Испытание пассажирских вагонов железных дорог на теплоустойчивость

Список литературы

1. Анализ надежности асинхронных вспомогательных машин при различных системах фазорасщепления [Текст] / Н. Н. Гарев, П. Ю. Иванов и др. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Новосибирская гос. акад. водного транспорта. - Новосибирск. -2012. - № 1. - С. 348 - 351.

2. Худоногов, А. М. Контроль качества эксплуатации асинхронных вспомогательных машин электровозов [Текст] / А. М. Худоногов, П. Ю. Иванов // Вестник Иркутского гос. техн. ун-та / Иркутский гос. техн. ун-т. - Иркутск. - 2013. - № 4 (75). - С. 106 - 110.

References

1. Garev N. N., Ivanov P. Iu., Vyzhimova V. N., Dul'skii E. Iu. Reliability analysis of asynchronous auxiliary machines at different phase splitting systems [Analiz nadezhnosti asinkhronnykh vspomogatel'nykh mashin pri razlichnykh sistemakh fazorasshchepleniia]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka - Scientific problems of transportation in Siberia and the Far East, 2012, no. 1, pp. 348 - 351.

2. Khudonogov A. M., Ivanov P. Iu. Quality Control operation of asynchronous electric auxiliary machines [Kontrol' kachestva ekspluatatsii asinkhronnykh vspomogatel'nykh mashin el-ektrovozov]. Vestnik Irkutskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Bulletin of Irkutsk State Technical University, 2013, no. 4 (75), pp. 106 - 110.

УДК 629.45/46

В. П. Клюка, А. П. Стариков, Д. Ю. Кузьменко, А. А. Попов

ИСПЫТАНИЕ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ

В статье рассмотрен наиболее эффективный способ выявления тепловых потерь, связанных с неплотностью ограждающих конструкций. Предлагается метод по использованию аэродинамических и термодинамических исследований с возможностью применения на железнодорожном транспорте.

Одной из основных задач современного процесса перевозки пассажиров на железнодорожном транспорте является обеспечение санитарных норм и комфортных условий в поездке. Для этого пассажирский вагон оснащен системами отопления, водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Существенные затраты энергетических ресурсов идут на поддержание работоспособности этих систем. Техническое состояние кузова, способность ограждающих конструкций сохранять микроклимат внутри вагона во многом определяют эффективность и экономичность работы его систем жизнеобеспечения.

На теплоустойчивость вагона влияют герметичность и теплопроводность оболочки. Герметичность оценивается объемом проникновения воздуха через ограждающие конструкции вагона из окружающей среды в помещение за счет ветрового и теплового напора, формируемого разностью температур и перепадом давления воздуха снаружи и внутри помещения. Герметичность зависит от плотности примыкания элементов конструкции вагона и от воздухопроницаемости материала стенок. Теплопроводность оболочки определяется толщиной слоя теплоизолятора, его свойствами, влажностью, плотностью заполнения межстеночного пространства, наличием металлических несущих элементов, выступающих в роли «термических мостиков» [1].

6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

: = _

Надежная теплоизоляция пассажирских вагонов имеет решающее значение для снижения затрат на отопление. Температура поверхности стен, пола и потолков оказывает существенное влияние на создание комфорта в помещении вагона, а также на его сохранность. Достаточная изоляция способствует повышению качества перевозки пассажиров и поддерживает вагон в надлежащем состоянии.

Комфортное помещение вагона возможно лишь при условии, если в нем будут поддерживаться соответствующие температура и влажность [2]. Конденсацию влаги, пятна сырости и образование термических трещин можно эффективным образом предотвратить, если использовать изолирующие материалы.

Недостаточное внимание к теплоизоляции мест примыкания приводит к значительным потерям тепла, конденсации влаги, росту плесени и грибков, образованию трещин. Сравнение стоимости работ по изоляции с полученными преимуществами показывает, что теплоизоляция является экологически и экономически выгодным вложением капитала. Однако следует отметить то, что должны соблюдаться физические и технические принципы конструкции вагонов, а также то, что следует использовать изоляционные материалы высокого качества. Качество теплоизоляции зависит от многих свойств используемых материалов. Например, величина водопоглощения теплоизоляционных материалов (гидрофильность) значительно влияет на теплопроводность материалов и теплотехнические качества кузова вследствие того, что при эксплуатации вагона влага за счет процессов диффузии проникает в изоляционный слой и скапливается в нем в виде конденсата. Чем выше гидрофильность материала, тем больше влаги скапливается и тем хуже становятся теплотехнические качества материала вследствие возрастания коэффициента теплопередачи.

Теплоизоляция является одним из важнейших элементов конструкции кузова. Поэтому к теплоизоляционным материалам, используемым для теплоизоляции кузовов пассажирских вагонов при их строительстве и капитально-восстановительных ремонтах, предъявляются жесткие требования, регламентированные нормами ОСЖД (Памятка ОР538/1):

- негорючесть;

- виброустойчивость и механическая прочность;

- нетоксичность (вещества, выделяемые изоляцией в воздушную среду вагона, не должны превышать установленных значений ПДК);

- стабильность физико-технических качеств в условиях эксплуатации;

- устойчивость формы при колебаниях температуры окружающей среды в диапазоне от минус 65 до плюс 75 °С;

- однородность структуры материала;

- технологичность при укладке в ограждающие конструкции кузова вагона;

- обеспечение устойчивости к коррозии металла, соприкасающегося с теплоизоляцией;

- объемная масса - не более 50 кг/м3;

- коэффициент теплопроводности при температуре 20 °С - не более 0,040 Вт/(м-К);

- максимальное сорбционное увлажнение - не более 5 % по массе;

- изолированный теплоизоляцией кузов пассажирского вагона должен иметь средний коэффициент теплопередачи в стационарных условиях не более 1,0 Вт/(м2-К), и эта величина после шести лет эксплуатации не должна увеличиваться более чем на 10 %.

Показатели водопоглощения, прочности и сохранности линейных размеров всегда дополнительно согласовываются с заказчиком.

Срок службы теплоизоляции должен соответствовать сроку службы вагона, т. е. 28 лет.

По назначению теплоизоляция вагонов разделяется на несколько видов:

- для обеспечения допустимого уровня потерь тепла (теплоизоляция кузова);

- для предотвращения конденсации влаги (системы водоснабжения, вентиляции, отопления);

- для создания санитарно-гигиенических условий (изоляция энергетических и холодильных агрегатов);

№ 2(22) 2015

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

- для предотвращения возгораний (системы отопления).

В эксплуатации свойства теплоизоляции меняются из-за старения под действием температуры, увлажнения, вибрации, коррозии и т. д. Поэтому при постройке и после капитальных ремонтов проводится диагностирование технического состояния ограждающих конструкций кузовов по трем критериям:

- относительная герметичность;

- средний коэффициент теплопередачи всего кузова;

- способность обеспечивать функционирование в разных эксплуатационных условиях.

В летнее время в пассажирском вагоне работает кондиционер и задача ограждающих конструкций сводится к ограничению проникновения тепла внутрь вагона. В зимний период процесс теплопереноса идет в обратном направлении. В обоих случаях решается задача максимального снижения переноса тепла через стенки вагона. Назначение системы кондиционирования воздуха пассажирского вагона состоит в поддержании параметров воздуха в вагоне на определенном комфортном уровне, регламентированном государственными стандартами.

Установлены следующие требования к параметрам воздуха в вагоне:

- температура воздуха 22, 26 °С;

- относительная влажность 40, 60 %;

- минимальное количество подаваемого в вагон свежего воздуха на одного пассажира

«-» 3

летом 25, зимой 20 м /ч;

- максимально допустимое содержание пыли 1 мг/м3;

- максимально допустимое содержание углекислого газа 0,1 % по объему.

С целью создания оптимальных санитарно-гигиенических условий система кондиционирования пассажирского вагона должна быть оснащена оборудованием для вентиляции, охлаждения, отопления, автоматического управления, регулирования и защиты, очистки воздуха, энергоснабжения.

Цельнометаллические пассажирские вагоны оборудованы устройствами, которые обеспечивают естественную и искусственную вентиляцию в помещениях. Естественная вентиляция вагонов летом происходит через опускные окна, форточки и потолочные вытяжные дефлекторы; зимой естественная вентиляция может осуществляться только через дефлекторы Равномерный воздухообмен с помощью дефлекторов обеспечить невозможно, так как их пропускная способность изменяется в широких пределах в зависимости от скорости набегающего потока воздуха, который в свою очередь зависит от скорости движения поезда, силы и направления ветра, а также от температурного напора внутри вагона

Эффективность работы теплоизоляции вагона непосредственно определяет расход энергоресурсов на отопление и кондиционирование. Таким образом, оценка теплоустойчивости вагона является важной технической задачей.

Существуют несколько методов, позволяющих оценить фактическое состояние теплоизоляционных свойств и характеристик вагона [3].

Информационно-измерительная система «Поиск». С помощью электроотопительных приборов или холодильной установки, смонтированных внутри испытываемого рефрижераторного (пассажирского) вагона, первоначально соответственно нагревают или охлаждают внутренние поверхности ограждений. После этого между ними и окружающей средой возникает перепад температур, а в местах нарушения состояния изоляции - локальные искажения температурного поля. Система «Поиск» как бы построчно сканирует контролируемую поверхность, осуществляя анализ температурного поля.

Разработанная методика определения коэффициента теплопередачи кузова вагона позволяет не только избежать одной из очень трудоемких операций - разборки внутренней обшивки кузова для выявления участков с пониженной изоляцией, но и оценить качество выполненного ремонта ограждающих конструкций кузова, произведенного со сменой теплоизоляционного материала. К недостаткам системы следует отнести невозможность диагностирования качества теплоизоляции торцевых стен и пола.

8 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2

:

Более совершенным методом определения дефектов теплоизоляции без вскрытия элементов кузова является способ, основанный на детальном измерении инфракрасного излучения (ИК-излучения). Реализация данного способа стала возможной в настоящее время благодаря появлению новых тепловизоров (ИК-радиометров).

Пирометры и тепловизоры - приборы для бесконтактного измерения инфракрасного излучения, распространяемого от нагретого тела. Количество излучаемой энергии зависит от температуры, состояния поверхности и ее излучающей способности. Излучаемая энергия распределяется во всем электромагнитном спектре. Однако для любого предмета с определенной температурой имеется только одна длина волны, для которой излучаемая энергия является максимальной.

Пирометры предназначены для точечного измерения температуры, а тепловизоры воспроизводят картину распределения тепловых полей по поверхности объекта.

Полученная информация позволяет не только количественно оценить величину теплопо-терь через участки ограждающих элементов, но и внести коррективы в конструкторскую документацию при проектировании теплоизолированного кузова.

Использование испытательных станций, например, климатическая аэродинамическая труба, которая предоставила возможность создания «искусственных» погодных условий, цель которых заключалась в оценке теплового баланса пассажирских вагонов, специальных грузовых вагонов и вагонов-рефрижераторов. Эти исследования предусматривали определение потребности в тепле, тепловых потерь, коэффициент теплопередачи и показателей комфорта в салонах пассажирских вагонов.

Однако действие только одних климатических испытаний не является достаточным.

Методик определения состояния теплоизоляции вагона не существуют, но в строительной индустрии приняты следующие стандарты:

ГОСТ Р 54852-2011. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций;

ГОСТ 31167-2009. Метод определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций в натурных условиях;

ГОСТ 26254-84. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

Обследование теплосохраняющих свойств зданий как с помощью тепловизора, так и с помощью других приборов эффективно применяется для выявления потерь тепла и разработки энергосберегающих мероприятий. Эксперименты в этой области показали хорошую эффективность.

Для подвижного состава железных дорог требуется специфический подход, учитывающий особенности конструкции вагона, условия эксплуатации при высоких скоростях движения. Кроме того, длительная эксплуатация вагона приводит к изменению характеристик и снижению теплоизоляционных свойств. Для получения фактической картины теплового состояния вагона необходимо проводить комбинированный теплотехнический эксперимент с использованием аэродинамического испытания, которое ранее не применялось для исследования теплоизоляционного состояния пассажирских вагонов, а использовалось только для тестирования на утечки воздуха в ограждающих конструкциях зданий.

Аэродинамическое исследование - это новшество в тестировании вагонов на наличие неплотностей в теплоизоляции, которое проводится с использованием комплекта специального диагностического оборудования, основными компонентами которого являются измерительный вентилятор большой мощности и цифровой двухканальный манометр, отслеживающий изменение давления воздуха и управляющий работой вентилятора.

Использование аэродинамического испытания в сочетании с тепловизионным обследованием - гарантия выявления многих скрытых дефектов, вызывающих ускоренное разрушение несущих конструкций и являющихся главной причиной повышенных затрат на отопление (кондиционирование). Обнаружение этих дефектов каким-либо другим способом невозможно.

№ 2(22) ЛЛ Л Г* ИЗВЕСТИЯ Транссиба 9

2015

На базе полигона действующей железнодорожной техники ОмГУПСа было произведено комбинированное исследование вагона:

первый этап состоял из тепловизионного обследования пассажирского вагона модели 61-4170 «Тверской экспресс» с использованием тепловизора Flir E60 для получения сравнительных данных, в результате чего были получены термограммы, представленные на рисунке 1.

в

Рисунок 1 - Результаты тепловизионного обследования вагона с использованием тепловизора РИг E60

Визуально исследуемый объект представляется на термограмме, там мы видим места, где происходят утечки. Отдельные фрагменты термограммы имеют разную окраску, она зависит от интенсивности излучения инфракрасной части спектра;

вторым этапом было проведено обследование с применением аэродинамического испытания с использованием аэродвери Ке1хо1ес ЕШ000 и тепловизора РИг Е60.

Технически аэродинамический метод представляет собой перегородку со встроенным вентилятором, которая устанавливается в дверной проем, вентилятор включается, повышая

10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(22) 2015

—— = 1 V

или понижая давление внутри помещения. Воздух начинает проходить сквозь недостаточно герметичные стыки, температура воздушной массы отличается от температуры окружающей среды, эту разницу фиксируют приборы.

На фотографиях рисунка 2 видны результаты тепловизионного обследования с использованием аэродинамического метода.

Приц.тчк -15,9

Внеш.т. 8 Внеш пр. 100%

11

-17.8

10/11/14

12:20

Рисунок 2 - Результаты тепловизионного обследования вагона с применением аэродинамического испытания

При проведении сравнительного анализа результатов комбинированного теплотехнического эксперимента было выявлено снижение температуры в месте стыков приблизительно на 2,1 °С, на рисунке 1, а температура стыков - примерно 17,5 °С, на рисунке 2, а - 19,6 °С, наблюдалось понижение средней температуры на 3,2 °С (рисунки 1, 2, б), что говорит о негерметичности теплоизоляционного слоя кузова вагона. На рисунке 1 , в видно более равномерное, светлое окрашивание примыкающей стенки, после проведения аэродинимического

№ 2(22) 2015

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

а

б

в

метода исследования были выявлены темные области в местах стыков, в которых теплоизоляция имеет неплотности и нуждается в ремонте (рисунок 2, в).

На основе проведенного исследования можно сделать выводы.

1. Использование одного только тепловизора для выявления теплопотерь недостаточно, так как он не дает полной информации о состоянии теплоизоляции вагона.

2. Применение аэродинамического метода исследования дает более полную картину о нарушении теплоизоляционного слоя (наблюдается изменение температуры в местах стыков, проявляются темные области, указывающие на места с нарушением герметичности).

3. Внедрение аэродинамического испытания необходимо, так как оно упростит контроль за состоянием ограждающих конструкций вагона, ускорит процесс нахождения неплотностей в теплоизоляции, что улучшит микроклимат внутри вагона и повысит экономичность работы его систем жизнеобеспечения.

Список литературы

1. Жариков, В. А. Климатические системы пассажирских вагонов [Текст] / В. А. Жариков. - М.: ТрансИнфо, 2006. - С. 10 - 21.

2. Матяш, Ю. И. Перспективы развития систем индивидуального регулирования микроклимата в пассажирских вагонах железнодорожного транспорта [Текст] / Ю. И. Матяш, А. Д. Родченко // Материалы VI науч.-практ. конф. «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 152 - 156.

3. Техническая диагностика вагонов [Текст] / Р. А. Ахмеджанов, В. Ф. Криворудченко и др. / Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - М., 2013. -С. 67 - 80.

References

1. Zharikov V. A. Klimaticheskie sistemy passazhirskikh vagonov (Climate systems for passenger cars). Moscow: Translnfo, 2006, pp. 10 - 21.

2. Matiash Iu. I.Prospects for the development of systems of individual control of microclimate in the passenger rail transport wagons [Perspektivy razvitiia sistem individual'nogo reguli-rovaniia mikro-klimata v passazhirskikh vagonakh zheleznodorozhnogo transporta]. Materials VI scientific-practical conference «Innovative projects and new technologies in education, industry and transport» (Materialy VI nauchno-prakticheskoi konferentsii «Innovatsionnye proekty i novye tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte»). - Omsk, 2012, pp. 152 - 156.

3. Akhmedzhanov R. A., Krivorudchenko V. F. Tekhnicheskaia diagnostika vagonov (Technical diagnostics of cars). Moscow: Training Center on Education for iron-nodorozhnom transport, 2013, pp. 67 - 80.

УДК 629

Ю. И. Матяш, Ю. М. Сосновский, А. Г. Петракова

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Показано, что в процессе эксплуатации под воздействием повышенных знакопеременных нагрузок происходит изменение физико-механических свойств металлов, которое приводит к снижению ударной вязкости. Предлагается новый подход для оценки остаточного ресурса тяжелонагруженных деталей и узлов грузовых вагонов железнодорожного транспорта на основе изучения структурных изменений металлов в процессе их

12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _