инфракрасной камеры, дополнительно оснащенный датчиками температуры воздуха, тестовыми мишенями и специальным программным обеспечением.
Испытания конструкций элементов ограждающих поверхностей проводились в специально созданной холодильной камере. В проем торцевой стены холодильной камеры монтировался вариант элемента конструкции ограждающей поверхности, применяемой для создания кузова крупнотоннажного рефрижераторного контейнера (КРК).
Выбор ограждающей поверхности кузова контейнера осуществлялся из различным образом подготовленных образцов конструкции теплоизоляционных материалов в сравнении с контрольным теплоизоляционным материалом, теплофизические свойства которого были метрологически аттестованы.
Выбранные ограждающие конструкции использовались при создании крупнотоннажного рефрижераторного контейнера типа 1АА.
Для проведения стендовых испытаний ограждающих поверхностей опытного крупнотоннажного рефрижераторного контейнера типа 1АА, созданного на Новороссийском вагоноремонтном и Абаканском вагоностроительном заводах, разработана методика определения коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций кузова контейнера.
Общий коэффициент теплопередачи кузова рефрижераторного контейнера, согласно требованию ISO, должен быть не более 0,4 Вт/(м2К). Как показывают результаты обработки ИК-диагностики, этому условию в полной мере удовлетворяют лишь пол и крыша. Условно приемлемую теплоизоляцию имеет правая боковая стена (& = 0,46 Вт/(м2К)). Остальные элементы кузова имеют недопустимо большое значение коэффициента теплопередачи.
Как показывает анализ результатов диагностики левой боковой стенки кузова рефрижераторного контейнера, качественную теплоизоляцию имеет 52,4 % площади ограждений конструкции, коэффициент теплопередачи которой составляет 0,235 Вт/(м2К).
Области с относительно приемлемым коэффициентом передачи (0,507; 0,538; 0,869) составляют 32,6 % площади, что является недопустимо большой величиной.
Около 15 % площади боковой стенки имеют коэффициент теплопередачи более единицы, участки с такими значениями прямо указывают на дефект теплоизоляции и на неэффективную конструкцию элемента ограждающей поверхности.
Помимо этого, был разработан и успешно апробирован метод контроля теплового поля в термостабилизированных помещениях, включающих источники нагрева и охлаждения. Экспертно-информационная система "Термоконтейнер" была успешно использована и при контроле теплопотерь в промышленных зданиях и сооружениях.
В целом, завершая общую характеристику информационных систем нового поколения, составляющих основу настоящей работы, хотелось бы подчеркнуть, что развитие методов тепловой диагностики транспорта потребовало создания целого ряда математических моделей процессов формирования тепловых полей транспортных систем, разработки и адаптации технических систем и устройств ИК-радиометрического контроля и их испытания, а также их доводки в условиях реальной эксплуатации. Это позволило, в конечном итоге, заложить основы для целого ряда аналогичных систем, играющих важную роль в обеспечении эффективной эксплуатации и безопасности функционирования транспортных систем.
Настоящая монография явилась обобщением многолетних исследований специалистов и ученых Ростовского государственного университета путей сообщения, Ростовского государственного университета, структурных подразделений железных дорог.