УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности, к устройствам для бесконтактной тепловой (инфракрасной) диагностики буксовых узлов подвижного состава в пути следования.
б
б
б
в
Известные устройства для бесконтактной тепловой диагностики буксовых узлов подвижного состава основаны на преобразовании мощности инфракрасного (ИК) излучения корпусов букс в электрические сигналы с последующей математической и логической обработкой этих сигналов по различным алгоритмам для оценки работоспособности буксовых узлов в процессе эксплуатации [1]. При использовании термисторных приемников излучения - болометров мощность воспринимаемого от букс излучения W и электрического сигнала dU на выходе измерительного тракта в соответствии с законом Стефана-Больцмана при прочих равных условиях зависит от разности четвертых степеней абсолютных (по шкале Кельвина) температур корпусов букс T и температуры наружного воздуха Т
w
б
где К - коэффициент преобразования мощности теплового излучения W в напряжение на выходе приемника, В/Вт;
ε - степень черноты излучающей поверхности буксы;
4
σ - постоянная излучения Стефана-Больцмана, Вт/К;
б
T - температура сканируемого участка корпуса буксы. К;
в
Т - температура наружного воздуха. К;
б
б
В процессе сканирования буксовых узлов средствами теплового контроля мощность воспринимаемого приемником ИК излучения пропорциональна разности температур поверхности буксы и рамы тележки или кузова вагона, подверженных различному воздействию внешних факторов (солнечного излучения, влажности воздуха, интенсивности обдува встречным потоком воздуха и т.д). Искомые значения избыточной dt или истинной t температуры контролируемой буксы по шкале Цельсия чаще всего вычисляют по формуле (2) с учетом результатов периодической калибровки измерительных трактов средств теплового контроля по эталонным источникам излучения с известной температурой, измеренной контактными термометрами
б
где k - коэффициент калибровки тракта измерения температуры букс, °С/В;
в
k - коэффициент калибровки тракта измерения температуры воздуха, °С/В.
б
б
б
б
в
в
б
б
в
б
tб
Измеренные по мощности ИК излучения W букс из-за нелинейности зависимости от разности абсолютных температур по шкале Кельвина  абсолютные t и избыточные температуры букс dt=t-t по шкале Цельсия существенно зависят от температуры воздуха t (фиг.1 - по основной вертикальной оси отложены значения температуры буксы t и dt, по вспомогательной оси справа - интегральная плотность излучения букс Fб, а по горизонтальной оси - температура наружного воздуха t.). Из теории и практики известно, что анализ измеренных значений истинной t (или абсолютной по шкале Цельсия) и относительной температуры буксы d позволяет извлечь при соответствующей математической и логической обработке этих данных важную диагностическую информацию о техническом состоянии подшипников и буксового узла в целом в различных условиях эксплуатации подвижного состава [1]. В современных средствах теплового контроля буксовых узлов принятие решения о работоспособности буксовых узлов осуществляется по нескольким критериям в различных сочетаниях:
б
1) по абсолютному значению температуры корпуса буксы t,
б
2) по превышению температуры корпуса буксы над температурой окружающей среды dt;
б.ось
3) по разности температур букс на одной оси колесной пары (Δt);
б.стор
бi
ср
4) по разности температуры контролируемой буксы со средним значением температур остальных букс по стороне вагона (Δt=t-t).
б
б
б
б
в
б
Критерии №1 и №2 чаще всего используются для предотвращения аварийных ситуаций при перегреве подшипников, а критерии №3 и №4 - для диагностического контроля с целью выявления буксовых узлов в начальной стадии развития неисправности, когда значения температур t и dt существенно ниже предельно допускаемых в эксплуатации значений. Из приведенных графиков видно, что при незначительных изменениях плотности ИК излучения (кривая «а» - красного цвета) в рабочем диапазоне температур окружающего воздуха абсолютные t (кривая «b» - синего цвета) и относительные dt (кривая «с» - серого цвета) температуры корпусов букс с неисправными подшипниками при крайних значениях температуры воздуха существенно отличаются от средних значений (при t=0°С). Наибольшая разница по зависимости от температуры воздуха имеет место для абсолютных температур корпусов букс t. Отсюда следует вывод о важности измерения с заданной точностью в процессе теплового контроля подвижного состава не только температуры корпусов буксы, но и температуры окружающего воздуха. По этой причине все современные средства теплового контроля буксовых узлов оснащаются датчиками температуры наружного воздуха (ДТНВ).
На фиг.2 приведена структурная схема известных средств теплового контроля буксовых узлов - на примере отечественного комплекса технических средств КТСМ [2]. Обычно эти устройства содержат размещенные с обеих сторон рельсового пути 1 датчики 2 наличия поезда на контрольном участке, напольные камеры 3 и 4 с приемниками ИК излучения, ориентированными под различными углами к горизонту и к оси пути на наиболее информативные зоны корпусов букс (поз.3) и ступиц колес (поз.4), датчики фиксации прохода колесных пар 5 для стробирования зон контроля буксовых узлов, счета осей и физических единиц движущегося подвижного состава, постовое оборудование с микропроцессорным контроллером 6, источники питания 7, технологический пульт 8 для ручного управления процессом калибровки измерительных трактов (поз.3 и 4) и датчик температуры воздуха 9. В качестве анализирующего и регистрирующего оборудования - автоматизированного рабочего места (АРМ ЛПК) используются персональные микро-ЭВМ 10 со специализированным прикладным программным обеспечением, определяющим состояние буксовых подшипников по результатам анализа тепловых сигналов в вольтах или в условных единицах - квантах от всех буксовых узлов подвижной единицы (вагона или локомотива). Диагностическая информация на АРМ ЛПК 10 поступает от микропроцессора 6 перегонного поста контроля по модемным каналам связи 11 через концентратор информации 12.
w
б
в
б
б
б
Недостатком известных устройств является то, что в них датчики температуры наружного воздуха 9 используется либо в качестве источника вспомогательной информации о температуре воздуха в момент контроля поезда (для сведения), либо, чаще всего, в качестве управляющего звена в цепи автоматической коррекции коэффициента преобразования К теплового излучения букс в электрические сигналы dU [3], а данные о температуре воздуха t не используются в алгоритмах обработки диагностической информации для непосредственного вычисления абсолютных и относительных температур букс t, dt и Δt.
в
0
Это связано с недостаточной точностью измерения температуры воздуха (+-5…10%) известными ДТНВ, используемыми в средствах теплового контроля буксовых узлов и расхождением данных измерений температуры воздуха t, измеренных ДНТВ с температурой окружающей среды t (элементы кузовов и ходовых частей вагонов или локомотивов), на инфракрасном фоне которой в процессе движения поезда выделяются более нагретые буксы. На показания ДТНВ существенное влияние оказывают: тепловое излучение стен поста контроля, особенно в зимний (отапливаемый) период года; конструктивное оформление и крепление на стене перегонного поста контроля; расположение по сторонам света, т.е. влияние солнечной радиации; направление и скорость ветра, в том числе воздушные потоки от движущегося поезда, расстояние от поверхности земли и др.
Согласно предлагаемому техническому решению, заявленному авторами в качестве полезной модели устройства для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава, в ДТНВ 9 частично использован принцип аспирационного психрометра.
Отличительной особенностью устройства для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава (полезной модели) является то, что между датчиком температуры воздуха 9, приемниками ИК-излучения (поз.3 и 4) и микропроцессорным контроллером 6 включены аналого-цифровые преобразователи 13, а собственно датчик температуры воздуха (ДТНВ) 9 помещен в специальный контейнер 14 (фиг.3), который крепится посредством кронштейна 15 к стене помещения поста контроля 16, в котором размещается постовое (перегонное) оборудование средств контроля буксовых узлов (фиг.2) на определенной высоте от поверхности земли (фиг.3).
Контейнер 14 с датчиком температуры 9 выполнен в виде полого металлического корпуса 17 прямоугольного сечения (фиг.4) и снабжен тепловым экраном 18, сетчатым фильтром 19 снизу, а сверху контейнер снабжен дефлектором 20, датчиком потока воздуха 21 и вентилятором 22, а также разъемами 23 и 24 для подключения кабелей 25 питания, кабеля управления узлами контейнера и кабеля датчика температуры воздуха 9 к микропроцессорному контроллеру 6 постового оборудования (фиг.2).
в
о
в
Вентилятор 22 создает принудительный обдув датчика температуры 9, что улучшает теплообмен между датчиком и воздушной средой и максимально приближает показания датчика температуры t к температуре окружающей среды t (t) в зоне теплового контроля буксовых узлов подвижного состава. Датчик потока воздуха 21 контролирует работу вентилятора 22 - при отсутствии потока воздуха, создаваемого вентилятором, он формирует аварийный сигнал о возникшей в ДТНВ неисправности с выдачей информации на АРМ ЛПК для своевременного принятия мер к ее устранению.
Дефлектор 20 служит для исключения влияния сильных порывов ветра и атмосферных осадков на аэродинамическую ситуацию внутри контейнера 14. Сетчатый фильтр-решетка 19 предотвращает попадание во внутреннюю полость контейнера посторонних предметов (в т.ч. насекомых), способных повлиять на работоспособность всего устройства.
Использование специализированного контейнера аспирационного типа позволяет существенно повысить достоверность информации, получаемой с датчика ДТНВ-2, путем снижения влияния на показания датчика внешних факторов, таких как: солнечное излучение, тепловое излучение наружной поверхности стены помещения пункта контроля, восходящие вдоль стены потоки прогретого воздуха и др.
Заявленное устройство изготовлено в опытных образцах, апробировано в условиях эксплуатации в составе комплексов средств контроля теплового состояния буксовых узлов подвижного состава (КТСМ) в различных климатических зонах железных дорог России. Погрешность измерения температуры воздуха и температур контролируемых букс не превышает 2°С. При использовании известных устройств для измерения температуры воздуха типа ДТНВ [1-3] погрешность измерения температуры воздуха в дневное время суток может изменяться от 3°С в при отсутствии солнечной радиации и до 10°С в при солнечном освещении поста контроля, что неприемлемо для достоверной оценки теплового состояния буксовых узлов подвижного состава с разнотипными подшипниками при реализации различных алгоритмов диагностирования подшипников по шкале градусов Цельсия. Список использованных источников
1. Трестман Е.Е., Лозинский С.Н., Образцов В.Л. Автоматизация контроля буксовых узлов в поездах. - М.: Транспорт, 1983. - 352 с.
2. Миронов А.А., Тагиров А.Ф. Применение комплексов КТСМ в современных условиях. - Автоматика, связь, информатика. 2002, №9, с.5-9.
3. Троицкий В.Н. Способ автоматического обнаружения перегретых букс подвижного состава. А.с. 863451, СССР, заявл. 18.09.79, №2819157/27-116 опубл. в Б.И., 1981, №34, МКИ В61К 9.06.