Реализация комплексной системы бесконтактноготеплового контроля узлов тепловозов

УДК 629.424.3:621.436

С. М. Овчаренко, О. В. Балагин, Д. В. Балагин

РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ УЗЛОВ ТЕПЛОВОЗОВ

В статье рассмотрены этапы реализации комплексной системы бесконтактного теплового контроля основных узлов и систем тепловозов. Представлены разработанные методики оценки технического состояния секций холодильников, электрических машин и топливной аппаратуры высокого давления тепловозов с использованием тепловизионного метода контроля.

Реформа ОАО «РЖД» направлена на повышение эффективности работы всех звеньев единого комплекса - перевозочного процесса. В этом процессе локомотивное хозяйство занимает одно из ведущих мест. Сложившаяся в настоящее время ситуация с техническим состоянием парка тепловозов требует решения ряда важных технических задач, связанных с повышением эффективности их использования. Сохранение на этом этапе эксплуатации тепловозного парка необходимого уровня его надежности во многом зависит от тех технологий, которые применяются как в ремонтном производстве, так и в процессе диагностирования узлов и систем тепловозов.

В последнее время на кафедре «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения активно развивается направление диагностирования узлов и систем тепловоза тепловыми методами контроля.

С целью реализации комплексной системы бесконтактного теплового контроля основных узлов и систем тепловозов на первом этапе в результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики для оценки технического состояния секций холодильников, электрических машин и топливной аппаратуры высокого давления тепловозов с использованием тепловизионного метода контроля.

Экономичная работа тепловозов в условиях эксплуатации во многом зависит от технического состояния элементов топливной аппаратуры высокого давления. В процессе работы основные элементы топливного насоса высокого давления (ТНВД) (плунжерная пара, нагнетательный клапан) и форсунки (прецизионная пара «игла - корпус», щелевой фильтр) подвержены износу и засорению абразивными частицами. В результате ухудшается качество рабочего процесса в цилиндре дизеля, снижается уровень вырабатываемой цилиндровой мощности, повышается удельный эффективный расход топлива и сокращается ресурс дизеля в целом. Оперативный бесконтактный контроль с минимумом вспомогательных операций и затрат времени позволяет избежать перечисленных выше последствий.

В качестве диагностического параметра для оценки технического состояния ТНВД и форсунки принято значение температуры поверхности трубопровода топливной системы высокого давления tj.

Тепловизионные измерения необходимо производить при режиме теплопередачи, близком к стационарному. Стационарность процесса достигается путем прогрева дизеля на номинальной позиции контроллера машиниста в течение 15 - 30 мин до стабилизации значений температуры воды и масла дизеля. В процессе проведения испытаний необходимо фиксировать значение температуры наружного воздуха. Далее останавливается дизель-генераторная установка и проводятся операции термографирования.

Алгоритм обработки результатов термографирования и выдачи заключения о техническом состоянии топливной аппаратуры (ТА) тепловоза представлен на рисунке 1.

Процесс контроля рекомендуется проводить при нахождении тепловоза на территории локомотивного депо до или после ТО-3, ТР-1, ТР-2 и ТР-3. Проведенный контроль позволит вовремя выявить ТНВД и форсунки, не обеспечивающие необходимый рабочий процесс дизеля, что даст возможность оперативно восстановить необходимые мощностные, экономические и экологические характеристики тепловозного дизеля.

№204(240) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 35

Кроме того, оперативный контроль технического состояния ТА позволит оценить качество ремонта и в случае необходимости принять соответствующие меры для улучшения технического состояния топливной системы тепловоза.

Для определения расчетным способом температуры поверхности стенки топливной трубки высокого давления /-го цилиндра введено обозначение - расчетное нормативное значение температуры поверхности трубопровода исправной топливной системы при]-й температуре.

Полученные результаты математического моделирования температуры поверхности топливного трубопровода высокого давления [1] показывают, что отклонение температуры поверхности трубопровода топливной системы с неисправным ТНВД от температуры поверхности трубопровода с исправной топливной системой находится в пределах от 10,4 до 14,3 %. В качестве граничного значения отклонения температуры трубопровода топливной системы с неисправным ТНВД принято значение 10 %.

Отклонение температуры поверхности трубопровода топливной системы с неисправной форсункой от температуры поверхности трубопровода с исправной топливной системой находится в пределах от 5,8 до 9,2 %. В качестве граничного значения отклонения температуры трубопровода топливной системы с неисправной форсункой принято значение 5 %.

Да

Неисправна форсунка

Конец

Рисунок 1 - Алгоритм обработки результатов термографирования ТА дизеля

Для практической реализации предложенной технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры разработано программное обеспечение в среде программирования Delphi 7 (рисунок 2).

а

б

Рисунок 2 - Программный комплекс технологии тепловизионного контроля технического состояния

топливной аппаратуры тепловозных дизелей

Результаты практического применения технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры представлены на рисунке 3.

Повышение надежности электрических машин (в том числе тяговых электродвигателей (ТЭД)) в условиях эксплуатации также способствует сокращению количества отказов в пути следования и неплановых ремонтов тепловозов.

№ 4(20) 2014

температура окружающей среды /окр = +5,0 °С; ТА в удовлетворительном техническом состоянии;

4

/

\ / ¡Щ

^41,5 1

температура окружающей среды 4кр = +5,1 °С; неисправен ТНВД 6 цилиндра дизеля - износ плунжерной пары

в г

Рисунок 3 - Термограммы нагнетательных трубопроводов дизеля ПД1М тепловоза ТЭМ-2 № 6124 (режим работы дизеля - 8 п.к.м.): а, б - при температуре окружающей среды 4кр = +5,0 °С и ТА в удовлетворительном техническом состоянии; в, г - при /окр = +5,1 °С и неисправности ТНВД 6 цилиндра дизеля -

износе плунжерной пары

Значительное число отказов ТЭД происходит по причине выплавления припоя из петушков коллектора - 13 % от общего числа отказов. Этот вид неисправностей возникает вследствие того, что двигатель загружается крайне неравномерно, что в свою очередь приводит к большим колебаниям температуры якоря электрической машины. Возникновению случаев отказов ТЭД способствует и повышенный уровень вибрации ТЭД в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В результате математического моделирования работы ТЭД [2, 3] предложен и обоснован новый диагностический параметр - перепад между температурой на поверхности коллектора и температурой на поверхности коллекторного петушка Д^. В итоге установлены функциональные зависимости между техническим состоянием якоря тягового электродвигателя и перепадом температуры между поверхностью коллектора и поверхностью коллекторного петушка. Установлено критическое значение степени пропайки контактного соединения, при которой может произойти отказ тягового электродвигателя.

Формирование заключения о техническом состоянии паяных соединений якоря производится в соответствии с алгоритмом, представленным на рисунке 4 [4].

Так как в настоящее время на производстве при проведении приемосдаточных испытаний ТЭД отсутствуют средства, позволяющие достоверно оценить техническое состояние рассматриваемых соединений, рекомендуется производить тепловизионный контроль после прохождения ремонта в объеме ТР-3, СР и КР не только на ТЭД постоянного тока, имеющих паяное соединение коллекторного петушка с выводами якорной обмотки, но и на ТЭД, у которых данный вид соединения выполнен при помощи сварки, поскольку в контакте петушка с выводами обмотки якоря, выполненного при помощи сварки, вследствие воздействия эксплуатационных факторов, снижающих надежность ТЭД, также возможно нарушение целостности контакта.

№ 4(20) 2014

а

Результаты практического применения методики оценки технического состояния якоря электрической машины (ЭМ) представлены на рисунке 5.

Устойчивая эксплуатация тепловозов во многом зависит от качества функционирования системы охлаждения, эффективность которой в процессе эксплуатации снижается, что приводит к работе дизеля при повышенной температуре теплоносителей, к понижению надежности локомотивов, к ограничению мощности силовой установки и, как следствие, к ухудшению топливной экономичности дизеля. Значительный вклад в решение данной проблемы внесли А. И. Володин, В. А. Перминов, В. Г. Григоренко, Н. И. Панов, А. П. Третьяков, Ю. А. Куликов и др.

Основными элементами системы охлаждения тепловоза, определяющими эффективность ее работы, являются секции холодильника. В процессе эксплуатации теплорассеивающая способность отдельных секций холодильника тепловозов снижается [5]. Следовательно, необходимо проводить периодический оперативный контроль технического состояния холодильника тепловоза с целью выявления неисправных секций.

Область локального перегрева

Начало

X

Определение 111 ' и 11 коллект.

Нанести метку а дефектное соединение

£

Ъ = Ъ + 1

ш

Паяное соединение

Якорь в состоянии неисправности

Конец

Якорь в норме

Т

Рисунок 4 - Алгоритм оценки технического состояния якоря ЭМ

б

Рисунок 5 - Термограммы 4-го и 3-го секторов якоря после 15 мин прогрева: а - группа петушков коллектора и выводов якорной обмотки с повышенной температурой нагрева; б - область равномерного распределения температуры по коллектору и выводам якорной обмотки

а

Ввод

Продувка радиатора воздухом

у

Установка начальных условий

Диагностирования: /п = 88 - 90 оС; и2 = 68 - 70 оС

Г

Определение

1 " П1

По результатам проведенных исследований обоснован и предложен новый диагностический параметр для проведения тепловизионного контроля секций холодильника тепловоза -температурный напор стенки трубки секции Д/п7 [5].

Алгоритм оценки технического состояния системы охлаждения тепловозов представлен на рисунке 6.

Процесс диагностирования рекомендуется проводить при нахождении тепловоза на станции реостатных испытаний на ТР-2 и ТР-3. Диагностика на ТР-2 позволит вовремя выявить секции, не обеспечивающие необходимую теп-лорассеивающую способность, и тем самым предотвратить увеличение отбора мощности на привод вентилятора, исключить увеличение расхода топлива на 1 - 1,5 % и не допустить возможного перегрева дизеля в эксплуатации [5].

На втором этапе реализации комплексной системы бесконтактного теплового контроля необходимо разработать единую термодинамическую модель тепловоза с целью исследования тепловых режимов его узлов и систем в различном техническом состоянии; разработать единую методику бесконтактного теплового контроля тепловозов; создать необходимое программное обеспечение для оперативной обработки результатов термографиро-вания и формирования заключения.

Реализация поставленных задач позволит разработать энергетический паспорт тепловоза и выполнить оценку эффективности его внедрения в комплексной системе менеджмента качества.

Результаты методики оценки технического состояния системы охлаждения тепловозов представлены на рисунке 7.

Радиатор /-го контура в норме

3 "

¿i секций снять и промыть

I

Вывод результатов

Рисунок 6 - Алгоритм оценки технического состояния системы охлаждения тепловоза

б

Рисунок 7 - Термограммы укороченной секции первого контура: а - техническое состояние в пределах нормы; б - смятие пластин оребрения

а

№204(20) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 39

Список литературы

1. Балагин, Д. В. Математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей [Текст] / Д. В. Балагин, О. В. Балагин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2013. -№ 4 (16). - С. 9 - 13.

2. Володин, А. И. Тепловизионный контроль технического состояния узлов подвижного состава [Текст] / А. И. Володин, О. В. Балагин, В. К. Фоменко // Наука и техника транспорта / РОАТ «МИИТ». - М. - 2009. - № 1. - С. 27 - 31.

3. Володин, А. И. Моделирование тепловых процессов в якоре электрической машины постоянного тока [Текст] / А. И. Володин, О. В. Балагин, В. К. Фоменко // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт 2008» / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2008. - С. 7 - 11.

4. Володин, А. И. Разработка технологии тепловизионного контроля технического состояния паяных соединений якоря тягового электродвигателя [Текст] / А. И. Володин, О. В. Балагин, В. К. Фоменко // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. -Екатеринбург. - 2009. - № 4 (23). - С. 21 - 24.

5. Балагин, О. В. Разработка технологии тепловизионного контроля технического состояния секций холодильников тепловозных дизелей [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 05.22.07 / Балагин Олег Владимирович. - Омск, 2005. - 165 с.

References

1. Balagin D. V., Balagin O. V. Mathematical models process of heating fuel pipeline high pressures of diesel engines fuel equipment of [Matematicheskaia model' protsessa nagreva top-livnogo truboprovoda vysokogo davleniia toplivnoi apparatury teplovoznykh dizelei]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2013, no. 4 (16), pp. 9 - 13.

2. Volodin A. I., Balagin O. V, Fomenko V. K. Thermovision control technical conditions knots of a rolling stock [Teplovizionnyi kontrol' tekhnicheskogo sostoianiia uzlov podvizhnogo sostava]. Nauka i tehnika transporta - Science and Technology of Transport., 2009, no. 1, pp. 27 - 31.

3. Volodin A. I. Modelirovanie teplovykh protsessov v iakore elektricheskoi mashiny postoian-nogo toka [Modeling of thermal processes in an anchor of the electrical machines direct current]. Trudi Vserossiiskoy nauchno-prakticheskoi konferencii «Transport-2008» (Works of the All-Russian scientific and practical conference «Transport 2008»). Rostov on Don, 2008, рр. 7 - 11.

4. Volodin A. I., Balagin O. V, Fomenko V. K Development of technology thermovision controls of technical condition solder connections of an anchor traction electric motors [Razrabotka tekhnologii teplovizionnogo kontrolia tekhnicheskogo sostoianiia paianykh soedinenii iakoria ti-agovogo elektrodvigatelia]. Transport Urala - Transport of the Urals, 2009, no. 4 (23), pp. 21 - 24.

5. Balagin O. V. Razrabotka tekhnologii teplovizionnogo kontrolia tekhnicheskogo sostoianiia sektsii kholodil'nikov teplovoznykh dizelei (Development technology of thermovision control technical condition of diesel engines sections refrigerators). Phd's thesis, Omsk, OSTU, 2005, 165 р.

УДК 629.47:658.2

С. М. Овчаренко, В. А. Минаков, В. Р. Ведрученко

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ ИДЕНТИФИКАЦИИ КАТАСТРОФИЧЕСКОГО ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЯ

Приводятся результаты исследования возможности применения искусственных нейронных сетей в задачах идентификации предотказного состояния дизеля типа Д49 по результатам спектрального анализа кар-