автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Научные и технические основы бесконтактного теплового контроля букс железнодорожного подвижного состава

□03484913

На правах рукописи

НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ БУКС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 6 НОЯ 2009

Екатеринбург 2009

003484913

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральском государственном университете путей сообщения» на кафедре «Вагоны».

Научный консультант доктор технических наук, доцент

ПАВЛЮКОВ Александр Эдуардович

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты: АНИСИМОВ Петр Степанович

доктор технических наук, профессор СЕРГЕЕВ Борис Сергеевич

доктор технических наук, профессор ТРЕТЬЯКОВ Александр Владимирович

Ведущая организация Научно - исследовательский и проектно-

конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО «НИИАС»)

Защита диссертации состоится «25» декабря 2009г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д. 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, Колмогорова 66, ауд. 283. fax (343) 358-55-02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «_ » Jc&oe^j 2009 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес ученого совета университета (fax (343) 358-55-02).

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В. Р. АСАДЧЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На железнодорожном транспорте Российской Федерации на буксовый узел приходится до 60 % от общего количества браков по вагонному хозяйству и от 25 до 50 % отцепок вагонов в период гарантийного срока после деповского или капитального ремонта. По данным ОАО «ВНИИЖТ» в первый месяц эксплуатации выходит из строя до 35 % буксовых узлов, в первую очередь, по дефектам смазки и грубым нарушениям технологии монтажа. В последующие месяцы растут отцепки по дефектам смазки, торцевого крепления, повреждениям колец подшипника, роликов и сепаратора. Значительная часть неисправностей буксового узла связана с повышением его нагрева с различной интенсивностью.

Контроль состояния буксовых узлов в эксплуатации производится визуально на пунктах технического обслуживания осмотрщиками вагонов, а на перегонах и подходах к пунктам технического обслуживания (ПТО) -напольными бесконтактными средствами теплового контроля (СТК) по инфракрасному (ИК) излучению от букс проходящих поездов. По существу, СТК являются основным аппаратным средством контроля буксовых узлов на российских железных дорогах и большинстве зарубежных дорог.

Данные системы контроля технического состояния подвижного состава позволяют своевременно выявлять появляющиеся в процессе эксплуатации неисправности ходовых частей подвижного состава и, тем самым, предупредить возникновение необратимых отказов, способных привести к авариям и крушениям.

Широкое применение СТК в деле обеспечения безопасности движения ставит большое количество вопросов в процессе проектирования, эксплуатации и совершенствования СТК и подвижного состава, решение которых требует проведения теоретических и экспериментальных исследований. Однако исследования в данной области носят разрозненный характер, касающийся или объекта диагностирования - буксы, или вопросов совершенствования оборудования СТК. Необходим системный подход к организации и проведению исследований.

Цель исследования. Данное исследование посвящено развитию научных и технических основ бесконтактного теплового контроля букс в движущихся поездах.

В соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы следующие задачи:

1. Разработать метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

2. Разработать комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля букс и его вычислительную реализацию для имитационного моделирования всего процесса контроля.

3. Разработать на базе созданных математических моделей методику

оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

4. Провести экспериментальные исследования теплового состояния буксового узла в эксплуатационных и стендовых условиях, выполнить экспериментальную оценку достоверности моделей и целесообразности реализованных технических решений в усовершенствованных средствах теплового контроля.

5. Выполнить теоретические исследования на моделях для решения технических задач, возникающих при эксплуатации и совершенствовании бесконтактного теплового контроля.

6. Предложить расчетно-апостериорную модель статистического характера для распознавания класса неисправных букс и выбора пороговых значений теплового контроля.

7. Разработать и реализовать основные положения создания распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов в движущихся поездах с многоуровневой передачей и обработкой информации.

8. Предложить программно-технические решения по созданию систем теплового бесконтактного контроля букс и совершенствования технологии контроля системами, находящимися в эксплуатации.

Решение этих задач позволит повысить эффективность контроля нагрева букс подвижного состава в пути следования, что является важнейшим условием повышения безопасности движения поездов на сети железных дорог РФ.

Методика исследования. Общая методика исследований построена на использовании методов теплопередачи и теплообмена, конечного элемента (МКЭ), имитационного моделирования, методах теоретической механики, виртуального трехмерного моделирования, идентификации, аналитической геометрии, статистики и теории вероятности, теплотехнических контактных и бесконтактных измерений, объектно-ориентированного программирования, компьютерных технологий, испытаний в реальных условиях и на стендах, обобщении современных тенденций развития СТК.

Достоверность исследования основана на использовании при оценке корректности разработанных моделей теплового контроля результатов проведенных испытаний буксовых узлов на стендах (расхождение результатов расчетов и данных измерений не более 10 %) и на вагонах в реальных условиях эксплуатации, а также результатов периодически проводимых статистических анализов уровней нагрева букс в общесетевой эксплуатации на дорогах ОАО «РЖД».

Обоснованность результатов исследований достигается комплексным использованием проверенных практикой теоретических и эмпирических методов исследования, а модели процесса теплового контроля согласуются с опытом создания и совершенствования средств теплового контроля.

Обоснованность реализованных технических решений средств тепло-

вого контроля оценивалась сопоставлением показаний, полученных СТК бесконтактным способом с контактными измерениями температур буксовых узлов в зоне контроля (среднее расхождение измерений составляет не более 6%), а также положительными результатами подконтрольной эксплуатации на сети дорог ОАО «РЖД».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

2. Комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля, интегрирующий моделирование следующих процессов: действия нагрузок на буксовый узел во время движения вагона; выделения тепла в зонах трения; распространения тепловых потоков от подшипников к шейке оси и к наружным поверхностям, доступным для теплового контроля зон корпусов букс; излучения тепловой энергии с поверхности буксы в ИК области спектра; восприятия ИК излучения приемником напольных средств контроля при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды с учетом различных геометрических параметров корпусов букс и характера ориентации сканирующей системы.

3. Методика выбора пороговых значений признаков работоспособного состояния букс.

4. Разработка и применение для различного подвижного состава методики оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

5. Результаты экспериментальных исследований температурных режимов буксовых узлов с различными типами подшипников, находящихся в работоспособном и предаварийном состояниях, проведенных на стенде, в поездных условиях и в процессе подконтрольной эксплуатации.

6. Теоретические результаты, полученные на моделях:

- особенности распределения тепловых потоков от подшипников к потенциальным зонам контроля на корпусах букс разнородного подвижного состава;

- оценка влияния нагрева ободов, дисков и ступиц колес при колодочном торможении и осей колесных пар при дисковом торможении на нагрев подшипников и корпусов букс в контролируемых зонах;

- характер нагрева буксовых узлов в аварийных режимах работы с наличием различных неисправностей.

7. Программно-технические решения, реализованные при создании средств теплового контроля нового поколения КТСМ-02, совершенствовании контроля базовыми средствами КТСМ-01, разработке и эксплуатации отраслевой распределенной системы контроля и мониторинга нагрева букс.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен новый метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коничес-

кими роликоподшипниками, основанный на:

- имитационном моделировании всего процесса бесконтактного теплового контроля;

- комплексных экспериментальных исследованиях температурных режимов буксовых узлов в работоспособном состоянии и при наличии основных предаварийных неисправностей;

- распознавании класса неисправных букс при тепловом контроле с учетом опытных данных.

2. Впервые создан комплекс связанных математических моделей бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

Комплекс включает следующие математические модели, разработанные в рамках исследования и имеющие научную новизну:

- термомеханическая модель функционирования буксового узла, которая позволяет моделировать процесс образования тепла в роликоподшипниках цилиндрического и конического типа при рабочих и аварийных режимах, теплопередачу в буксовом узле и теплоотдачу во внешнюю среду в зависимости от нагрузок на буксовый узел и скорости движения вагона;

- математическая модель пространственного сканирования буксы приемником ИК излучения при проследовании поезда, позволяющая получить траекторию сканирования буксы любой заданной геометрии при любых углах ориентации приемника ИК излучения;

- математическая модель ИК излучения с зоны сканирования буксового узла, передачи лучистой энергии на приемник ИК излучения и определение уровня сигнала излучения, соответствующего относительному и абсолютному нагреву буксового узла.

3. Предложена апостериорная модель статистического характера для распознавания класса неисправных букс при тепловом контроле и выбора контрольных значений признаков оценки работоспособного состояния букс.

4. Впервые на базе комплекса моделей бесконтактного теплового контроля разработана методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в следующем:

1. Для имитационного моделирования разработана вычислительная реализация комплекса математических моделей бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов. Это позволяет проводить численные исследования процессов теплового контроля и разрабатывать рекомендации по созданию новых систем теплового контроля и совершенствования технологии контроля базовыми системами, существенно сократив объем экспериментальных исследований.

2. На базе созданных математических моделей реализована методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс, которая может быть использована на

стадии проектирования нового подвижного состава для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля. Методика апробирована для скоростного пассажирского и тягового подвижного состава и позволила обосновать внедрение на основных магистралях страны конкретные технические решения и алгоритмы теплового контроля.

3. Теоретически и экспериментально получено подтверждение того, что полностью исключить случаи несвоевременного обнаружения аварийного разрушения подшипников при часто встречающихся неисправностях буксового узла (нарушение торцевого крепления подшипников со сдвигом корпуса буксы и ослабление посадки внутреннего кольца подшипника) только средствами теплового контроля нельзя.

4. На основе полученных и научно обоснованных в работе предложений создания и модернизации систем теплового контроля букс разработано техническое обеспечение принципиально новой многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава КТСМ-02 с возможностями подключения к ней подсистем контроля других параметров технического состояния подвижного состава.

5. С учетом структуры и принципов обслуживания подвижного состава в пути следования разработана и программно-аппаратно реализована, на базе оборудования КТСМ, распределенная система теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов (АСК ПС) отраслевого назначения.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных в диссертации исследований использованы при разработке системы теплового контроля КТСМ-02, совершенствовании установок КТСМ-01 для контроля букс разнотипного подвижного состава, для разработки таблиц настройки порогов тревожной сигнализации СТК и применения их на сети ОАО «РЖД». К концу 2008 г. доля КТСМ в общем количестве СТК на дорогах России составляла 100 %, из них доля КТСМ-02 составляла 33 %. Распределенная система теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов АСК ПС внедрена на 17 дорогах сети ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные положения работы изложены и одобрены на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, УрГУПС, 2003 г.); на 4, 5, 6, 7-ой научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2003-2006гг.); на 3-й и 5-й научно-технических конференциях «Подвижной состав XXI века (Идеи. Требования. Проекты)» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2003,2005 гг.); на ЬХУ1 Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, ДИИТ, 2006 г.); на НТС ОАО РЖД (29.08.08); на НТС секции ученого совета ФГУП ВНИИЖТ; на научно-технических совещаниях при старшем вице-президенте ОАО «РЖД» В. А. Гапановиче (2004-2009 гг.), посвященных проблемам теплового контроля букс подвижного состава; на НТС филиала ОАО «РЖД» «Свердловская железная дорога» в 2006 г.; на заседании

лаборатории колесных пар и буксового узла ФГУП ВНИИЖТ; на семинарах кафедры «Вагоны» УрГУПС в 2001-2009 гг.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 40 научных работах, опубликованных в журналах «Железнодорожный транспорт», «Вестник ВНИИЖТ», «Транспорт, наука, техника, управление», «Транспорт Урала», «Локомотив», «Автоматика, связь, информатика», «Тяжелое машиностроение», «Вагоны и вагонное хозяйство», научных трудах РАН, МИИТ, УрГУПС, и материалах конференций всероссийского и международного уровней. По теме исследований получено 3 патента РФ на изобретения и одно положительное решение на выдачу патента на изобретение.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов с выводами в каждой из них, заключения, библиографического списка, включающего 182 наименований, изложена на 362 страницах основного текста, включающего 173 рисунка в тексте, два приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности разрабатываемой в диссертации научной проблемы, показывает ее народнохозяйственное значение. Большое внимание уделяется вопросам теплового контроля букс подвижного состава, так как он обеспечивают предотвращение аварийных ситуаций, связанных с неисправностями буксового узла ходовых частей.

В первом разделе дан краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований тепловых процессов в буксовых узлах, выполнен анализ конструктивных особенностей буксовых узлов и рам тележек, влияющих на тепловой контроль, а также анализ технических решений систем бесконтактного теплового контроля букс и основных направлений их совершенствования, сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Исследованиям работоспособности в эксплуатации буксовых узлов с подшипниками трения скольжения и трения качения, повышению надежности буксового узла, анализу конструкции посвящены работы российских ученых П.С. Анисимова, В.Н. Белоусова, П.П. Бомбардирова, И.А. Буше, Г.Ф. Гусева, В.И. Донских, О.М. Савчука, С.Г. Иванова, Ю.М. Казанцева, Л.А. Колосова, H.H. Кудрявцева, В.В. Лукина, В.В. Новикова, В.Л. Образцова, М.В. Орлова, А.И. Полякова, C.B. Петрова, В.Н. Цюренко, С.Х. Флю-менбаума, В.Я. Френкеля, П.С. Юракова.

Разработке принципов комплексного контроля технического состояния подвижного состава и диагностики букс по ИК излучению посвящены труды В.М. Алексенко, А.Г. Алексеева, М.В. Анпилова, В.А. Берзина, С.Я. Быкова, Э.Г.Миронова, С.Н. Лозинского, В.Л. Образцова, М.В. Орлова, E.H. Розенберга, В.В. Рябцева, В.И. Самодурова, Г.К. Сендерова, М.М. Соколова, Е.Е. Трестмана, A.B. Третьякова, А.Ф. Тагирова, П.С. Шайдурова.

Исследованиям методов обработки информации при выявлении нагретых букс посвящены работы В.Л. Образцова, В.И. Самодурова, Х.Б. Шмермана, Е.Е. Трестмана и других ученых.

Отмеченным проблемам посвящены также работы зарубежных изобретателей и ученых, среди которых: Дж. Амстронг, К. Галахер, Р. Бернес, М. Лаплеш, М.А. Роланд, Г. Сиблей, У. Ротгенштайнер, В.В. Рыбак, С.К. Скляренко, А.А. Строкач и многие другие.

Выполненный анализ имеющихся теоретических и экспериментальных исследований, а также анализ конструктивных особенностей буксовых узлов и рам тележек в контексте теплового контроля показывает, что:

- не выполнялись комплексные исследования теплового контроля букс, которые бы интегрировали анализ функционирования объекта диагностирования и работы средств теплового контроля в модель всего процесса контроля;

- не были исследованы особенности распределения тепловых потоков от подшипников к потенциально контролепригодным зонам корпусов букс разнородного подвижного состава, так как возможности использованных расчетных моделей сводились к оценке средних по объему и поверхности корпуса буксы температур, а большая часть исследований посвящалась оценке правильности выбора параметров подшипников и марок смазок;

- недостаточно исследовались температурные режимы букс и вопросы обеспечения эффективного теплового контроля разнородного (грузовой, тяговый, пассажирский) подвижного состава с различными конструкциями тележек и букс, в том числе с коническими подшипниками кассетного типа;

- не учитывалось влияние аэродинамических свойств рамы тележки, которые у отдельных типов тележек существенно определяют разный нагрев подшипников и корпусов букс на первой и второй осях;

- не было изучено влияние на процессы теплового контроля в совокупности таких факторов, как скорость движения поезда, колебания колесных пар во время движения, диаметр (износ) колес;

- не проводилось исследование взаимного влияния нагрева ободов, дисков и ступиц колес при колодочном торможении и осей колесных пар при дисковом торможении на нагрев подшипников и корпусов букс в контролируемых зонах;

- мало изучены вопросы своевременного обнаружения средствами теплового контроля неисправных буксовых узлов движущихся поездов с наличием различных неисправностей (защемление роликов между бортами наружных колец подшипников, проворот внутренних колец, нарушение торцевого крепления подшипников и др.) до разрушения подшипников.

Кроме того, не были решены следующие технические проблемы:

- создания комплексной многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава, в которой контроль нагрева букс становился бы одной из подсистем, а не базовой подсистемой;

- обоснованного выбора пороговых значений контроля нагрева букс,

в том числе и в зависимости от типа подшипников и расстояний между пунктами контроля на участках безостановочного следования поездов;

- в средствах контроля отсутствовали возможности автоконтроля и автокоррекции параметров приемо-усилительных (измерительных) трактов, самодиагностики всех составных частей и узлов, устройств электропитания и каналов связи;

- отсутствовала система передачи и сбора диагностической информации с целью централизованной обработки и мониторинга теплового состояния буксовых узлов на участках безостановочного движения поездов, хранения баз данных и выдачи по запросам пользователей всей необходимой информации;

- не были решены вопросы стыковки и информационного взаимодействия СТК линейного уровня с автоматизированными системами верхнего уровня (АСУ ПТО, АСОУП, ГИД, КАС АНТ и др.)

Анализ тенденций в направлении совершенствования отечественных и зарубежных систем бесконтактного теплового контроля букс показывает, что процесс в данной области идет по следующим направлениям:

- поиск зон контроля, наилучшим образом отражающих техническое состояние буксовых узлов различных типов;

- увеличение зоны сканирования нижней части корпуса буксы благодаря развертке обзора приемника ИК излучения;

- отказ от камер, установленных рядом с путевой решеткой на отдельном фундаменте в балласте, для теплового контроля пассажирских и грузовых вагонов;

- обеспечение интеграции СТК с напольными системами диагностики подвижного состава, основанными на иных физических принципах;

- совершенствование систем передачи информации о результатах контроля.

Таким образом, выполненный анализ исследований и технических решений позволил сформулировать цель и задачи исследований работы.

Во втором разделе рассматривается разработка и компьютерная реализация уникального комплекса математических моделей теплового бесконтактного контроля букс, включающего моделирование работы объекта контроля (буксового узла) и моделирование работы средства теплового контроля при проходе поезда.

Комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля буксовых узлов состоит из следующих блоков - моделей (рисунок 1).

1. Модель движения единицы подвижного состава для оценки перемещений и силового режима работы буксового узла.

2. Термомеханическая модель функционирования буксового узла.

3. Модель сканирования буксы подвижной единицы приемником ИК излучения при проследовании поезда.

4. Моделирование ИК излучения с зоны сканирования и передачи энергии на приемник ИК излучения СТК.

5. Модель работы приемного устройства СТК и определения нагрева буксы.

и

В первом блоке (см. рисунок 1) решается задача компьютерного моделирования движения вагона по заданным случайным неровностям. Моделирование грузового вагона производится с помощью разработанной на кафедре «Вагоны» УрГУПС модели движения вагона, имеющей 114 степеней свободы. Для моделирования используется программная среда ЦМ, реализующая автоматический синтез уравнений движения систем связанных твердых тел.

Выходными данными моделирования движения являются зависимости вертикальных и осевых сил, действующих на буксовый узел (осциллограммы), по которым определяются математические ожидания (для случайных неровностей) указанных параметров.

Во втором блоке реализуется термомеханическая модель, состоящая в свою очередь из подмоделей (2.1-2.3, см рисунок 1):

- образования тепла в работающем подшипнике (2.1);

- распределения температурных полей в буксовом узле (2.2);

- газодинамическая (2.3).

На уровне подмодели 2.1 решается задача определения теплообразования в работающем подшипнике от нагрузок, полученных на модели блока 1. На рисунках 2 и 3 показаны расчетные зоны теплообразования для букс с коническим и цилиндрическими подшипниками.

Тепловые потоки от сип трения качения

Определение тепловых потоков базируется на расчете угловых и линейных скоростей деталей подшипника, расчете распределения нагрузок на ролики. Условимся считать зону, ограниченную углом рив которой воспринимается телами качения радиальная нагрузка, действующая на подшипник, «нагруженной зоной», соответственно зону, ограниченную углом 360 - ср, «ненагруженной зоной».

Тогда радиальная плотность теплового потока по «нагруженной зоне» наружного кольца (см. рисунок 2) каждого цилиндрического подшипника от сил трения качения определяется

Суммарная плотность теплового потока в радиально нагруженной зоне наружного кольца от первого и второго ряда роликов конического подшипника (см. рисунок 3) вычисляется

Плотность теплового потока по «ненагруженной зоне» наружного кольца каждого цилиндрического подшипника (см. рисунок 2) определяется

/А-2 =(2 +в Нр_КН ^

(2)

И Модель движения единицы подвижного состава для оценки перемещений и силового режима работы буксовых узлов

Зависимости перемещений буксового узла от времени

I

Зависимости вертикальной и осевой сил на буксу от времени

2 | Термомеханическая модель функционирования буксового узла

2.1

Модель образования тепла в работающем подшхшнпке '

Удел>ный тепловой поток на различные поверхности подшипника

2.2

Численная модель распределения температурных полей в буксовом узле

ш

'азодинамппеская модель работы буксового узла для оценки параметров теплоотдачи при различных внешних условиях (скорость обтекания, температура воздуха)

Значения температур в конечных элементах всей буксы, топология элементов

к>

I з I Модель сканирования буксы подвижной единицы приемником ИК излучения при проследовании поезда

Траектория скпинровання М5[КЭ]3, КЭг3, . КЭ^, КЭ„3], 11 — котапество КЭ-ов в

I.—" зоне контроля в данный момент времени

1

1

1

Координаты КЭ и значения температур в КЭ, находящихся в зоне контроля

приемника

Моделирование ПК излучения с зоны сканирования и передачи волн на приемник ИК излучения СТК

I. . .

чш

Спектр излучения по длине волны

1 У

Свойства внешней среды

Опппеская

система приеиника

Суммарная плотность излучения на приемнике

Мощность излучения^ принимаемая приемником 11К излучения (осциллограмма сигнала, пропорционального принимаемой мощности)

§ I Модель работы приемного устройства СТК и определения нагрева буксы

И|м««шин1>а1

Модель работы ПУ -

Оценка уровня нагрева буксы

Рисунок 1- Схема комплекса математических моделей функционирования объектов и средств тепловой диагностики букс ( П - блоки моделей; О - входные-выходные данные блоков)

Рисунок 2 - Зоны образования тепловых потоков в буксе с цилиндрическими подшипниками, принятые при моделировании

Рисунок 3 — Зоны образования тепловых потоков в буксе с двухрядным коническим подшипником, принятые при моделировании

Суммарная плотность теплового потока по «ненагруженной зоне» наружного кольца конического подшипника (см. рисунок 3) определяется 360-^,2 . . . 360-а Л . . 360-^2

а >а =Q / I -— + @ / 1 ---(4)

*нр_кн Ц к и 360/ Г"« 3601р " к '

В формулах (1) - (4) /к - коэффициент трения качения для подшипника (используется зависимость изменения коэффициента трения от температуры на подшипнике, зависимость определяется путем идентификации по экспериментальным данным в разделе 3); 1р - длина ролика; /„ - число контактов, приходящихся в секунду на наружном кольце подшипника; ()р -средняя радиальная нагрузка на ролик; = т^ - центробежная сила,

действующая на каждый ролик в подшипнике, т- масса ролика,

диаметр окружности центров роликов, сос — угловая скорость вращения сепаратора.

При расчете радиальной плотности теплового потока на внутреннем кольце подшипника учитывается, что внутреннее кольцо вращается, поэтому в модели тепловой поток прикладывался на всю радиальную поверхность внутреннего кольца (см. рисунки 2, 3). Тогда радиальная плотность теплового потока на внутреннем кольце находится

%р=шр-оц]/п:/зв, (5)

где = 2яй - длина дуги нагруженной зоны внутреннего кольца по ° в 360

средней линии; = - площадь поверхности внутреннего кольца.

Для внутренних колец конического подшипника в выражении (5) соответственно для первого кольца — , второго кольца - (рг. Тепловые потоки от сил трения скольжения

Расчет плотности теплового потока на торцевые поверхности колец цилиндрического подшипника (см. рисунок 2).

Плотность теплового потока на наружном кольце

2я<2 / п2Я

___а ск с сн

4 на~ 5-' ^

на

где ()а - средняя осевая (аксиальная) нагрузка на ролик; 2 - количество роликов; пс — частота вращения сепаратора; Я -радиус средней линии тор-

СИ

цевой поверхности наружного кольца; 5" - площадь торцевой поверхности борта наружного кольца; / - коэффициент трения скольжения для цилин-

СК

дрического подшипника.

Плотность теплового потока на внутреннем кольце цилиндрического подшипника

2 Ю / п 2Я — _ о ск с св (7)

ва

где К - радиус средней линии торцевой поверхности борта внутреннего

Св

кольца; 5 - площадь торцевой поверхности борта внутреннего кольца.

Для конического подшипника (см. рисунок 3) аксиальная плотность теплового потока на внутреннем кольце второго и первого рядов конического подшипника от радиальной нагрузки

як? О / 2п ята

а = 0 Р ск с_, (8)

ва ск

ва

где 8ква~ площадь торцевой поверхности внутреннего кольца, взаимодей-

ствующей с роликами; / - коэффициент трения скольжения для конического подшипника; а — угол контакта.

Аксиальная плотность теплового потока от осевой нагрузки на внутреннем кольце ряда роликов, воспринимающим первым осевую нагрузку

д - 0 *Уск с, (9)

ва\ <?к

ва

Тепловые потоки, вычисляемые по формулам (1) - (9), используются в качестве «нагрузок» для оценки распределения температурных полей в буксовом узле с цилиндрическими и коническим подшипниками методом конечных элементов (МКЭ).

Уравнение теплопереноса в частных производных, записанное в век-торно-матричном виде, выразится следующим образом:

(Ю)

\и1

где р- плотность; С - теплоемкость; Т- температура; / - время; {V} -вектор скорости передачи тепла; {Ь} — векторный оператор дифференцирования {<7} — вектор теплового потока; {¡7} - генерация тепла в единице объема.

Уравнение (10) в матричной форме, приведенное к методу конечных элементов, записывается следующим образом:

Щг)+[с\т}=Ш (п)

где [К] - матрица теплопроводности; [С] - матрица удельных теплоемко-

стей; {Т} - узловые температуры; {Т}- скорость изменения температуры; {£}}- вектор узлового теплового потока.

Для аппроксимации геометрии буксового узла (рисунок 4) примени-

тельно к тепловому анализу и использованному программному комплексу ANSYS выбран объемный десятиузловой КЭ в виде тетраэдра.

При разработке конечно-элементной модели и расчетной схемы применен оригинальный подход, который позволил смоделировать теплопере-нос из «нагруженной зоны», ограниченной углом (р, в «ненагруженную» за счет вращающихся деталей. Очевидно, что основной нагрев роликов, сепаратора, смазки и внутренних колец подшипника происходит в «нагруженной зоне», ограниченной углом (р, а в «ненагруженной зоне» происходит перераспределение тепла между движущимися и неподвижными деталями буксового узла. Поэтому основным элементом примененного подхода, учитывающим описанные выше явления, является использование в модели следующего допущения: объем, занимаемый роликами, сепаратором и смазкой, в подшипнике заменен в цилиндрической системе координат модели единым телом вращения (РСС -ролик-сепаратор-смазка), которое также разбивалось на конечные элементы. При этом через свойства отдельных компонентов определялись эквивалентные теплофизические свойства (плотность, теплоемкость и теплопроводность) тела РСС. Эквивалентная теплопроводность ХРСс комплекса РСС в направлениях осей цилиндрической системы координат модели определялась по формуле

Я V Z + Ä V +Л V . _ рол рол с с см см

где п - частота вращения соответственно: для оси у - частота вращения сепаратора подшипника; п = 1- для оси г, для оси х - частота вращения ролика вокруг своей оси; V- объем; индексы: рол - ролик; с - сепаратор; см -смазка.

Это позволило смоделировать перераспределение тепла при вращении обоймы роликов с сепаратором. Аналогичным образом в модели определялись теплопроводности всех вращающихся тел буксового узла.

Учитывая, что при движении буксовый узел функционирует в условиях обтекания воздушным потоком, который влияет на тепловой режим узла, то разработана модель для расчета обтекания встречным потоком воздуха буксового узла. Задача состоит в определении граничных условий для расчета по МКЭ - коэффициентов теплоотдачи и распределении их по поверхности корпуса буксы и крышки при различных начальных температурах буксы, температурах и скорости набегающего потока.

Буксовый узел представляет тело сложной геометрической формы, которую можно смоделировать как сочетание цилиндрических и плоских

Рисунок 4 - Аппроксимация конечными элементами буксового узла с коническим подшипником и адаптером

поверхностей. Поэтому решение задачи теплоотдачи на поверхности буксового узла производилось для ламинарного режима с помощью критериальных уравнений для цилиндра и пластины.

В третьем блоке (см. рисунок 1) моделируется проследование буксового узла через зону контроля приемника ИК излучения. При этом решается геометрическая пространственная задача динамического пересечения поверхности буксового узла с зоной контроля приемника, выраженной в пространстве конусом с вершиной, находящейся в точке, из которой исходит оптическая ось приемника (рисунок 5). Поскольку СТК воспринимает тепловое излучение только наружных поверхностей элементов, то в модель сканирования буксы передаются данные (координаты) лишь внешних узлов конечно-элементной сетки. Оставшиеся после селекции конечные элементы приобретают трехузловую структуру, представляющую собой участок поверхности, ограниченной треугольником. Задача решается путем перевода с помощью векторно-матричных преобразований координат узлов КЭ из подвижной системы координат, связанной с буксой, в базовую неподвижную («земля»). Это позволяет при расчете положения узлов КЭ учесть перемещения и углы поворота буксы в пространстве при движении вагона. В результате на базе исходного массива конечных элементов (КЭ) с поверхности контролируемого буксового узла единицы подвижного состава МТ[КЭ13, КЭ28,... КЭД... КЭк3] (к- номер конечного элемента; э - индекс КЭ, у которых три узла находятся на поверхности буксового узла) в процессе «отсева» КЭ по признаку «попадания» в зону контроля приемника ИК излучения формируется новый массив п конечных элементов, находящихся в данный момент времени в зоне контроля и тепловое излучение которых воспринимается приемником.

Таким образом, в четвертый блок передается геометрическая и физическая информация о конечных элементах, находящихся в зоне контроля приемника в каждый момент времени. По рассчитанным значениям средних температур в КЭ, находящихся в зоне контроля («пятне») в каждый момент времени, может быть построена осциллограмма теплового сигнала, пропорционального считанной температуре.

В четвертом блоке комплекса моделей выполняется определение параметров инфракрасного излучения с полученного в блоке 3 массива ко-

Рисунок 5 - Пересечение поверхности КЭ модели буксы с зоной контроля ИК приемника

нечных элементов п, попавших в зону контроля приемника в каждый момент времени. При этом моделируются факторы, влияющие на прием излучения, это - свойства внешней среды, геометрические параметры системы.

Лучистый поток, воспринимаемый приемником, со спектральной чувствительностью, заключенной в диапазоне длин волн ^..Аг вычисляется согласно законов теплообмена излучением по формуле

Л Я, (5)

где Боб - рабочая площадь объектива приемника ИК излучения;

- спектральная чувствительность приемника ИК излучения;

Ка(л) — коэффициент пропускания атмосферы;

К0(Х) - коэффициент пропускания оптической системы; г(Х, Т) — спектральная интенсивность плотности излучения абсолютно черного тела;

/ - расстояние от центра объектива до площадки излучения; е - степень черноты или коэффициент излучения; со, а- углы между направлением оптической оси и нормалью поверхности.

Конечные элементы в зоне контроля имеют различную температуру и соответственно положение в спектре максимальной спектральной плотности излучения, которое определяется законом смещения Вина. Кроме того, КЭ имеют различную ориентацию относительно приемника. Учитывая это, а также считая площадь КЭ очень малой величиной, запишем выражение (12) для массива п КЭ, попадающих в зону контроля, в виде

/ , _ Л

/=1 9=1 Л ¿=1 9=1

/,2

(13)

У

где I - номер КЭ;

¿7 - номер интервала спектра излучения;

5/, Ка, Кд1 - спектральная чувствительность и коэффициенты пропускания атмосферы и приемника, определенные как константы для д-го интервала спектра излучения; и - количество интервалов, на которые разбита инфракрасная область спектра электромагнитного излучения; - площадь г-го конечного элемента; Я? — суммарная плотность излучения г-го КЭ как абсолютно черного тела, в интервале диапазона волн д; (Р> ~ угол между направляющим вектором ориентации приемника и

нормали г-го конечного элемента; /,■ - расстояние между приемником и г-м конечным элементом.

Суммарная плотность излучения Я? 1-го КЭ определяется из выражения закона Планка для распределения интенсивности излучения по спектру для абсолютно черного тела

^ 2-ж-ь-г

-с1Л

'Д-1 ' (14)

где И = 6.6256-10"34 Дж-с - постоянная Планка; с = 2.998-105 м/с - скорость света; к = 1.3 8054-10'23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура черного тела в градусах К, АД /-2 - границы д-го диапазона излучения.

В 5 блоке моделируется работа приемного устройства СТК. В зависимости от эксплуатационных условий и возможностей аппаратуры применяются абсолютная (температурная) или относительная (по относительной температуре или в условных квантах теплового сигнала) оценки нагрева букс подвижного состава.

Определив значение мощности излучения принимаемого приемником СТК (см. формулу 13), можно рассчитать среднюю абсолютную температуру поверхности нагретого тела (буксы) в зоне контроля («пятне»). При этом для расчета воспользуемся формулой (12), подставляя в нее средние значения параметров (/, со, а), общую площадь £ зоны контроля («пятна») поверхности буксы и заданное значение прозрачности среды Ка.

Запишем формулу (12) для СТК с диапазоном спектральной чувствительности приемника (А; — Я^)

Р =--- А ' о о " "-ср-р-, (15)

где 5- площадь зоны контроля поверхности буксы («пятна»);

Яср - средняя плотность излучения поверхности тела в зоне контроля.

Из выражения (15) найдем среднюю плотность излучения Яср

Р.*.?

СР ~ (16)

5 • 50б • е • • Ка ■ К0 • соз(а) • соз((»)

Опишем связь между плотностью излучения и температурой излучателя. Поскольку интеграл в формуле Планка (14) не поддается аналитическому решению, установить зависимость между Я и Т можно путем аппроксимации решений интеграла, полученных численными методами. Тогда средняя температура поверхности буксы в зоне контроля ИК приемником может быть представлена

Тср=/(Кср). (17)

Уровень теплового сигнала (ТС) в градусах определяется как разность температур А Т буксы Тц и элементов тележки 7У (фон), находящихся в сходных физических условиях, но при этом не подверженных тепловому влиянию буксы.

Таким образом, разность Д Т будет равна

ДГ = Гд-Гг=/(Д2г)-/(Дг).

Для пересчета уровня ТС из градусов в кванты, используемые в средствах теплового контроля ПОНАБ, ДИСК и КТСМ, воспользуемся устанавливаемой при калибровке данной аппаратуры ценой одного кванта Ц в °С (зависит от температуры наружного воздуха Тде)

п(т _^_

ЧУнв' АТк {ТИ(ТНВ)-ТИЙ) '

где Тн - температура нагревателя калибратора (зависит от температуры наружного воздуха ТнвУ, Ур.к, АТк- уровень теплового сигнала на который калибруется прибор в квантах и градусах согласно принятым калибровочным таблицам для названной аппаратуры.

Тогда уровень теплового сигнала буксы в квантах

Ур = Ц{Тнв)-АТ. Первые два блока рассмотренного комплекса моделей относятся к функционированию объекта теплового контроля и могут быть названы нами для удобства «виртуальная букса», третий, четвертый и пятый блоки относятся к моделированию работы средства теплового контроля и могут быть названы «виртуальный прибор». «Виртуальная букса» и «виртуальный прибор» для каждого конкретного случая (типа подвижного состава, типа СТК) образуют виртуальную модель теплового контроля.

Согласно разработанных и приведенных выше математических моделей блоков 3-5 было разработано специальное программное обеспечение для компьютерной реализации «виртуального прибора». Программное обеспечение согласно алгоритму осуществляет считывание тепловых полей, полученных на термомеханической модели, обработку траектории сканирования, определение осциллограммы сигнала.

В третьем разделе диссертации приведены результаты разработки и реализации комплекса экспериментальных исследований работоспособного и предаварийного состояния буксовых узлов в контексте теплового контроля, оценки достоверности разработанных моделей и целесообразности реализованных технических решений в средствах теплового контроля. Рассмотрим комплекс по его составляющим - видам испытаний.

Измерения температур буксовых узлов в эксплуатационных поездных условиях контактными датчиками температуры Данным видом испытаний решались следующие задачи.

1. Исследование общего температурного состояния подшипников кассетного типа и наружных корпусов букс и полубукс (адаптеров) грузовых вагонов.

2. Подробное изучение распределений температур в зоне контроля КТСМ-02 (нижней части буксового узла) и верификация по экспериментальным данным моделей «виртуальная букса» и «виртуальный прибор».

Испытания проводились контактными непрерывными измерениями температур букс вагонов опытного маршрута на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ (ст. Щербинка) ОАО «РЖД» 27-29 июня 2005 г. Для проведения контактных измерений температуры использовались автономные, цифровые термодатчики с памятью (рисунок 6а). Для исследования общего температурного состояния датчики устанавливались с помощью магнитного крепления на различные зоны снаружи букс, как показано на рисунке 66, для подробного изучения распределения температур в нижней части буксового узла - согласно рисунку 6в. Для п. 2 одновременно фиксировались показания КТСМ-02 в квантах на исследуемые буксы при проходе поездом поста контроля. Продолжительность испытаний 15 часов (вечер-ночь-утро, включающие движение с постоянной скоростью, торможение, остановки поезда), интервал записи измерений температур в память датчика - 1 мин.

Полученные при контактных измерениях распределения температур буксовых узлов в поездных условиях и зарегистрированные при этом СТК КТСМ-02 значения уровней нагрева букс (в квантах), в сравнении с результатами расчетов температур на модели «виртуальная букса» и уровней нагрева в квантах на модели «виртуальный прибор», сопоставимы качественно и количественно (расхождение не более 10 %).

3. Изучение стабильности температурного режима в зоне контроля буксовых узлов с кассетными подшипниками и оценки достоверности показаний аппаратуры теплового контроля (Северная ж. д.).

Сопоставление результатов измерений температур на 24-х буксах контактными термодатчиками (рисунок 6г) в поездных условиях и одновременно бесконтактным способом с помощью КТСМ-02 показывает, что среднее расхождение измерений букс в зоне сканирования контактным способом и бесконтактным способом с помощью КТСМ-02 составляет 1,1 С (5,7%) (рисунок 7).

4. Исследование температурного состояния кассетных подшипников и корпусов букс тележек скоростных (до 200 км/час) пассажирских поездов (Октябрьская ж. д.- Санкт Петербург — Москва).

Результаты измерений (рисунок 6д) температур буксовых узлов на скоростных тележках модели 68-4076 показывают, что отношение средних значений относительных температур букс четных и нечетных осей (по ходу движения) измеряемых вагонов в контрольных точках при установившемся тепловом режиме работы букс составляет 1,28 (рисунок 8).

При смене направления движения поезда, менее нагретые буксы в направлении поезда в одну сторону на нечетных осях вагонов становятся более нагретыми в обратном направлении, т. к. эти оси становятся вторыми в

......................................................................................

Термодатчик с магнитным креплением

Установка термодатчиков на буксовых узлах с корпусом и адаптером для изучения общего температурного режима (Экспериментальное кольцо)

Установка термодатчиков при оценке распределения температур в нижней части корпуса буксы (Экспериментальное кольцо)

Место установки термодатчиков на корпусах буксовых узлов в зоне контроля КТСМ-02 (Северная ж.д.)

Установка термодатчиков на корпусах буксовых узлов первой и второй осей тележки модели 68-4076 высокоскоростного пассажирского поезда «Невский экспресс» (Октябрьская ж.д.)

Рисунок 6 - Измерения температур буксовых узлов в эксплуатационных поездных условиях контактными датчиками температуры

датчик 2 ось

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Температура буксы, °С

I □ получено на КТСМ-02 И измерено датчиком

Рисунок 7 - Сопоставление результатов измерений температур корпусов букс контактными датчиками с показаниями КТСМ-02 в °С

— 1 левая —2левая —3 левая —4левая воздух

Рисунок 8 - График изменения во времени температур буксовых узлов за один полный рейс поезда «Невский экспресс» Санкт Петербург - Москва

- Санкт Петербург

тележке по ходу движения и меняется их расположение по отношению к воздушному потоку.

Полученные при испытаниях выводы явились частью исследований причин систематически наблюдаемой разницы показаний аппаратуры КТСМ-01 на буксы четных и нечетных осей скоростных пассажирских поездов.

Стендовые испытания в режиме эксплуатационных нагрузок

с измерением температур на поверхности и внутри буксового узла

Испытаниям на специально разработанном стенде подвергалась ось колесной пары с буксовым узлом. Стенд позволяет имитировать действующие на буксовый узел радиальную и осевую нагрузки. Измерялись температуры наружных колец подшипников в 16 точках контактными термопарами, установленными в специальные отверстия в корпусе буксы, и температуры корпуса в этих же сечениях бесконтактным пирометром. По результатам испытаний строились графики выхода на стационарный режим теплового состояния.

Решались следующие задачи:

1. Изучение распределений температур, идентификация по экспериментальным данным параметров трения для термомеханической модели буксового узла, оценка достоверности моделей.

2. Оценка температур в роликах подшипников по специальной методике при выходе на стационарный режим. Подтверждение достоверности термомеханической модели буксового узла.

Для определения температуры ролика изготавливался измерительный ролик с установленным в нем автономным термодатчиком. Сравнение графиков расчетных температур и полученных по результатам стендовых испытаний буксового узла (рисунок 9) показывает, что максимальное расхождение расчетов и измерений составило 9%. При этом расчетные температурные поля внутри подшипника согласуются с температурами, измерен-

0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 «0 500 600

■ремя, мин время, мин

Цилиндрические подшипники Конический подшипник

Рисунок 9 - Сравнение графиков расчетных и экспериментальных температур элементов корпуса буксы (выход на стационарный режим теплового

состояния)

ными на роликах в процессе эксперимента, что характеризует достоверность и работоспособность созданной модели.

Стендовые испытания в режиме неисправностей буксового узла с измерением температур буксового узла Решались следующие задачи:

1. Оценка темпа нарастания аварийных температур с разрушенным торцевым креплением и сдвигом корпуса буксы.

Результаты стендовых испытаний по имитации аварийной ситуации со смещенным корпусом буксы показывают, что при нарушении или отсутствии торцевого крепления происходит процесс разрушения переднего подшипника, сопровождающийся временным заклиниванием роликов по торцам. При этом температура наружных колец и внешних поверхностей корпуса буксы не превышает минимальных пороговых значений тревожной сигнализации, принятых для настройки средств теплового контроля. В такой ситуации полностью исключить случаи несвоевременного обнаружения аварийного разрушения подшипников при нарушении торцевого крепления и сползании корпуса буксы только средствами теплового контроля нельзя.

2. Оценка темпа нарастания аварийных температур с ослаблением посадки внутреннего кольца переднего подшипника.

Испытания буксового узла с ослаблением посадки (проворот) внутреннего кольца переднего подшипника показывают, что темп нагрева наружного кольца в конечной фазе испытаний (12-15 минут от начала) - 4 °С /мин, торца оси - 10 °С /мин. Для сравнения, темп нагрева работоспособного подшипника при выходе на стационарный режим в стендовых условиях составляет 0,1-0,2 °С/мин в зависимости от значения осевой (аксиальной) нагрузки.

Подконтрольная эксплуатация с мониторингом нагрева буксовых узлов по показаниям бесконтактных напольных средств теплового контроля

Решаемые задачи. Статистическая и вероятностная оценка нагрева букс в процессе эксплуатации.

Данный вид исследований проводился с использованием базы показаний СТК, пополняемой с установок на территории России и позволяющей решать множество задач теплового контроля. В автореферате приводится лишь один пример использования результатов статистических исследований, позволивших принять конкретные технические решения.

Наблюдение за опытной эксплуатацией составов с коническими подшипниками показало, что распределения уровней нагрева конических подшипников производства ЕПК на смазке Мобилит 221 носят двумодальный характер, то есть имеется тенденция деления букс на группы с «высоким» (относительно температуры воздуха 25-35 °С) и «низким» уровнем нагрева (относительно температуры воздуха 4-10 °С). Это явление было зарегистрировано также и при контактных измерениях температур букс с коническими подшипниками (см. рисунок 7). Наличие данного факта говорит о не-

стабильности параметров смазки и препятствует объективному выбору пороговых значений контроля. Предприятие-изготовитель осуществил замену на смазку Буксол и это привело к тому, что распределение принимает од-номодальный характер и наиболее вероятный уровень нагрева букс с кассетными подшипниками сосредоточился около одного значения.

В четвертом разделе приводятся результаты численного экспериментирования на разработанных моделях с целью получения необходимых для практического использования результатов, позволивших обосновать и внедрить конкретные технические решения в тепловой диагностике.

Для оценки общего температурного режима буксы в диапазоне температур окружающей среды от -40 °С до +40 °С на термомеханической модели проводились расчеты полей температур (рисунок 10) при стационарном тепловом режиме при скорости движения поезда 60 км/час.

Рисунок 10 - Поля температур (°С ) в буксах с различными подшипниками (температура воздуха 0 °С)

Анализ построенной зависимости нагрева буксы в указанном диапазоне температур окружающей среды показывает, что относительная - избыточная температура деталей буксы при -40 °С больше в 2-3 раза, чем относительная температура этих же деталей при +40 °С окружающей среды. Это обусловлено зависимостью силы трения в подшипнике от температуры воздуха, что подтверждает нецелесообразность использования для оценки допустимого нагрева буксы только абсолютной температуры буксы.

При тепловом контроле по инфракрасному излучению от буксы важно установить влияние нагрева колеса на нагрев буксы при торможении колодочным или дисковым тормозом, а также возникновении нештатных ситуаций, когда колесная пара вагонов по причине неисправности тормозов (неотпущенные или самопроизвольно сработавшие) перемещается с прижатыми к ободу колодками. Моделировались различные виды торможения: многократно повторяющееся, кратковременное, длительное, дисковое, а также движение с неотпущенными тормозами. Для упрощения во всех моделях использовалась букса грузового вагона. Анализ результатов, часть которых приведена на рисунке 11, показывает, что данные процессы незначительно сказываются на нагреве наружных контрольных

Длительное торможение вагона

Распределение температурных полей на колесной паре (°С)

О 500 1000 1500

время торможения, сек

—— кр. кр. ухо —корп верх смотр, кр

-корп низ -ступица сер. -ооод колеса

Графпк изменения температур деталей колесной пары (обод - ось справа)

Торможенпе вагона на тележках с дасковьшп тормозами

Распределение температурных полей на колесной паре (°С)

50------------------г 500

45 ^^^ 450

40 ---.400 |

|я. ---------350 ^

а 30 ^^^^ 300 I

|25 ----- 250 ?

« 20 -- / --- 200 £

= / -г 15 г -150 =

10 / 100 н 5 / -______50

0 V I I-т-,-г-,-,-,-,-,-,- 0

01234567В9 10 1112 время, иин

——корлус верх ——*реп кр ухо-смотр <р —-ступив край —д»:к тор« (вспом. ось)

График изменения температур деталей колесной пары (тормозной диск - ось справа)

к> со

Рисунок 11 - Результаты моделирования нагрева деталей колесной пары при торможении

поверхностей буксового узла (в пределах погрешности напольных средств теплового контроля).

Как уже отмечалось, важным является то, какие детали буксового узла попадают в зону сканирования приемника инфракрасного излучения. Поэтому проектирование подвижного состава должно сопровождаться проверкой контролепригодности конструкции его ходовых частей к диагностике системами бесконтактного теплового контроля.

Основываясь на моделях «виртуальная букса» и «виртуальный прибор», была предложена расчетная методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс. Методика может быть использована для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля и при проектировании подвижного состава нового поколения.

Методика апробирована на скоростных тележках модели 68-4076 пассажирских вагонов в составах поездов типа «Невский экспресс». Анализ рассчитанных на модели (температура воздуха 0 °С, скорость движения вагона 180 км/час) полей скоростей обтекания на поверхностях тележки показывает, что по различным поверхностям корпуса буксы скорости обтекания на первой оси в 1,3-2 раза выше, чем на второй (рисунок 12). Это приводит к тому, что теплоотдача от буксы с соответствующих поверхностей в атмосферу на первой оси выше, чем на второй, а значит, температура этих поверхностей при одних и тех же технических состояниях подшипников будет ниже на первой оси, чем на второй. Выполненные расчеты на термомеханической модели буксового узла подтвердили это, так как полученные относительные температуры (разница между абсолютной и температурой воздуха) деталей букс первой и второй осей различаются в 1,3-1,7 раза в зависимости от выбранной зоны на корпусе буксы или подшипника. После тепло-

L 438584"" 37.5929 31.3274 25.0619 18.7964

L 12.531 6.26548 0

Velocity [m/s]

Y

Рисунок 12 - Поля скоростей обтекания на поверхностях тележки модели 68^4076 при движении вагона со скоростью 180 км/час

вого расчета, следуя схеме исследований (см. рисунок 1), с использованием трехмерных компьютерных моделей выполнялось определение траектории сканирования букс тележки приемником ИК излучения средства теплового контроля, а также определение осциллограммы теплового сигнала, пропорционального считанной средней температуре (рисунок 13).

Анализ осциллограмм сигналов показывает, что при одинаковом техническом состоянии подшипников в буксах на первой и второй осях, тепловой сигнал, считываемый системой контроля КТСМ-01, с буксы на первой оси в 2,05 раза меньше (см. рисунок 13), чем с буксы на второй оси. Это происходит, как было показано моделированием, за счет неравнозначного обдува (охлаждения) букс на первой и второй осях, а также из-за считывания теплового сигнала при данной ориентации приемника с разных зон буксовых узлов нагретых неодинаково.

При контроле по нижней поверхности буксы (КТСМ-02) отличие амплитудных значений по буксам на первой и второй оси менее существенное (1,21 раза), как показывают аналогичные расчетные осциллограммы сигнала (см. рисунок 13,6). Это связано с тем, что контроль производится по одной и той же зоне поверхности букс и отличие значений амплитуд сигналов вызвано только аэродинамическими причинами.

Полученные результаты исследований контролепригодности тележек скоростных поездов послужили основанием для первоочередного оснащения установками КТСМ-02 основных магистралей ОАО «РЖД». Методика была использована также для обоснования внедрения на ОАО «РЖД» специализированных пунктов теплового контроля тягового подвижного состава с комбинированным использованием КТСМ-01 и КТСМ-02.

Разработанная термомеханическая модель позволяет моделировать распределение температур в буксовом узле в отдельных аварийных ситуациях, наиболее часто встречающихся в эксплуатации. Это касается процесса нарушения торцевого крепления подшипников со сдвигом буксы, а также процесса ослабления посадки внутренних колец подшипников. В разделе 3 диссертации приведены результаты экспериментального исследования ситуаций с данными неисправностями. По причине ограниченных возможностей применяемых технических средств при проведении стендовых испытаний исследовались только начальные стадии развития неисправных состояний буксы. В разделе 4 на модели прогнозировалось возможное развитие состояний буксового узла с указанными неисправностями.

При разрушенном торцевом креплении и последующем выходе из строя переднего подшипника, несмотря на нарушение геометрии (сдвиг роликов и кольца), может поддерживаться относительная временная работоспособность заднего подшипника в режиме эксплуатационных нагрузок радиального направления. Буксовый узел в этом состоянии с относительно работоспособным только задним подшипником может функционировать без аварийного нагрева определенное время (ограниченное продолжительностью действия на узел только радиальных нагрузок), при этом температу-

а) 1 ОСЬ (БУКСА)

1 кадр 2 кадр 3 кадр

1 кадр 2 кадр 3 кадр

Рисунок 13 - Моделирование траектории сканирования приемником ИК излучения первой и второй букс тележки 68-4076 и соответствующие осциллограммы теплового сигнала на приемнике в интегральных температурах а) для КТСМ-01 б) для КТСМ -02

ра наружных колец и внешних поверхностей корпуса буксы не превышает минимальных пороговых значений, принятых для настройки средств теплового контроля. При последующем моделировании заклинивания роликов заднего подшипника, что может быть, как показал эксперимент, вызвано действием аксиальных сил на буксовый узел, заклинивание приводит к многократному увеличению темпа нагрева заднего подшипника. При этом аварийный темп разогрева подшипника и деталей буксового узла значительно выше, чем, если бы в буксе работали два подшипника при тех же условиях заклинивания роликов одного из подшипников.

В разделе 3 экспериментально установлено, что при ослаблении посадки внутреннего кольца на ось может возникнуть ситуация, когда внутреннее кольцо вследствие заклинивания роликов стоит на месте с обоймой роликов, а вращается ось внутри кольца. Поскольку данный режим является наиболее опасным с точки зрения развития аварийной ситуации, особенно в случае сухого трения между осью и внутренним кольцом, проведено моделирование данного процесса. Результаты моделирования показывают, что средний расчетный темп нагрева оси при провороте внутреннего кольца одного из подшипников в зависимости от параметров трения составляет от 8 до 37 °С/мин. Это говорит о том, что за 25 минут (интервал соответствует времени движения вагона на скорости 60 км/час между двумя соседними постами теплового контроля) от начала заклинивания роликов ось под проворачивающимся внутренним кольцом может нагреться в зависимости от условий трения от 266 до 800 °С. Это может служить основанием для определения рациональной величины уменьшения расстояния между пунктами теплового контроля.

В пятом разделе приводятся результаты разработки и технического воплощения распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов.

Многолетний опыт эксплуатации технических средств контроля показывает, что наилучшие результаты могут быть достигнуты при слежении за нагревом букс по нескольким постам контроля. Это позволяет применить новые диагностические признаки, связанные с динамикой нагрева буксы. С учетом структуры и принципов обслуживания подвижного состава в пути следования сформирована схема передачи информации от устройств контроля перегретых букс. В соответствии с данной схемой разработана архитектура распределенной системы. Архитектура сети системы имеет иерархическую топологию (рисунок 14). Таким образом, в соответствии со структурой организации ОАО «РЖД» структура распределенной системы, которая получила производственное название АСК ПС (Автоматизированная система контроля подвижного состава), строится с выделением следующих уровней:

1 уровень - Линейный (подсистема считывания и формирования диагностических данных, состоящая из средств теплового контроля на перегонах, и подсистема концентрации информации от СТК);

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ

(Центр Управления Перевозками

ОАО «РЖД»)

0000000

оооааоа

IV

Передача данных центральному серверу

ДОРОЖНЫЙ УРОВЕНЬ (СЕТЬ ДОРОГИ)

АРМ поста контроля дорожного уровня

Дорожны« сервер

□а

□

и

Передача данных на другие дороги

Дорожный ; сервер '

И

□

Сервер СПД

Система передачи данных (СПД) на основе концентраторов информации КИ-6М

КИ-6М

КИ-6М

КИ-бМ

• • • 1

а Еэщд

ЛИНЕИНЫИ УРОВЕНЬ

га

АРМ Линейного поста контроля

П, поста ют

ктсм

КТСМ I КТСМ I I ктсм I I ктсм I I ктсм

30-35 км _

ПЕРЕГОН

Рисунок 14 - Структура АСК ПС

2 уровень - Дорожный;

3 уровень - Центральный.

В состав технических средств, образующих 1 уровень, входит разработанный с использованием проведенных исследований КТСМ-02.

Создание КТСМ-02 (Комплекс Технических Средств Многофункциональный) базировалось на принципе построения многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава. В комплекс может включаться до пятнадцати подсистем контроля состояния подвижного состава, напольное оборудование которых с первичными преобразователями (датчиками и дополнительными устройствами) размещается на насыпи, рядом или на верхнем строении пути соответственно проводимым подсистемами измерениям. На основании выводов, полученных в исследованиях для напольного оборудования подсистемы КТСМ-02 Б (контроль нагрева букс) разработана специальная малогабаритная напольная камера КНМ-05, которая устанавливается на подошве рельса, как показано на рисунке 15.

Рисунок 15 - Общий вид напольной камеры КТСМ-02 и ее расположения на рельсе

По важнейшим показателям назначения и экономическим показателям разработанный многофункциональный комплекс КТСМ-02 превосходит эксплуатируемые на железных дорогах ОАО «РЖД» средства теплового контроля буксовых узлов КТСМ-01 и КТСМ-01 Д.

Согласно общей структурной схеме АСК ПС (см. рисунок 14) данные от подсистемы считывания (установок КТСМ) поступают в сеть передачи данных (СПД) на базе концентраторов информации КИ-6М, разработанных при участии автора. СПД предназначена для организации информационного обмена между территориально рассредоточенными источниками и потребителями информации с максимально эффективным использованием каналов и линий связи и ОАО «РЖД».

Прикладное программное обеспечение АСК ПС состоит из автоматизированных рабочих мест оператора линейного поста контроля (АРМ ЛПК) и центрального поста контроля (АРМ ЦПК), обеспечивает решение следующих основных задач:

- автоматический прием информации от средств теплового контроля;

- автоматическое формирование сигналов тревог и оповещения при

перегреве букс;

- просмотр и анализ архивов сохраненной информации в интерактивном режиме;

- выдачу архивных и статистических данных о работе СТК;

- изменение параметров настройки пороговых значений Тревог.

Программные средства АРМа ЦПК позволяют также осуществлять:

- слежение за развитием в поезде дефектов (мониторинг) на участке.

В основе информационного обеспечения распределенной системы теплового контроля лежит разработанная апостериорная модель распознавания классов состояния буксового узла. Разработка модели состоит из следующего:

- обоснование выбора диагностических признаков;

- расчетно-апостериорный метод определения контрольных значений диагностических признаков.

Согласно исследований, проведенных С.П. Лозинским, Е.Е. Трестма-ном, В.И. Самодуровым, В.Л. Образцовым, а также опыта эксплуатации СТК, накопленного автором данной работы, при тепловом контроле буксовых узлов могут использоваться несколько диагностических признаков.

На основании определения потенциальной информативности признаков и анализа исследований упомянутых авторов будем использовать два базовых признака распознавания: амплитуда сигнала букс (уровень - 11г) и отношение амплитуды сигнала каждой буксы вагона к среднему значению амплитуд сигналов остальных букс игср по соответствующей стороне вагона (отношение - ОШ).

Рассмотрим полученные путем обработки сигналов от букс в эксплуатации распределения вероятности исправных и неисправных букс для двух диагностических признаков (11г, ОШ). Данные собирались на Свердловском отделении дороги от букс проходящих поездов с установок КТСМ-01 в течение 2006 года. Распределение вероятности для класса исправных состояло из выборки: 6 500 ООО букс (апрель - декабрь 2006 года), для класса неисправных букс - выборки - 1200. На рисунке 16 приведено пересечение опытных распределений двух классов состояний букс. Задача распознавания состоит в определении уравнения линии вида Б (1/г, Ош), которая, проходя по рассматриваемому пространству (плоскости в нашем случае), минимизировала бы вероятность суммарной ошибки распознавания неисправных букс по двум признакам. Назовем эту линию для удобства пороговой кривой, которая определяет границу между классами разных состояний.

Аналитическое решение задачи определения разделяющей функции известными методами в условиях неоднозначности распределений (см. рисунок 16) приведет к большому числу ошибок распознавания, что недопустимо для железнодорожной отрасли.

Предложено пороговую кривую в пространстве значений признаков Иг, ОШ образовывать наложением трех пороговых ограничений (см. рису-

нок 16):

1) порог только по уровню относительной (избыточной) температуры нагрева буксы (признак 11г), определенному предельно допускаемым в эксплуатации нагревом подшипников;

2) пороговое ограничение в зоне пересечения областей значений обоих признаков для классов исправных и неисправных букс (в так называемой «зоне неопределенности»);

3) пороговое ограничение для букс с большим нагревом относительно других букс в вагоне (признак О(п).

Рассмотрим правила образования каждого порогового ограничения.

Для первого ограничения лимитирующей температурой нагрева служит абсолютное значение температуры недопустимого в эксплуатации процесса каплепадения смазки. Зная данную температуру, через коэффициент передачи относительной темпе-

Признак "Отношение"

20

Признак "Уровень".

Признак От (Отношение)

Рисунок 16 - Опытные распределения двух диагностических параметров ({/г, ОШ) для классов исправных (зеленый) и неисправных (красный) букс и схема образования пороговой кривой

ратуры с подшипника на зону контроля корпуса буксы (определенный с помощью термомеханической модели) находим пороговую относительную температуру на корпусе в зоне контроля.

Для второго ограничения в зоне неопределенности предлагается на базе имеющегося богатого статистического материала применить коэффи-

циент, представляющий соотношение количества (вероятности) неисправных букс к количеству исправных бук с. Для одномерного распределения

Иг/, ^

Для двумерного (по двум признакам 11г, ОШ) запишется в виде

к(иг о*)= рн(иг>°<») = 1н{иг,от) ки v ' ' Ри{иг,От) /и{иг,От) Кн '

где Рн(иг, СНп), Рц(иг, СНп) - частость неисправных и исправных букс; /н(иг, 01п), /и (Щ СНп) - частота неисправных и исправных букс; N¡-1, N¡4- общее количество неисправных и исправных букс.

В результате по рассчитанным принятым диапазонам значений коэффициента К можем построить множество пороговых кривых для зоны 2, каждая из которых будет отражать определенную известную нам степень риска от минимального значения до максимального.

Для третьего ограничения для букс с высоким относительным нагревом необходимо использование нового признака, производного от признаков иг и От (признак «Разность»):

Р, = Щ- игср. = 1^,(1-1/01}^.

Разность значений признака С/г рассматриваемой буксы и среднего значения по вагону 11гср можно трактовать как перегрев буксы относительно «нормального» уровня нагрева для данного режима. Потенциал признака «Разность» можно повысить за счет применения статистического алгоритма расчета «нормального» уровня нагрева букс.

С использованием разработанной апостериорной методики определения порогов теплового контроля выбираются соответствующие пороговые значения для СТК на территории России и утверждаются ОАО «РЖД».

В заключение остановимся кратко на основных результатах внедрения программно-технических средств распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов. В диссертации приводится график влияния объема внедрения КТСМ по годам на уменьшение браков по буксовому узлу. Напомним, что браки по буксовому узлу составляют около 60 % всех браков по вагонному хозяйству. В диссертации приведены также графики, которые показывают, что с увеличением объемов внедрения КТСМ и АСК ПС на сети дорог происходит снижение задержек поездов и снижение отказов средств теплового контроля.

По данным Департамента вагонного хозяйства о работе СТК за 1-е полугодие 2008 г., в диссертации выполнена оценка вероятностных характеристик работы распределенной системы контроля и мониторинга на сети дорог ОАО «РЖД». Получены следующие значения: вероятность ложной тревоги РЛт = 6,48* 10"8 и вероятность пропуска неисправных букс: Рпр = 3,55х10"10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны условия реализации предложенного метода исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками, что обеспечило получение научно обоснованных технических решений, внедрение которых повышает безопасность движения железнодорожного транспорта России и СНГ.

Нижеприведенные выводы, результаты и рекомендации являются основными составными частями решенной проблемы.

1. Впервые создан комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля, системно интегрирующий моделирование следующих процессов: действие нагрузок на буксовый узел во время движения вагона; выделения тепла в зонах трения; распространения тепловых потоков от подшипников к шейке оси и к наружным поверхностям, доступным для теплового контроля зон корпусов букс; излучения тепловой энергии с поверхности буксы в ИК области спектра; восприятия ИК излучения приемником напольных средств контроля при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды с учетом различных геометрических параметров корпусов букс и ориентации сканирующей системы.

Вычислительная реализация комплекса математических моделей позволяет проводить имитационное моделирование процессов теплового контроля и разрабатывать рекомендации по созданию новых систем теплового контроля и совершенствованию технологии контроля базовыми системами, существенно сократив объем экспериментальных исследований.

2. Разработан и реализован комплекс экспериментальных исследований для изучения температурных режимов буксовых узлов с различными типами подшипников в работоспособном и предаварийном состояниях при наличии наиболее часто возникающих в эксплуатации неисправностей. Комплекс включает в себя исследования на стенде, в поездных условиях и в процессе подконтрольной эксплуатации с контактными и бесконтактными измерениями температур и относительных уровней нагрева буксовых узлов.

3. Полученные при инструментальных измерениях распределения температур буксовых узлов в поездных и стендовых условиях, в сравнении с результатами расчетов на термомеханической модели, сопоставимы качественно и количественно (расхождение не более 10 %).

4. Разработана на базе созданных математических моделей методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс, которая может быть использована для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля и при проектировании нового подвижного состава.

Методика применена для оценки контролепригодности буксовых узлов локомотивов постоянного и переменного тока различных серий, грузо-

вых и пассажирских вагонов нового поколения, в том числе с коническими подшипниками кассетного типа. Результатом применения методики явилось:

- обоснование преимуществ контроля установками КТСМ-02 высокоскоростного пассажирского подвижного состава на тележках моделей 684076, 68-4075, что было в первую очередь внедрено (замена КТСМ-01 на КТСМ-02) на магистралях ОАО «РЖД» с высокоскоростным движением;

- для обеспечения полноценного контроля буксовых узлов локомотивов обосновано комбинированное применение установок КТСМ-01 и КТСМ-02, что привело к созданию на железных дорогах ОАО «РЖД» специализированных пунктов контроля.

5. Исследованиями на моделях установлено, что нагрев колес при различных режимах торможения (кратковременном, длительном) колодочным тормозом, а также при движении с неотпущенными тормозами, незначительно сказывается на нагреве буксовых узлов (в пределах погрешности напольных средств теплового контроля). Нагрев тормозных дисков скоростных пассажирских вагонов при различных режимах торможения также не сказывается на нагреве буксового узла.

Характер нагрева колеса при тормозных процессах показывает, что для создания систем контроля неотпущенных тормозов по нагреву колес наиболее эффективной зоной контроля является обод колеса и диск.

6. При оценке влияния нагрева неисправной буксы на элементы колеса получено, что при заклинивании роликов между кольцами подшипников средний темп нагрева поверхности корпуса буксы составляет 1,06 °С/мин, при этом темп нагрева поверхности ступицы колеса:

- при заклинивании заднего подшипника составляет 0,29 °С/мин;

- при заклинивании переднего подшипника - 0,16 °С/мин.

Это означает, что температура ступицы при неисправном переднем подшипнике в 6 раз меньше, а при неисправном заднем - в 3,7 раза меньше, чем температура корпуса буксы. Это доказывает нецелесообразность использования для контроля буксовых узлов вспомогательных напольных камер, в которых приемник ориентирован на ступицу колеса.

7. Результаты стендовых испытаний и моделирования аварийного состояния буксового узла с часто встречающейся неисправностью - разрушенным торцевым креплением и смещением корпуса буксы - показывают, что несмотря на последующий выход из строя переднего подшипника может поддерживаться относительная временная работоспособность заднего подшипника в режиме эксплуатационных нагрузок только радиального направления. При этом температура наружных колец и внешних поверхностей корпуса буксы не превышает минимальных пороговых значений, принятых для настройки средств теплового контроля. При такой ситуации полностью исключить случаи несвоевременного обнаружения аварийного разрушения подшипников при нарушении торцевого крепления и сползании корпуса буксы только средствами теплового контроля нельзя.

8. На основе полученных и обоснованных в работе решений создания и совершенствования систем теплового контроля букс:

- разработано техническое и программное обеспечение принципиально новой многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава КТСМ-02, состоящей из действующих подсистем обнаружения перегретых букс КТСМ-02Б и неисправностей тормозного оборудования КТСМ-02Т, с возможностью подключения к базовой системе подсистем контроля других параметров технического состояния подвижного состава;

- разработаны рекомендации по повышению эффективности контроля букс разнотипного подвижного состава средствами КТСМ-01.

9. С учетом структуры и принципов обслуживания подвижного состава в пути следования разработана и технически реализована архитектура распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов (АСК ПС) отраслевого назначения.

Для функционирования АСК ПС разработано программное обеспечение автоматизированных рабочих мест оператора линейного поста контроля (АРМ ЛПК) и центрального поста контроля (АРМ ЦПК), которые обеспечивают решение основных задач контроля и диагностики.

10. Для информационного обеспечения АСК ПС в части статистического распознавания класса перегретых (неисправных) букс разработана апостериорная модель, позволяющая определять пороговые значения диагностических признаков в зависимости от сезона, характера участка.

Оцененные по данным эксплуатации сети дорог ОАО «РЖД» за 1-е полугодие 2007 и 2008 гг. значения характеристик работы распределенной системы контроля и мониторинга АСК ПС:

- вероятность ложной тревоги (2008 год - 6,48x10"8; 2007 год -9,08x10"8),

- вероятность пропуска неисправной буксы (2008 год - 3,55x10"'°; 2007 год -3,79x10-'°)

свидетельствуют о рациональном выборе пороговых значений контроля нагрева букс и эффективности работы всех подсистем распределенной системы контроля и мониторинга.

11. По основным техническим характеристикам, влияющим на технико-экономическую эффективность средств теплового контроля, КТСМ-02 имеет преимущество перед КТСМ-01. Годовой экономический эффект от внедрения КТСМ-02 в расчете на одну единицу равен 144,7 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Миронов A.A. Имитационная модель функционирования аппаратуры теплового контроля буксовых узлов подвижного состава // Транспорт, наука, техника, управление.- 2009.-№5. -С. 8-14.

2. Миронов A.A. Создание отраслевой системы мониторинга безопасности железнодорожного подвижного состава в пути следования // Транспорт Урала. - 2006. - № 2(9). - С. 42^17.

3. Миронов A.A. Виртуальная модель бесконтактного теплового контроля буксовых узлов подвижного состава // Транспорт Урала. - 2008. - № 3(18).-С. 59-65.

4. Миронов A.A., Образцов B.JL, Павлюков А.Э. Температурный режим буксового узла при нарушении торцевого крепления и тепловой контроль // Железнодорожный транспорт. - 2005. - № 6. - С. 60-61.

5. Миронов A.A., Занкович A.B., Павлюков А.Э. Исследование термо-нагруженности буксового узла с кассетным подшипником // Транспорт Урала. - 2005. -№ 6. - С. 54-61.

6. Миронов A.A., Салтыков Д.Н., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Оценка пороговых значений в задаче диагностики букс подвижного состава по тепловым признакам // Транспорт Урала. - 2007. - № 3(14). - С. 69-73.

7. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. О взаимном нагреве колеса и буксового узла в процессе эксплуатации подвижного состава // Транспорт Урала. - 2008. - № 4(19). - С. 24-29.

8. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Контроль нагрева букс и безопасность движения высокоскоростного подвижного состава // Транспорт Урала. - 2009. - № 1(20). - С. 50-54.

9. Павлюков А.Э., Миронов A.A., Занкович A.B. Диагностическая модель бесконтактного теплового контроля букс подвижного состава // Транспорт Урала. - 2004. - № 2. - С. 44-52.

10. Салтыков Д.Н., Павлюков А.Э., Миронов A.A. Исследование и разработка новых технических решений повышения безопасности движения железнодорожного транспорта//Транспорт Урала - 2006 - №3(10).-С.35^40.

11. Миронов A.A., Павлюков А.Э., Образцов В.Л., Занкович A.B. Моделирование температурных полей буксового узла с цилиндрическими и коническими роликовыми подшипниками // Вестник ВНИИЖТ. - 2007. -№2.-С. 37-10.

12. Миронов A.A., Ефимов В.П., Павлюков А.Э. Буксовый узел тележки - преемственность технологий моделирования при решении задач жизненного цикла // Тяжелое машиностроение. - 2005. -№ 8. - С. 29-33.

13 Миронов A.A., Образцов В.Л., Митюшев B.C., Салтыков Д.Н. Тепловой контроль буксовых узлов инфракрасной оптикой // Локомотив. -2008. -№ 4.-С. 29-32

14. Пат. 2340496 Российская Федерация, МКИ В 61 К 9/06. Способ обнаружения заторможенных колесных пар рельсового подвижного состава / Митюшев B.C., Мозжевилов А.Б., Миронов А. А., Лядов В.В.; заявитель и патентообладатель ООО «Инфотэкс AT». -№2006129417/11; заявл. 14.08.08; опубл. 10.12.2008, Бюл. № 34.-2с.: ил.

15. Пат. 2350502 Российская Федерация, МКИ В 61 К 9/04. Устройство для настройки средств теплового контроля ходовых частей подвижного состава / Лядов В.В., Миронов A.A., Образцов В.Л., Пигалев Н.Г.; заявитель и патентообладатель ООО «Инфотэкс AT». - № 2007135465/11; заявл. 24.09.07; опубл. 27.03.09, Бюл. № 9—2с.: ил.

16. Пат. 2281873 Российская Федерация, МКИ В 61 Н 11/02. Устройство для автоматического торможения подвижного состава при сходе с рельсов / Салтыков Д.Н., Павлюков А.Э., Миронов A.A., Балабанов Е.В.; заявитель и патентообладатель Уральск, гос. ун-т путей, сообщ. -№2005104514/11; заявл. 18.02.2005; опубл. 20.08.06, Бюл. № 23.-2с.: ил.

17. Решение ФИПС от 27.04,09 о выдаче патента Российской Федерации на изобретение. МПК В61К 9/06(2006.01). Напольная камера устройства для теплового контроля ходовых частей рельсового подвижного состава / Балабанов Е.В., Лядов В.В., Миронов A.A., Мозжевилов А.Б., Образцов В.Л., Пигалев Н.Г.; заявитель и патентообладатель ООО «Инфотэкс АТ».-№ 2008111204/11; заявл. 24.03.08; публ. заявки 27.09.09, Бюл. №27.

18. Миронов A.A. Новые функциональные возможности комплексов КТСМ и систем централизованного контроля АСК ПС // Автоматика, связь, информатика. - 2005. - № 12. - С. 64-67.

19. Миронов A.A. Перспективные направления совершенствования средств контроля типа КТСМ-02 и АСК ПС // Автоматика, связь, информатика. - 2009. - № 1. - С. 34-37.

20. Миронов A.A., Тагиров А.Ф. Применение комплектов КТСМ в современных условиях И Автоматика, связь, информатика. - 2002 — № 9. - С. 5-9.

21. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Резервы повышения эффективности тепловой диагностики буксовых узлов // Автоматика, связь, информатика. - 2004. - № 2. - С. 5-9.

22. Миронов A.A., Образцов В.Л., Соболев В.Я., Григорьев К.В. Анализ опыта эксплуатации технических средств контроля ходовых частей подвижного состава в движущихся поездах // Автоматика, связь, информатика. - 2005. - № 3. - С. 28-30.

23. Миронов A.A., Образцов В.Л., Соболев В.Я., Григорьев К.В. Анализ опыта эксплуатации технических средств контроля ходовых частей подвижного состава в движущихся поездах // Автоматика, связь, информатика. - 2005. - № 5. - С. 31-34.

24. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Контролепригодность подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике // Автоматика, связь, информатика. - 2006. - № 11. - С. 54-57.

25. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э., Митюшев B.C., Пигалев Н.Г. Тепловая диагностика подшипников кассетного типа грузовых вагонов //Автоматика, связь, информатика. - 2007. - № 9. - С. 12-14.

26. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э., Митюшев B.C., Пигалев Н.Г. Тепловая диагностика подшипников кассетного типа пассажирских вагонов // Автоматика, связь, информатика. - 2007. - № 10. - С. 20-22.

27. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Технические средства диагностики ходовых частей подвижного состава // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2005. - № 2. - С. 4-46.

28. Миронов A.A., Образцов В.Л., Пигалев Н.Г., Павлюков А.Э. Особенности теплового контроля буксовых узлов со смещением корпуса // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2005. - № 3. - С. 44-47.

29. Миронов A.A., Павлюков А.Э., Образцов В.Л., Пигалев Н.Г. Температурные режимы работы букс // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2006. -№3(7).-С. 8-13.

30. Миронов A.A., Митюшев B.C., Григорьев К.В., Образцов B.JI. Распознавание буксовых узлов по тепловым сигналам // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2007. - N 3. - С. 42-45.

31. Григорьев К.В., Миронов A.A., Митюшев B.C., Образцов В.Л. Контролировать нагрев буксовых узлов будут в градусах // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2009. - N 2. - С. 22-24.

32. Миронов A.A. Расчет теплообразования в вагонной буксе с роликовыми подшипниками цилиндрического типа // Безопасность движения, совершенствование конструкций вагонов и ресурсосберегающие технологии в вагонном хозяйстве: сб. науч. тр. / под. ред. проф. A.B. Смольянинова.

- Екатеринбург: УрГУПС. - 2006. - № 38(121). - С. 66-70.

33. Миронов A.A., Образцов В.Л., Занкович A.B., Пигалев Н.Г., Балабанов Е.В., Павлюков А.Э. Кинетика разрушения роликовых подшипников и обнаружение неисправностей букс средствами тепловой диагностики // Безопасность движения, совершенствование конструкций вагонов и ресурсосберегающие технологии в вагонном хозяйстве: сб. науч. тр. / под ред. проф. A.B. Смольянинова. - Екатеринбург: УрГУПС, 2006. - № 38(121). -С. 71-85.

34. Миронов A.A. Ретроспективные аспекты создания, совершенствования и модернизации тепловой диагностики перегретых букс // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: материалы Всерос. науч.-техн. конф.- Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - Т. 1. - С. 165-172.

35. Миронов A.A., Павлюков А.Э., Занкович A.B. Разработка термомеханической модели работы буксового узла грузового железнодорожного вагона. Механика и процессы управления: труды 34-го Уральского семинара по механике и процессам управления УРО РАН. — Екатеринбург : Ред. Миасского науч. центра, 2004. - Т. 2. - С. 188-197.

36. Миронов A.A., Кораблев П.А. Информационная система контроля подвижного состава. Современные информационные технологии, электронные системы и приборы железнодорожного транспорта: сб. науч. тр. / под. ред. д-ра техн. наук Б.С. Сергеева. - Екатеринбург: УрГУПС, 2005. - С. 9297.

37. Миронов A.A. Обоснование критериев тепловой бесконтактной диагностики букс подвижного состава II Безопасность движения поездов: Тр. VI-й науч.-практ. конф. - М.: МИИТ, 2005. - С. VII-17-VII-18.

38. Миронов A.A. Автоматизация контроля нагрева букс подвижного состава // Проблемы и перспективы железнодорожного транспорта: Тез. LXVI Междунар. науч.-практ. конф. - Д.; ДИИТ, 2006. - С. 74.

39. Миронов A.A., Тагиров А.Ф., Образцов В.Л. Автоматизированная система контроля подвижного состава (АСК ПС). Безопасность движения, совершенствование конструкций вагонов и ресурсосберегающие технологии в вагонном хозяйстве: сб. науч. тр. / под ред. проф. A.B. Смольянинова.

- Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - С. 65-70.

40. Миронов A.A., Образцов B.JI. О стратегии и средствах реализации систем комплексного контроля технического состояния подвижного состава в пути следования // Безопасность движения поездов: Тр. науч.-практ. конф. - М.: МИИТ, 2003. - С. IV-60-IV-61.

41. Миронов A.A. Вероятностный и детерминированный подходы к задаче бесконтактного теплового диагностирования подшипников железнодорожных вагонов // Наука, техника и высшее образование: проблемы и тенденции развития: сб. науч. тр. / под ред. проф. В.П. Мозолина, проф. АЛ. Голубенко. - Изд-во Рост, ун-та, 2006. - С. 148-149.

42. Миронов A.A. Вычислительная технология оценки приспособленности проектируемых ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс // Безопасность движения поездов.: Тр. VII-й науч.-практ. конф. - М.: МИИТ, 2006. - С. V-25-V-26.

43. Миронов A.A., Образцов B.JI, Пигалев Н.Г, Павлюков А.Э. Совершенствование средств тепловой диагностики букс для повышения уровня безопасности движения // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: материалы Всерос. науч.-техн. конф. - Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - Т. 1. - С. 84-94.

44. Миронов A.A., Занкович A.B., Павлюков А.Э. Моделирование температурного поля вагонной буксы с коническими подшипниками кассетного типа. Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: IV-я Междунар. науч.-техн. конф.: Тез. докл. - СПб., 2005. - С. 144-146.

Миронов Александр Анатольевич

НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ БУКС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Сдано в набор 15.10.2009 Формат бумаги 60x84 1/16 Заказ № 34

Подписано к печати 13.10.2009 Объем 2,75 п.л.

Тираж 150 экз._

Издательство УрГУПС, 620034, г. Екатеринбург, Колмогорова, 66

ВВЕДЕНИЕ.

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 соцряже 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 буксовых 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 1).

2.2 Разработка и оценка термомеханической модели работы буксовых узлов разных типов (блок 2).

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 конечно-элементной модели тепловых процессов в буксовом узле (подмодель 2.2).

2.2.5 Моделирование теплоотдачи во внешнюю среду с учетом обтекания потоком встречного воздуха (подмодель 2.3).

2.3 Модель сканирования буксы подвижной единицы приемником ИК излучения при проследовании поезда (блок 3).

2.3.1 Определение координат узлов конечно-элементной 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 4).

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.106

Выводы по разделу 2.

3 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БУКСОВОГО УЗЛА В. КОНТЕКСТЕ ТЕПЛОВОГО

КОНТРОЛЯ.116^

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-01 и КТСМ-02.

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.

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 4.

5 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОЗДАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА НАГРЕВА БУКСОВЫХ УЗЛОВ В ДВИЖУЩИХСЯ ПОЕЗДАХ.

5.1 Архитектура и программно-технические 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-02.

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 Расчетно-экспериментальный метод определения контрольных значений диагностических признаков.

5.2.3 Разработка информационного и программного обеспечения мониторинга нагрева буксовых узлов.

5.3 Основные результаты внедрения программно-технических 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 5.

На железнодорожном транспорте Российской Федерации на буксовый узел приходится до 61,2% от общего количества браков по вагонному хозяйству и до 27% отцепок вагонов в период гарантийного срока эксплуатации после деповского или капитального ремонта. По данным ВНИИЖТ в первый месяц эксплуатации выходит из строя 35 % буксовых узлов, в первую очередь, по дефектам смазки и грубым нарушениям технологии монтажа. В последующие месяцы растут отцепки по дефектам смазки, торцевого крепления, и повреждениям колец подшипника, роликови сепаратора. Значительная часть неисправностей буксового узла связана с повышением его нагрева с различной интенсивностью.

Контроль состояния буксовых узлов в эксплуатации производится визуально на пунктах технического обслуживания осмотрщиками вагонов, а на перегонах и подходах к пунктам технического обслуживания (ПТО) - напольными бесконтактными средствами теплового контроля (СТК) по инфракрасному (ИК) излучению от букс проходящих поездов. По существу СТК являются основными аппаратными средствами контроля буксовых узлов на российских железных дорогах и большинстве зарубежных дорог.

Данные системы контроля технического состояния подвижного состава позволяют своевременно выявлять появляющиеся в процессе эксплуатации неисправности ходовых частей подвижного состава и, тем самым, предупредить возникновение необратимых отказов, способных привести к авариям и крушениям.

Широкое применение СТК и огромная роль данных средств в процессе обеспечения безопасности движения, ставят большое количество вопросов в процессе проектирования и эксплуатации СТК и подвижного состава, решение которых требует проведения теоретических и экспериментальных исследований. Однако исследования в данной области носят разрозненный характер, касающийся или объекта диагностирования - буксы, или вопросов совершенствования оборудования СТК. Необходим системный подход к организации и проведению исследований.

Данное исследование посвящено развитию научных и технических основ бесконтактного теплового контроля букс в движущихся поездах.

Общая методика исследований построена на использовании метода конечных элементов (МКЭ) в теплотехнике и газодинамике, методов теоретической механики, имитационного моделирования, виртуального трехмерного моделирования, идентификации, аналитической геометрии, статистики и теории вероятности, объектно-ориентированного программирования, теплотехнических контактных и бесконтактных измерений, компьютерных технологий и испытаний в реальных условиях и на стендах.

На защиту выносятся:

1 Метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

2 Комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля, системно интегрирующий моделирование следующих процессов: действия нагрузок на буксовый узел во время движения вагона; выделения тепла в зонах трения, распространения тепловых потоков от подшипников > к шейке оси и к наружным поверхностям доступным для тепловог-о контроля зон корпусов букс; излучения тепловой энергии в ИК области спектра; восприятия РЖ излучения приемником напольных средств контроля при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды с учетом различных геометрических параметров корпусов букс и характера ориентации сканирующей системы.

3 Методика выбора пороговых значений оценки работоспособного состояния букс.

4 Разработка и применение для различного подвижного состава методики оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

5 Результаты экспериментальных исследований температурных режимов буксовых узлов с различными типами подшипников, находящихся в работоспособном и предаварийном состояниях, проведенных на стенде, в поездных условиях и в процессе подконтрольной эксплуатации.

6 Теоретические результаты, полученные на моделях:

- особенности-распределения тепловых потоков от подшипников к потенциальным зонам контроля на корпусах букс разнородного подвижного состава;

- оценка влияния нагрева1 ободов, дисков и ступиц колес при колодочном торможении и осей колесных пар при дисковом торможении на нагрев подшипников и корпусов букс в контролируемых зонах;

- характер нагрева буксовых узлов в аварийных режимах работы с наличием различных неисправностей.

7 Программно-технические решения, реализованные при создании средств теплового контроля нового поколения КТСМ-02, совершенствовании контроля базовыми средствами КТСМ-01, разработке и эксплуатации отраслевой распределенной системы контроля и мониторинга нагрева букс.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1 Предложен новый метод исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками, основанный на:

- имитационном моделировании всего процесса бесконтактного теплового контроля;

- комплексных экспериментальных исследованиях температурных режимов буксовых узлов в работоспособном состоянии и при наличии основных предава-рийных неисправностей;

- распознавании класса неисправных букс при тепловом контроле с учетом опытных данных.

2 Впервые создан комплекс связанных математических моделей бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками.

Комплекс включает следующие математические модели, разработанные в рамках исследования и имеющие научную новизну:

- термомеханическую модель функционирования буксового узла, которая позволяет моделировать процесс образования тепла в роликоподшипниках цилиндрического и конического типа при рабочих и аварийных режимах, теплопередачу в буксовом узле и. теплоотдачу во внешнюю среду в зависимости от нагрузок- на буксовый узел искорости движения вагона;

- математическую модель пространственного сканирования? буксы приемником ИКизлученияшри проследовании-поезда, позволяющуюполучитьтраекторию сканирования буксы любой заданной геометрии при любых углах ориентации приемника ИК излучения;

- математическую модель ИК излучениях зоны сканирования; буксового узла, передачи лучистой энергии на приемник ИК излучения и определение уровня сигнала- излучения, соответствующего относительному и абсолютному нагреву буксового узла.

3 Предложена апостериорная модель статистического характера для распознавания класса неисправных букс при тепловом контроле: и выбора контрольных значений признаков оценки работоспособного состояния-букс:.

4 Впервые на базе комплекса моделей бесконтактного теплового контроля^ разработана методика оценки контролепригодности1 ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс.

Практическая ценность исследований состоит в следующем:

1 Для имитационного моделированияфазработана вычислительная реализация: комплекса математических моделей бесконтактного теплового контроля различных типов г буксовых узлов. Это позволяет проводить численные исследования процессов теплового контроля и разрабатывать рекомендации по созданию новых систем теплового контроля и- совершенствования; технологии, контроля; базовыми системами;, существенно сократив объем экспериментальных исследований.

2 Реализована на базе созданных математических моделей методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного^ состава к тепловой; бесконтактной диагностике букс, которая может быть использована для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля и на стадии проектировании нового подвижного состава. Методика апробирована для скоростного пассажирского и тягового подвижного состава и позволила обосновать внедрение на основных магистралях страны конкретные технические решения и алгоритмы теплового контроля.

3 Получено теоретически и экспериментально подтверждение того, что полностью исключить случаи несвоевременного обнаружения аварийного разрушения подшипников в часто встречающихся аварийных ситуациях буксового узла (нарушение торцевого крепления подшипников со сдвигом корпуса буксы и ослабление посадки внутреннего кольца подшипника) только средствами теплового контроля нельзя.

4 На основе полученных и научно-обоснованных в работе предложений создания и модернизации систем теплового контроля букс разработано техническое обеспечение принципиально новой много функциональной напольной системы диагностики подвижного состава КТСМ-02 с возможностями подключения к ней подсистем контроля других параметров состояния подвижного состава.

5 С учетом структуры и принципов обслуживания подвижного состава в пути следования разработана и технически реализована на базе оборудования КТСМ распределенная система теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов (АСК ПС) отраслевого назначения.

На конец 2008 г. АСК ПС внедрена на 15 дорогах сети ОАО «РЖД». Доля КТСМ в общем количестве СТК на дорогах России составляет 100% (в абсолютном выражении 4588 установок), из них доля КТСМ-02 - 33% (1492 установки).

Автор выражает признательность научному консультанту д.т.н., доценту А.Э. Павлюкову за помощь и поддержку в работе, а также благодарит к.т.н., профессора М.В. Орлова, д.т.н., профессора В.Ф. Лапшина за научные консультации при подготовке работы, благодарит за многолетнюю совместную работу по созданию и внедрению систем тепловой диагностики букс специалистов предприятия «Инфотэкс» В.Л. Образцова, к.т.н. А.Ф. Тагирова, В.В. Лядова, Н.Г. Пигалева, А.Б. Мозжевилова, B.C. Митюшева, Е.В. Балабанова, к.т.н. Д.Н. Салтыкова и других коллег, принимавших в этом процессе участие.

Выводы по разделу 5

1 С учетом структуры и принципов обслуживания подвижного состава в пути следования разработана и технически реализована архитектура распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов (АСК ПС). Архитектура системы, согласно структуре ОАО «РЖД», имеет многоуровневую, иерархическую, сетевую топологию.

2 АСК ПС базируется на: технических средствах теплового контроля букс подвижного состава КТСМ-01 и КТСМ-02 (имеется возможность включения дополнительных напольных систем для контроля других параметров подвижного состава);

- сети передачи данных;

- программного обеспечения (АРМ ЛПК, АРМ ЦПК); информационного взаимодействия между удаленными элементами внутри системы, а также с системами автоматизации перевозочного процесса, безопасности АСУ МС и другими.

На конец 2008 года АСК ПС внедрена на 15 дорогах сети ОАО «РЖД». Доля КТСМ в общем количестве СТК на дорогах России составляет 100 % (в абсолютном выражении 4588 установок), из них доля КТСМ-02 - 33 % (1492 комплекта).

3 На основе полученных и обоснованных в работе решений создания и совершенствования систем теплового контроля букс разработано техническое обеспечение принципиально новой многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава КТСМ-02, состоящей из действующих подсистем обнаружения перегретых букс КТСМ-02Б и неисправностей тормозного оборудования КТСМ-02Т, и потенциально подключаемых к базовой системе подсистем контроля других параметров состояния подвижного состава.

4 Для функционирования АСК ПС разработано программное обеспечение автоматизированных рабочих мест оператора линейного поста контроля (АРМ ЛПК) и центрального поста контроля (АРМ ЦПК), которые обеспечивают решение основных задач диагностики:

- автоматический прием информации от средств контроля;

- автоматическое формирование сигналов тревог и оповещения при перегреве букс;

- изменение параметров настройки пороговых значений Тревог;

- слежение за развитием в поезде дефектов (мониторинг) на участке',

- представление информации - карты «больного вагона» с видом и расположением дефектов;

- выдачу архивных и статистических данных о работе технических средств контроля подвижного состава;

- автодиагностику оборудования перегона, станции и каналов связи.

5 Для информационного обеспечения АСК ПС в части статистического распознавания класса перегретых (неисправных) букс разработана апостериорная модель, включающая:

- обоснование выбора диагностических признаков;

- расчетно-экспериментальный метод определения контрольных значений диагностических признаков;

- оценку динамики (интенсивности) нагрева буксы.

6 При разработке модели распознавания класса неисправных букс предложен не применяемый ранее при тепловом контроле букс диагностический признак -«вероятностная разность», - учитывающий случайный характер, который принимают значения диагностического параметра.

7 Проанализировано влияние объемов внедрения КТСМ на снижение количества задержек поездов и отцепок. За наблюдаемый интервал времени с 2001 по 2007 годы доля КТСМ в общем количестве СТК на дорогах России изменилась с 0,19 до 1,0, при этом задержки поездов сократились с 2,63 до 1,06 на 1000 проконтролированных поездов, а отцепки вагонов - с 3,31 до 1,13 на 10000 поездов.

8 Использование АСК ПС позволяет выявлять дефекты буксового узла не по критическим пороговым значениям, а на более ранней стадии развития дефекта. Так, из 138 отцепленных вагона на Свердловской железной дороге за 2006-2007 гг. с нарушением торцевого крепления подшипников большинство отцепок (63%) производилось по предаварийным критериям, учитывающим историю нагрева в АСК ПС: «Тревога 0» с повтором, «Тревога - Профилактика», «Тревога - Динамика», и только 7% - по критической «Тревоге 2»

Благодаря использованию дифференцированных пороговых значений контроля буксового узла по нагреву, определенных согласно разработанной модели распознавания, исследованные случаи отцепок в 2006-2007 гг. на Свердловской железной дороге по нарушению торцевого крепления сосредоточились в большей степени на пунктах технического обслуживания - ПТО (85%) и пунктах опробования тормозов - ПОТ (9%), а не на перегонах.

9 Численно оценены по данным эксплуатации сети дорог ОАО «РЖД» за первое полугодие 2007 и 2008 гг. характеристики работы распределенной системы контроля и мониторинга АСК ПС:

- вероятность ложной тревоги (2008 год - 6,48 х 10"8; 2007год - 9,08 х 10"8),

- вероятность пропуска неисправной буксы (2008 год - 3,55 х Ю"10; 2007 год - 3,55 х Ю"10), что свидетельствуют о рациональном выборе пороговых значений контроля нагрева букс и эффективности работы всех подсистем распределенной системы контроля и мониторинга.

10 По основным техническим характеристикам, влияющим на технико-экономическую эффективность СТК КТСМ-02 имеет преимущество перед КТСМ-01 (потребляемая мощность, масса напольных камер и стойки, объем имеющейся диагностики, наработка на отказ, затраты на ТО).

11 Экономический эффект от внедрения КТСМ-02 образуется путем:

- снижения затрат на электроэнергию, регламентное техническое обслуживание и устранение отказов средств контроля, сокращение обслуживающего персонала на 1 усл. единицу СТК;

- снижения задержек поездов в пути следования и отцепок вагонов, в том числе за счет перераспределения отцепок между пунктами контроля промежуточных станций и ПТО сортировочных станций (разница в стоимости отцепки вагона от поезда);

- снижения браков по буксовому узлу, аварий и крушений из-за разрушения буксовых узлов, в том числе со сходом вагонов и др.

В расчете на одну единицу КТСМ-02 годовой экономический эффект от внедрения составил 144,7 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны условия реализации предложенного метода исследования бесконтактного теплового контроля различных типов буксовых узлов с цилиндрическими и коническими роликоподшипниками, что обеспечило получение научно-обоснованных технических решений, внедрение которых вносит вклад в обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта России и СНГ.

Нижеприведенные выводы, результаты и рекомендации являются основными составными частями решенной проблемы.

1 Впервые создан комплекс математических моделей бесконтактного теплового контроля, системно интегрирующий моделирование следующих процессов: действие нагрузок на буксовый узел во время движения вагона; выделения тепла в зонах трения; распространения тепловых потоков от подшипников к шейке оси и к наружным поверхностям доступным для теплового контроля зон корпусов букс; излучения тепловой энергии в ИК области спектра, восприятия ИК излучения приемником напольных средств контроля при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды с учетом геометрических параметров корпусов букс и ориентации сканирующей системы.

2 Разработан и реализован комплекс экспериментальных исследований для изучения температурных режимов буксовых узлов с различными типами подшипников в работоспособном и предаварийном состояниях при наличии наиболее часто возникающих в эксплуатации неисправностей. Комплекс включает в себя исследования на стенде, в поездных условиях и в процессе подконтрольной эксплуатации с контактными и бесконтактными измерениями температур и относительных1 уровней нагрева буксовых узлов.

3 Полученные при инструментальных измерениях распределения температур буксовых узлов в поездных и стендовых условиях, в сравнении с результатами расчетов на термомеханической модели, сопоставимы качественно и количественно (расхождение не более 10%).

4 Разработана на базе созданных математических моделей методика оценки контролепригодности ходовых частей подвижного состава к тепловой бесконтактной диагностике букс, которая может быть использована для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля и при проектировании подвижного состава нового поколения.

Методика использована для оценки контролепригодности буксовых узлов локомотивов постоянного и переменного тока различных серий, грузовых и пассажирских вагонов нового поколения, в том числе с коническими подшипниками кассетного типа. Результатом применения методики явилось:

- обоснование преимуществ контроля установками КТСМ-02 высокоскоростного пассажирского подвижного состава на тележках моделей 68-4076, 68-4075, что было в первую очередь внедрено (замена КТСМ-01 на КТСМ-02) на магистралях ОАО «РЖД» с высокоскоростным движением (Москва - Санкт-Петербург; Москва - Нижний Новгород; Москва - Северодвинск; Москва - Суземка (на Киев); Москва - Адлер; Москва - Красноярск);

- для обеспечения полноценного контроля буксовых узлов локомотивов обосновано комбинированное применение установок КТСМ-01 и КТСМ-02, что привело к созданию на железных дорогах ОАО «РЖД» специализированных пунктов контроля (в течение 2007-2008 гг. создано 262 таких пункта контроля).

5 Исследованиями на моделях установлено, что нагрев колес при различных режимах торможения (кратковременном, длительном) колодочным тормозом, а также при движении с неотпущенными тормозами, незначительно сказывается на нагреве буксовых узлов (в пределах погрешности напольных средств теплового контроля). Нагрев тормозных дисков скоростных пассажирских вагонов при различных режимах торможения также не сказывается на нагреве буксового узла.

6 При оценке влияния нагрева неисправной буксы на элементы колеса выявлено, что при заклинивании роликов между кольцами подшипников средний темп нагрева поверхности корпуса буксы составляет 1,06 °С/мин., при этом темп нагрева поверхности ступицы колеса:

- при заклинивании заднего подшипника составляет 0,29 °С/мин.;

- при заклинивании переднего подшипника - 0,16 °С/мин.

Это означает, что температура ступицы при неисправном переднем подшипнике в шесть раз меньше, а при неисправном заднем - в 3,7 раза меньше, чем температура корпуса буксы. Это доказывает нецелесообразность использования для контроля буксовых узлов вспомогательных напольных камер, в которых приемник ориентирован на ступицу колеса.

7 Результаты стендовых испытаний и моделирования аварийного состояния буксового узла с часто встречающейся неисправностью - разрушенным торцевым креплением и смещением корпуса буксы показывают, что несмотря на последующий выход из строя переднего подшипника может поддерживаться относительная временная работоспособность заднего подшипника в режиме эксплуатационных нагрузок только радиального направления. При этом температура наружных колец и внешних поверхностей корпуса буксы не превышает минимальных пороговых значений, принятых для настройки средств теплового контроля. При такой ситуации полностью исключить случаи несвоевременного обнаружения аварийного разрушения подшипников при нарушении торцевого крепления и сползании корпуса буксы только средствами теплового контроля нельзя.

8 На основе полученных и обоснованных в работе решений создания и совершенствования систем теплового контроля букс:

- разработано техническое обеспечение принципиально новой многофункциональной напольной системы диагностики подвижного состава КТСМ-02, состоящей из действующих подсистем обнаружения перегретых букс КТСМ-02Б и неисправностей тормозного оборудования КТСМ-02Т, с возможностью расширения для подключения к базовой системе подсистем контроля других параметров состояния подвижного состава;

- разработаны рекомендации по повышению эффективности контроля букс разнотипного подвижного состава базовыми средствами КТСМ-01.

9 Сопоставление результатов измерений контактными термометрами в поездных условиях и бесконтактным способом с помощью КТСМ-02 показывает, что среднеквадратическая ошибка измерений (среднеквадратическое отклонение разности фактических температур корпусов букс в зоне сканирования и определенных по тепловым сигналам КТСМ-02) не превышает 1,0°С, среднее значение ошибки составляет 1 ,ГС (5,7%). Это означает, что средства теплового контроля КТСМ-02 с достаточной для эксплуатации точностью отражают относительный нагрев букс проходящих поездов.

10 С учетом структуры и принципов обслуживания подвижного состава в пути следования разработана и технически реализована архитектура распределенной системы теплового контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов (АСК ПС) отраслевого назначения. Архитектура системы согласно структуре ОАО «РЖД» имеет многоуровневую, иерархическую, сетевую топологию.

11 Для функционирования АСК ПС разработано программное обеспечение автоматизированных рабочих мест оператора линейного поста контроля (АРМ ЛПК) и центрального поста контроля (АРМ ЦГЖ), которые обеспечивают решение основных задач контроля и диагностики.

12 Для информационного обеспечения АСК ПС в части статистического распознавания класса перегретых (неисправных) букс разработана апостериорная модель, позволяющая определять пороговые значения диагностических признаков в зависимости от сезона, характера участка.

Численно оценены по данным эксплуатации сети дорог ОАО «РЖД» за первое полугодие 2007 и 2008 гг. характеристики работы распределенной системы контроля и мониторинга АСК ПС:

- вероятность ложной тревоги (2008 год - 6,48 х 10"8; 2007год - 9,08 х 10"8),

- вероятность пропуска неисправной буксы (2008 год - 3,55 х 10~ш; 2007 год - 3,55 х Ю'10), что свидетельствуют о рациональном выборе пороговых значений контроля нагрева букс и эффективности работы всех подсистем распределенной системы контроля и мониторинга.

13 По основным техническим характеристикам, влияющим на технико-экономическую эффективность СТК, КТСМ-02 имеет преимущество перед КТСМ

01. Экономический эффект от внедрения КТСМ-02 образуется путем:

- снижения задержек поездов в пути следования и отцепок вагонов, в том числе за счет перераспределения отцепок между пунктами контроля промежуточных станций и ПТО сортировочных станций;

- снижения браков по буксовому узлу, аварий и крушений из-за разрушения буксовых узлов, в том числе со сходом вагонов и др.

- снижения затрат на регламентное техническое обслуживание и устранение отказов средств контроля, сокращение обслуживающего персонала на 1 усл. единицу СТК.

В расчете на одну единицу КТСМ-02 годовой экономический эффект от внедрения составляет 144,7 тыс. руб.

14 На конец 2008 года системы централизованного контроля АСК ПС внедрены на 15 железных дорогах сети ОАО «РЖД» с включением в них 98,8% всех КТСМ. Доля КТСМ в общем количестве СТК на дорогах России составляет 100 % (в абсолютном выражении - 4588 установок), из них доля КТСМ-02 - 33 % (1492 установки).

1. Воронов H.H. Температурный режим вагонных букс скользящего трения: Научн. тр. /ЛИИЖТ. М., 1954. С. 4-21.

2. Орлов М.В. Исследование температурного режима буксового узла грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 1962. - №2 - С. 34-37.

3. Орлов М.В. Организация текущего содержания вагонных букс на удлиненных тяговых плечах // Железнодорожный транспорт. 1963. - №11. - С. 25-29.

4. Орлов М.В., Алехов В.П. Своевременно выявлять грение букс в поездах // Железнодорожный транспорт. 1970. - №8. - С. 47-50.

5. Берзин В.А., Миронов Э.Г., Лозинский С.Н. Исследование термодинамических процессов в вагонных буксах с подшипниками скольжения //Вестник ВНИИЖТ. 1977. - № 4. - С. 25-27.

6. Трестман Е.Е., Лозинский С.Н., Образцов В.Л. Автоматизация контроля буксовых узлов в поездах. М.: Транспорт, 1983. - 352 с.

7. Лозинский С.Н., Алексеев А.Г., Карпенко П.Н. Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс в поездах. М.: Транспорт, 1978. - 160 с.

8. Трестман Е.Е., Самодуров В.И., Лозинский С.Н. Влияние критерия аварийности на информативность аппаратуры обнаружения перегретых букс //Автоматизация контроля ходовых частей вагонов при движении поезда: Научн. тр. /ВНИИЖТ М.: 1973. - С. 38^13.

9. Рябцев В.В. Результаты стендовых исследований температурных режимов буксовых узлов // Тезисы научн.-техн. конф. кафедр Омского института инженеров железнодорожного транспорта. Омск, 1984. - С. 54-55.

10. Лукин В.В., Гусев Г.Ф., Рябцев В.В. Влияние тепловой инерционности буксовых узлов с подшипниками скольжения на показатели качества работы ПО

11. НАБ /Омский ин-т инж. ж.д. тр-та Омск, Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 20.03.84. № 2638 - 1984. - 14 с.

12. Поляков А.И. Температурный режим вагонных букс с роликовыми подшипниками // Вестник ВНИИЖТ 1963. - №5. - С. 39-42.

13. Поляков А.И. Определение перепада температуры между роликами и наружным кольцом подшипника// Работы вагонных букс с роликовыми подшипниками при высокоскоростном движении: Труды ЦНИИ МПС, вып. 405, М., «Транспорт», 1970. С. 97-103.

14. Поляков А.И. Тепловой баланс вагонной буксы // Работы вагонных букс с роликовыми подшипниками при высокоскоростном движении: Тр. ЦНИИ МПС, вып. 405. М., «Транспорт», 1970. С. 80-88.

15. Белоконь Н.И. Основные принципы теплового расчета паровозов. М.: 1951.-С. 284.

16. Стромский П.П. Определение потерь на трение осей в подшипниках по тепловому балансу буксы// Вестник ВНИИЖТ. -1973. -№4. С.25-29.

17. Рябцев В.В. Повышение качества контроля перегретых букс в движущихся поездах. Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук / Омский ин-т инж. ж.д. тр-та Омск, 1987. - 223 с.

18. Гусев Г.Ф., Рябцев В.В. Оценка информативности элементов буксового узла для устройства бесконтактного обнаружения перегретых букс // Тез. научн.-техн. конф. Омского ин-та инж. ж.д. тр-та Омск, 1984. - С. 55-56.

19. Рябцев В.В., Дрыгин С.А., Гусев Г.Ф. Влияние солнечной радиации на тепловой режим буксового узла вагона с подшипниками скольжения / Омский ин-т инж. ж.д. тр-та Омск, Деп. В ЦНИИТЭИ МПС 24.11.83 № 24676. - 1983. - 10 с.

20. Fee М.С., Anderson G.B. Preventive medicine for bearings// Railway Age.1995. №4. - P. 67-68,70-73.

21. Павлюков А.Э., Миронов А.А., Занкович А.В. Диагностическая модель бесконтактного теплового контроля букс подвижного состава // Транспорт Урала. -2004. -№2. С. 44-52.

22. Самодуров В.И. Разработка и исследование потенциальных возможностей устройств автоматического бесконтактного обнаружения перегретых букс: Дис. на соискание уч. степени канд.техн.наук. Свердловск, 1972. - 136 с.

23. Pelino W.M. Hot box detectors //Railway Signalling and Communications. -1964.-№2.

24. Самодуров В.И., Трестман Е.Е. О потенциальной информативности аппаратуры автоматического обнаружения перегретых бус в движущихся поездах // Автоматизация контроля ходовых частей вагонов при движении поезда: Научн.тр. / ВНИИЖТ. М.: 1973. - С. 30-38.

25. Механическая часть тягового подвижного состава / Под. ред. Бирюкова И.В., М.: Транспорт, 1992. 437с.

26. Лукин В.В., Шадур Л.А. и др. Конструирование и расчет вагонов- М.: УМК МПС, 2000. 726с.

27. Миронов А.А., Образцов В.Л., Митюшев B.C., Салтыков Д.Н. Тепловой 'контроль буксовых узлов инфракрасной оптикой// Локомотив. -2008. -'№4 С.29-32.

28. Миронов A.A. Совершенствование методов и средств бесконтактной тепловой диагностики букс. Дис. на соискание.уч.степени канд.техн.наук / Ур. гос. унт путей сообщ. Екатеринбург, 2004. - 153с.

29. Кейс В.М. Конвективный тепло и массообмен. М.: Энергия, 1972.448с.

30. Переверзев А.Я., Гусев М.И. Технический контроль за поездами// Ж.-д. транспорт 1987, 5: - С. 41-42. - РЖ ВИНИТИ «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».- 1987, вып. св. тома: 9Д17.

31. Пат. США 4812826 (US) G08B, 21/00: G08B 17/04: B61K 1/10. Тепловой датчик для обнаружения неисправностей подшипников железнодорожного подвижного состава. Thermal sensor for détection of railroad bearing failures/ Inventor (s):

32. Kaufman, William M., Pittsburgh, PA. Guzman; Alberto, Pittsburgh, PA. Applicant (s): Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA. March 14, 1989/March 26, 1987: Application Number US 1987000031236 IPC.

33. Аппаратура для диагностики подшипников. HBD/HWD systems get smarter //Railway Age-1996,197, № 1, С. 51 -53. РЖ 11, 1997, 8B19.

34. Прибор обнаружения места перегрева. Hot spot spotter // Railway Gaz. Int. -1995. 151, №6, c. 399. РЖ 11,1996, 6Б21.

35. Патент 779139 СССР (SU) МКИ В 61 Л 9/06. Шмерман X. Б., Трестман Е. Е., Алексеев А. Г. Устройство для автоматического обнаружения перегретых букс./

36. УО ВНИИЖТ. 1980. - Бюл. № 42.

37. Патент 1437283 СССР (SU) МКИ В 61 К 9/06. Кузьминский Л. М., Рябцев В. В., Супонев В. А. Устройство для обнаружения перегретых букс ж. д. состава. /Омский ин-т инж. ж.д. тр-та 1988. - Бюл. № 42.

38. Патент США № 3.225.201, 1965. Cook Yames А. Указатель греющихся букс, работающий в стабильном температурном режиме.

39. Патент США № 3.402.290, 1968. Blackstone Henry и др. Детектор греющихся букс.

40. Патент США №3.369.118, 1968. Howell Roland А. Метод и устройство обнаружения греющихся букс.

41. Патент США № 3.354.306, 1967. Ligget Robert D., White Yames M., Pelino William M. Детектор греющихся букс.

42. Патент США № 3.303.340, 1967. Hewett Major, Heyer Lawrencel. Оптическое устройство в системах контроля перегрева букс.

43. Патент США № 3.281.592, 1966. Dixon Corlin. Устройство для контроля перегрева букс подвижного состава.

44. Патент США № 3.253.140, 1966. Sibley Henry С., Haver Robert В., Snell Yohu А. Система обнаружения перегревшихся колесных элементов.

45. Патент США № 3.248.539, 1966. Strandt Charles R., Strandt Charles W. Устройство, предупреждающее о греющихся буксах.

46. A.c. № 126.782 (ЧССР), 1968. Duchacek Emil, Pelz Yaromir. Устройство для обнаружения греющихся букс.

47. A.c. № 124.018 (ЧССР), 1967. Linek Radislav. Устройство для обнаружения греющихся букс.

48. Патент США № 3.244.875, 1966. G. Donald P., H. bonis Y. Электронный указатель греющихся букс.

49. Патент США № 3.226.540, 1965. De Priest Joseph R. Система обнаружения греющихся букс.

50. Патент США № 3.206.596, 1965. Sabert N. Howell. Детектор греющихсябукс.

51. Патент США № 3.201.584, 1965. Mullenger Keith Е. Детектор греющихсябукс.

52. Патент США № 3.197.632, 1965. George W. Baughman. Детектор для определения нагрева вкладыша буксы.

53. Патент США № 3.183.350, 1965. Henry С. Sibley. Система обнаружения нагретых элементов ж. д. вагонов.

54. Патент США № 3.183.349, 1965. Robert Bowlins Barnes, Frank Schwarz. Устройства обнаружения греющихся букс.

55. Патент США № 3.178.571, 1965. Richard В. Shanley. Способ определения состояния буксовых подшипников ж. д. вагонов и устройство для его осуществления.

56. Патент США № 3.120.936. William M. Peino. Детектор греющихся букс.

57. Патент США № 3.108.773. William M. Pelino. Детектор греющихся букс.

58. Патент США № 3.108.772. William M. Pelino. Система обнаружения греющихся букс.

59. Патент США № 3.100.097. Fridrich W. Waltersdorf. Способ обнаружения греющихся букс.

60. Патент США № 3.095.171. Cornelius A. Gallagher, William M. Pelipo. Детектор греющихся букс.

61. Патент США № 3.090.859. Walter H. Rodin. Система обнаружения нагрева шейки колесной оси в буксах ж. д. вагонов.

62. Патент США № 3.086.108. Charles G. Cachnes. Система обнаружения нагретой буксы с помощью инфракрасных лучей.

63. Патент США № 3.079.497. Harold S. Pewz, Albert Wakshinsky. Устройство для обнаружения нагрева букс.

64. Патент США № 3.076.090. Roelit Srapelfeldt. Аппаратура определения нагрева подшипника.

65. Патент Франции № 1.387.241, 1964. Фирма CSEE. Устройство для обнаружения греющихся букс в железнодорожных вагонах.

66. Патент Франции № 1.217.002, 1960. W. Pelino, G. Raims. Устройство дляобнаружения греющихся букс.

67. Патент Франции № 1.189.505. Фирма Siemens and Haiski. Устройство для сигнализации о нагреве букс ж.д. вагонов и других объектов.

68. Патент Франции № 91.610, 1968. Charles Francois, Emile Manpas. Прибор, сигнализирующий о перегреве букс ж.д. вагонов.

69. Патент США № 3.169.735, 1965. Carter Sinclair. Индикатор перегрева букс.

70. Патент США № 3.244.875, 1966. Donald P. Crane, bonis Y. Haluka. Электронный детектор греющихся букс.

71. A.c. № 197.669, 1967. Самодуров В. И., Шайдуров П. С. Способ обнаружения греющийся буксы железнодорожного вагона.

72. A.c. № 224.546, 1968. Самодуров В. И., Устройство для выявления греющихся букс.

73. Пат. №4928910 США (US) МКИ 5 В61 К 9/06 Устройство для определения перегрева элементов колесной пары Опубл. 29.05.90.

74. Еремеев В.В., Егошкин H.A. Система тепловизионного дистанционного контроля колесных тележек железнодорожных составов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. - № 8. - С. 55 - 59.

75. Алексенко В.М. Тепловая диагностика элементов ходовых частей подвижного состава: Автореф. дис. на соискание степени док.техн.наук. Ростов-на-Дону, 2000. - 43 с.

76. Опыт применения устройств контроля перегретых букс на железных дорогах США и Канады // Railway Sistems Control. 1971. - Т.2 - №10. - С. 10, 1317.

77. Берзин В.А. Зарубежный опыт эксплуатации устройств обнаружения перегретых букс // Железнодорожный транспорт за рубежом. 1977. - №7. - С .44— 49.

78. Лозинский С.Н., Трестман Е.Е., Алексеев А.Г., Быков С .Я. Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс на ходу поезда (ДИСК-Б)// Автоматика, телемеханика и связь. 1986. -№2. — С.34—37.

79. Миронов A.A., Тагиров А.Ф. Применение комплектов КТСМ в современных условиях //Автоматика, связь, информатика. 2002. -№9. - С. 5- 9.

80. Миронов A.A., Образцов В.Л., Соболев В.Я., Григорьев К.В. Анализ опыта эксплуатации технических средств контроля ходовых частей подвижного состава в движущихся поездах // Автоматика, связь, информатика. -2005. -№ 3. С.28 -30.

81. Миронов A.A., Образцов B.JI., Соболев В .Я., Григорьев К.В. Анализ опыта эксплуатации технических средств контроля ходовых частей подвижного состава в движущихся поездах // Автоматика, связь, информатика. —2005. — № 5. С.31 -34.

82. Миронов A.A. Новые возможности КТСМ и АСК ПС// Автоматика, связь, информатика. 2005. - № 12. - С.64-67.

83. Е. Eisenbrand. Phönix MB die neue Heißlaufenortunganlage. Signal+Draht. -1998. - №12.-S. 9-11.

84. Э. Айзенбранд. Техническая документация для комбинированного устройства обнаружения перегрева букс и блокированных тормозов PHOENIX MB. Sygnal & System Technik. 37S.

85. Schöbel, A., Karner, J. Optimierungspotenziale bei der Stationierung von Heißläuferortungsanlagen. ETR Eisenbahntechnische Rundschau, 54 (2005), 12; S. 805 - 808.

86. Schöbel, J. Karner "Über die Anwendung der heißläuferortungsanlagen bei den ÖBB". Kroatische Eisenbahn, 4 (2005), 4; S. 45 46.

87. Schöbel, A. "Ansatz zur wirkungsvollen Positiionierung von Zuglaufüberwachungseinrichtungen". Signal&Draht, 97 (2005), 9; S. 21 24.

88. Rotternsteiner U. VAE HOA 400 DS - Heißlaufenortunganlagen für finische Hochgeschwindigkeitsstrecken //Signal+Draht.-2003. № 7- 8. S. 6-10.

89. Povse H. Hot box detector VA-HOA 350 // Railway International. -1992.- P.183.184.

90. Комбинированные системы обнаружения нагрева букс и заклинивания тормозов (HOA/FBOA) /Технические требования. Служба сети железных дорог DB Управление по модернизации оборудования NES 3. Составитель: NES 3 К1; (089)1308-6260.- 15.01.1999.

91. По материалам сайта фирмы: GE Transportation Systems Global Signaling http://www.getransportation.com.

92. Виммер Й. Новое поколение устройств обнаружения греющихся букс и заклиненных колес // Железные дороги мира 2000 - №1 - С. 24-29.

93. Системы обнаружения перегретых букс и заклиненных тормозов для высокоскоростных линий // Железные дороги мира 1993.-№ 3 - С. 10-15.

94. Рыбак В.В., Скляренко С.К., Строкач А.А. Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения// Наука та шновацн.2007.-Т 3.-№ 2.-С. 34-47.

95. Лозинский С.Н., Алексеев А.Г., Карпенко П.Н. Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс в поездах. -М.: Транспорт, 1978. 160 с.

96. По материалам сайта фирмы AMSKAN : http://www.amskan.com.

97. По материалам сайта: http://www.tc.gc.ca/railway.

98. По материала сайта: http://www.veic.com.cn/ebl.htm.

99. По материалам сайта фирмы Southern Technologies Corporation (STC): www.southern-tech.com.

100. Approved Code of Practice -Hot Axle Bearing GE/RC8514. Detection Published by: Railway Safety Evergreen House 160 Euston Road London NW1 2DX © Copyright 2001 Railway Safety.

101. Критерии для остановки поездов по показаниям датчиков грения букс (Бюлл.техн.эконом.инф. ЦНИИТЭИ МПС № 8, 1971 Railway system control, 1970, №8, s.22-27);

102. Канадская национальная дорога. Выявление дефектов сегодня и взгляд на перспективу// Доклад г-на Вильяма Блевинса, главного инженера дороги поподвижному составу и электрическим цепям. Визит специалистов ВНИИЖТ, Канада. Ноябрь 2000г.

103. Датчики нагрева букс для скоростных линий Германских федеральных железных дорог//Eisenbahningenieurkalender. 1992.-Р.347-358.

104. Погорелов Д.Ю. Введение в моделирование динамики систем тел: Учеб. пособие. Брянск: Изд-во БГТУ, 1997. - 156 с.

105. Погорелов Д.Ю., Павлюков А.Э., Юдакова Т.А., Котов С.В. Моделирование контактных взаимодействий в задачах динамики систем тел / Динамика, прочность и надежность транспортных машин: Сб. науч. тр. / Под ред. В.И. Сака-ло. Брянск: БГТУ, 2001. С. 11-23.

106. Погорелов Д.Ю., Толстошеев А.К., Ковалев Р.В. и др. Динамический анализ и синтез механизмов с использованием программы UM // Брянск: Изд-во БГТУ, 1997. 16 с.

107. Погорелов Д.Ю. Компьютерное моделирование динамики рельсовых экипажей // Сб. докл. междунар. конгресса «Механика и трибология транспортных систем 2003»: В 2 т. - Ростов-на-Дону, 2003. - Т. 2, С. 226-232.

108. Павлюков А.Э. Прогнозирование нагруженности ходовых частей грузовых вагонов повышенной грузоподъемности методами имитационного моделирования. Дисс. . д-ра техн. наук: 05.22.07 / Уральский гос. ун-т путей сообщения. -Екатеринбург, 2002.

109. Кобищанов В.В., Антипин Д.Я., Забелин A.JI. Оценка динамической на-груженности несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов // Труды IV научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», МГУПС (МИИТ), 2003. С. IY-41.

110. Биргер И.Б., Шорр Б. Ф, Иосилевич Г. Б. Расчёт на прочность деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1979 - 702 с.

111. Черненский О.Н., Федотов H.H. Подшипники качения: Справочник-каталог. -М.: Машиностроение, 2003.-576 с.

112. ANSYS Theory Reference. Release 5.5, Edited by Ph.D. Peter Kohnke. Canonsburg: ANSYS Inc., 1998.

113. Краткий физико-технический справочник. / Под. ред. Яковлева К.П. -М.: ГИФМЛ, 1962. Т. 3 - 688 с.

114. Михеев М.А. Основы теплопередачи- М.: Госэнергоиздат, 1956.373с.

115. Исаченко В.П., Осипова В.А, Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энер-гоиздат, 1981-416с.

116. Сперроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением.-Л.: Энергия. 1971.295с.

117. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио, 1978.-400с.

118. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применениеМ.: Мир, 1988.-416с.

119. Чередниченко Г.И., Фройштетер Г.Б., Ступак П.М. Физико-химические и теплофизические свойства смазочных материалов Ленинград: Химия, 1986.-203 с.

120. Петров В.А., Цюренко В.Н. Натяги и зазоры в роликовых подшипниках букс вагонов.-М.: Транспорт. 1976.-45 с.

121. Руководящий документ (для Северной железной дороги) по техническому обслуживанию, ремонту и освидетельствованию колесных пар с коническими подшипниками кассетного типа (проект).- ОАО «РЖД», 2004.- 18 с.

122. РД 32. ЦЛД-ВНИИЖТ.01-2005. Руководящий документ по техническому обслуживанию, ремонту и освидетельствованию колесных пар пассажирских вагонов с двухрядными коническими подшипниками кассетного типа ОАО «РЖД», 2005.- 21 с.

123. Казаринов В.М., Карвацкий Б.Л. Расчет и исследование автотормозов. -М.: Трансжелдориздат, 1961-232с.

124. Киселев С.Н., Иноземцев В.Г., Петров С.Ю., Киселев А.С. Температурные поля, деформации и напряжения в цельнокатаных вагонных колесах при различных режимах торможения// Вестник ВНИИЖТ. 1994. - №7. - С. 13-17.

125. Иноземцев В. Г., Казаринов В. М., Ясенцев В. Ф. Автоматические тормоза: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.: Транспорт, 1981. 464 с.

126. Hot wheel finder. «Progressive railroading». 1978. - №1. - p. 61-62.

127. ГОСТ 26656-85. Техническая диагностика. Контролепригодность. Общие требования.

128. Миронов А.А., Образцов В.Л., Павлюков А.Э., Митюшев В.С, Пигалев Н.Г. Тепловая диагностика подшипников кассетного типа пассажирских вагонов //Автоматика, связь, информатика. 2007. - № 10. - С. 20-22.

129. Миронов А.А., Митюшев B.C., Григорьев К.В., Образцов В.Л. Распознавание буксовых узлов по тепловым сигналам // Вагоны и вагонное хозяйство (Приложение к журналу «Локомотив»). 2007. - N 3. - С. 42-45.

130. Комплекс технических средств многофункциональный «КТСМ-02». Эксплуатационные документы. Екатеринбург, НПЦ ИНФОТЭКС, 2002.

131. КТСМ-02БТ Подсистема контроля состояния букс. Подсистема контроля состояния тормозов. Эксплуатационные документы. Екатеринбург, НПЦ ИНФОТЭКС, 2002 г.

132. Самодуров В.И. Разработка и исследование .потенциальных возможностей устройств автоматического бесконтактного обнаружения перегретых букс: Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Свердловск, 1972. - 136 с.

133. Дж. Вайнберг, Дж. Шумекер. Статистика. -М.: «Статистика», 1970.435с.

134. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Резервы повышения эффективности тепловой диагностики буксовых узлов// Автоматика, связь, информатика. 2004. -№2- С. 5-9.

135. Миронов A.A. Виртуальная модель бесконтактного теплового контроля буксовых узлов подвижного состава// Транспорт Урала.-2008.-№3(18).- С. 59-65.

136. Миронов A.A., Занкович A.B., Павлюков А.Э. Моделирование температурного поля вагонной буксы с коническими подшипниками кассетного типа //

137. Подвижной состав 21 века: идеи, требования, проекты. 4-я Международная научно-техническая конференция. Тезисы докладов Санкт Петербург, 2005. - С. 144146.

138. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Технические средства диагностики ходовых частей подвижного состава // Вагоны и вагонное хозяйство (Приложение к журналу «Локомотив»)-2005.-№2. С. 42-46.

139. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Температурный режим буксового узла при нарушении торцевого крепления и тепловой контроль //Железнодорожный транспорт.-2005.-№6. С. 60-61.

140. Миронов A.A., Образцов В.Л., Пигалев Н.Г., Павлюков А.Э. Особенности теплового контроля буксовых узлов со смещением корпуса // Вагоны и вагонное хозяйство (Приложение к журналу «Локомотив»).-2005.-№3. -С. 44—47.

141. Миронов A.A., Ефимов В.П., Павлюков А.Э Буксовый узел тележки -преемственность технологий моделирования при решении задач жизненного цикла //Тяжелоемашиностроение-2005 .-№8. С. 29-33.

142. Миронов A.A., Занкович A.B., Павлюков А.Э. Исследование термона-груженности буксового узла с кассетным подшипником // Транспорт Урала.-2005.-№ 3(6). С. 54-61.

143. Миронов A.A. Обоснование критериев тепловой бесконтактной диагностики букс подвижного состава // Безопасность движения поездов / Труды 6 научно-практической конференции М., МИИТ, 2005. С. VII-17 -VII-18.

144. Миронов A.A., Павлюков А.Э., Образцов B.JL, Пигалев Н.Г. Температурные режимы работы букс // Вагоны и вагонное хозяйство (Приложение к журналу «Локомотив»).-2006.-№ 3(7). С. 8-13.

145. Миронов А:А., Образцов В.Л., Павлюков А.Э. Проблемы теплового контроля кассетных подшипников в высокоскоростных поездах // Безопасность движения поездов / Труды 7 научно-практической конференции .- М., МИИТ, 2006. -С. VI-16 V-I19.

146. Миронов A.A., Павлюков А.Э., Образцов В.Л„ Занкович A.B. Моделирование температурных полей буксового узла с цилиндрическими и коническими роликовыми подшипниками //Вестник ВНИИЖТ. 2007.-№2.-С.37^Ю.

147. Миронов A.A., Образцов В.Л., Павлюков А.Э., Митюшев B.C., Пигалев

148. Н.Г. Тепловая диагностика подшипников кассетного типа грузовых вагонов //Автоматика, связь, информатика. 2007. -№ 9. - С. 12-14.

149. Миронов A.A., Салтыков Д.Н., Образцов B.JL, Павлюков А.Э. Оценка пороговых значений в задаче диагностики букс подвижного состава по тепловым признакам// Транспорт Урала. — 2007 № 3(14) - С.69-73.

150. Лисенков В.М. Статистическая теория безопасности движения поездов,-М., ВИНИТИ РАН, 1999. 332с.

151. Инструкции по размещению, установке и эксплуатации средств автоматического контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда. ЦВ-ЦШ-453, утв. 30.12.1996.- МПС РФ.

152. Методические рекомендации по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте. Утверждены МПС России 31 августа 1998 г. № В-1024у. М., 1998. 123 с.

153. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций1Ч>на железнодорожном транспорте. Утверждены МПС России 28 апреля 1999 г. № ЦТех 0-11. М., 1999. 230 с.