Устройство для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности, к устройствам для бесконтактной тепловой (инфракрасной) диагностики буксовых узлов в пути следования подвижного состава. Известные устройства для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава содержат размещенные с обеих сторон рельсового пути 1 датчики 2 наличия поезда на контрольном участке, напольные камеры 3 и 4 с приемниками ИК излучения, ориентированными под различными углами к горизонту и к оси пути на наиболее информативные зоны корпусов букс и ступиц колес, датчики фиксации прохода колесных пар 5 для стробирования зон контроля буксовых узлов, счета осей и физических единиц движущегося подвижного состава, постовое оборудование с микропроцессорным контроллером 6, источник питания 7, технологический пульт 8 для ручного управления процессом калибровки измерительных трактов и датчик температуры воздуха 9. Решение о состоянии буксовых узлов принимается компьютером автоматизированного рабочего места линейного пункта контроля (АРМ ЛПК) по определенным алгоритмам диагностирования. Недостатком известных устройств является обработка диагностической информации в аналоговом виде, при которой датчик температуры наружного воздуха 9 используется лишь для изменения коэффициента преобразования нормирующего усилителя тепловых сигналов в электрическом виде, что не позволяет реализовать температурные критерии диагностирования теплового состояния подшипников и буксовых узлов в целом. Отличие предложенной полезной модели в том, что в устройстве датчик температуры воздуха 9 и приемники инфракрасного излучения напольных камер 3 и 4 снабжены аналого-цифровыми преобразователями с цифровыми фильтрами, при этом датчик температуры наружного воздуха 9 помещен в полый контейнер 14 аспирационного типа, снабженный дополнительно сетчатым фильтром 19 снизу и дефлектором 20 сверху, датчиком потока воздуха 21 и вентилятором 22, а стенки корпуса контейнера снабжены теплоизоляцией. Цифровые выходы датчика температуры воздуха 9 и приемников излучения 3 и 4 подключены к соответствующим входам микропроцессорного контроллера 6 для вычисления искомых температур контролируемых букс, принятия диагностического решения о работоспособности буксовых узлов. Один независимый пункт формулы полезной модели; 5 иллюстраций; 3 источника литературы.

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности, к устройствам для бесконтактной тепловой (инфракрасной) диагностики буксовых узлов подвижного состава в пути следования.

Известные устройства для бесконтактной тепловой диагностики буксовых узлов подвижного состава основаны на преобразовании мощности инфракрасного (ИК) излучения корпусов букс в электрические сигналы с последующей математической и логической обработкой этих сигналов по различным алгоритмам для оценки работоспособности буксовых узлов в процессе эксплуатации [1]. При использовании термисторных приемников излучения - болометров мощность воспринимаемого от букс излучения W_б и электрического сигнала dU _б на выходе измерительного тракта в соответствии с законом Стефана-Больцмана при прочих равных условиях зависит от разности четвертых степеней абсолютных (по шкале Кельвина) температур корпусов букс T_б и температуры наружного воздуха Т _в

где К_w - коэффициент преобразования мощности теплового излучения W_б в напряжение на выходе приемника, В/Вт;

- степень черноты излучающей поверхности буксы;

- постоянная излучения Стефана-Больцмана, Вт/К⁴ ;

T_б - температура сканируемого участка корпуса буксы. К;

Т_в - температура наружного воздуха. К;

В процессе сканирования буксовых узлов средствами теплового контроля мощность воспринимаемого приемником ИК излучения пропорциональна разности температур поверхности буксы и рамы тележки или кузова вагона, подверженных различному воздействию внешних факторов (солнечного излучения, влажности воздуха, интенсивности обдува встречным потоком воздуха и т.д). Искомые значения избыточной dt_б или истинной t _б температуры контролируемой буксы по шкале Цельсия чаще всего вычисляют по формуле (2) с учетом результатов периодической калибровки измерительных трактов средств теплового контроля по эталонным источникам излучения с известной температурой, измеренной контактными термометрами

где k_б - коэффициент калибровки тракта измерения температуры букс, °С/В;

k_в - коэффициент калибровки тракта измерения температуры воздуха, °С/В.

Измеренные по мощности ИК излучения W_б букс из-за нелинейности зависимости от разности абсолютных температур по шкале Кельвина абсолютные t_б и избыточные температуры букс dt_б=t_б-t_в по шкале Цельсия существенно зависят от температуры воздуха t_в (фиг.1 - по основной вертикальной оси отложены значения температуры буксы t_б и dt_б, по вспомогательной оси справа - интегральная плотность излучения букс Fб, а по горизонтальной оси - температура наружного воздуха t_в.). Из теории и практики известно, что анализ измеренных значений истинной t_б (или абсолютной по шкале Цельсия) и относительной температуры буксы d_tб позволяет извлечь при соответствующей математической и логической обработке этих данных важную диагностическую информацию о техническом состоянии подшипников и буксового узла в целом в различных условиях эксплуатации подвижного состава [1]. В современных средствах теплового контроля буксовых узлов принятие решения о работоспособности буксовых узлов осуществляется по нескольким критериям в различных сочетаниях:

1) по абсолютному значению температуры корпуса буксы t_б,

2) по превышению температуры корпуса буксы над температурой окружающей среды dt _б;

3) по разности температур букс на одной оси колесной пары (t_б.ось);

4) по разности температуры контролируемой буксы со средним значением температур остальных букс по стороне вагона (t_б.стор=t_бi-t_ср).

Критерии 1 и 2 чаще всего используются для предотвращения аварийных ситуаций при перегреве подшипников, а критерии 3 и 4 - для диагностического контроля с целью выявления буксовых узлов в начальной стадии развития неисправности, когда значения температур t_б и dt_б существенно ниже предельно допускаемых в эксплуатации значений. Из приведенных графиков видно, что при незначительных изменениях плотности ИК излучения (кривая «а» - красного цвета) в рабочем диапазоне температур окружающего воздуха абсолютные t_б (кривая «b» - синего цвета) и относительные dt_б (кривая «с» - серого цвета) температуры корпусов букс с неисправными подшипниками при крайних значениях температуры воздуха существенно отличаются от средних значений (при t_в=0°С). Наибольшая разница по зависимости от температуры воздуха имеет место для абсолютных температур корпусов букс t_б. Отсюда следует вывод о важности измерения с заданной точностью в процессе теплового контроля подвижного состава не только температуры корпусов буксы, но и температуры окружающего воздуха. По этой причине все современные средства теплового контроля буксовых узлов оснащаются датчиками температуры наружного воздуха (ДТНВ).

На фиг.2 приведена структурная схема известных средств теплового контроля буксовых узлов - на примере отечественного комплекса технических средств КТСМ [2]. Обычно эти устройства содержат размещенные с обеих сторон рельсового пути 1 датчики 2 наличия поезда на контрольном участке, напольные камеры 3 и 4 с приемниками ИК излучения, ориентированными под различными углами к горизонту и к оси пути на наиболее информативные зоны корпусов букс (поз.3) и ступиц колес (поз.4), датчики фиксации прохода колесных пар 5 для стробирования зон контроля буксовых узлов, счета осей и физических единиц движущегося подвижного состава, постовое оборудование с микропроцессорным контроллером 6, источники питания 7, технологический пульт 8 для ручного управления процессом калибровки измерительных трактов (поз.3 и 4) и датчик температуры воздуха 9. В качестве анализирующего и регистрирующего оборудования - автоматизированного рабочего места (АРМ ЛПК) используются персональные микро-ЭВМ 10 со специализированным прикладным программным обеспечением, определяющим состояние буксовых подшипников по результатам анализа тепловых сигналов в вольтах или в условных единицах - квантах от всех буксовых узлов подвижной единицы (вагона или локомотива). Диагностическая информация на АРМ ЛПК 10 поступает от микропроцессора 6 перегонного поста контроля по модемным каналам связи 11 через концентратор информации 12.

Недостатком известных устройств является то, что в них датчики температуры наружного воздуха 9 используется либо в качестве источника вспомогательной информации о температуре воздуха в момент контроля поезда (для сведения), либо, чаще всего, в качестве управляющего звена в цепи автоматической коррекции коэффициента преобразования К _w теплового излучения букс в электрические сигналы dU _б [3], а данные о температуре воздуха t_в не используются в алгоритмах обработки диагностической информации для непосредственного вычисления абсолютных и относительных температур букс t_б, dt_б и t_б.

Это связано с недостаточной точностью измерения температуры воздуха (+-510%) известными ДТНВ, используемыми в средствах теплового контроля буксовых узлов и расхождением данных измерений температуры воздуха t_в, измеренных ДНТВ с температурой окружающей среды t₀ (элементы кузовов и ходовых частей вагонов или локомотивов), на инфракрасном фоне которой в процессе движения поезда выделяются более нагретые буксы. На показания ДТНВ существенное влияние оказывают: тепловое излучение стен поста контроля, особенно в зимний (отапливаемый) период года; конструктивное оформление и крепление на стене перегонного поста контроля; расположение по сторонам света, т.е. влияние солнечной радиации; направление и скорость ветра, в том числе воздушные потоки от движущегося поезда, расстояние от поверхности земли и др.

Согласно предлагаемому техническому решению, заявленному авторами в качестве полезной модели устройства для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава, в ДТНВ 9 частично использован принцип аспирационного психрометра.

Отличительной особенностью устройства для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава (полезной модели) является то, что между датчиком температуры воздуха 9, приемниками ИК-излучения (поз.3 и 4) и микропроцессорным контроллером 6 включены аналого-цифровые преобразователи 13, а собственно датчик температуры воздуха (ДТНВ) 9 помещен в специальный контейнер 14 (фиг.3), который крепится посредством кронштейна 15 к стене помещения поста контроля 16, в котором размещается постовое (перегонное) оборудование средств контроля буксовых узлов (фиг.2) на определенной высоте от поверхности земли (фиг.3).

Контейнер 14 с датчиком температуры 9 выполнен в виде полого металлического корпуса 17 прямоугольного сечения (фиг.4) и снабжен тепловым экраном 18, сетчатым фильтром 19 снизу, а сверху контейнер снабжен дефлектором 20, датчиком потока воздуха 21 и вентилятором 22, а также разъемами 23 и 24 для подключения кабелей 25 питания, кабеля управления узлами контейнера и кабеля датчика температуры воздуха 9 к микропроцессорному контроллеру 6 постового оборудования (фиг.2).

Вентилятор 22 создает принудительный обдув датчика температуры 9, что улучшает теплообмен между датчиком и воздушной средой и максимально приближает показания датчика температуры t _в к температуре окружающей среды t_о (t_в ) в зоне теплового контроля буксовых узлов подвижного состава. Датчик потока воздуха 21 контролирует работу вентилятора 22 - при отсутствии потока воздуха, создаваемого вентилятором, он формирует аварийный сигнал о возникшей в ДТНВ неисправности с выдачей информации на АРМ ЛПК для своевременного принятия мер к ее устранению.

Дефлектор 20 служит для исключения влияния сильных порывов ветра и атмосферных осадков на аэродинамическую ситуацию внутри контейнера 14. Сетчатый фильтр-решетка 19 предотвращает попадание во внутреннюю полость контейнера посторонних предметов (в т.ч. насекомых), способных повлиять на работоспособность всего устройства.

Использование специализированного контейнера аспирационного типа позволяет существенно повысить достоверность информации, получаемой с датчика ДТНВ-2, путем снижения влияния на показания датчика внешних факторов, таких как: солнечное излучение, тепловое излучение наружной поверхности стены помещения пункта контроля, восходящие вдоль стены потоки прогретого воздуха и др.

Заявленное устройство изготовлено в опытных образцах, апробировано в условиях эксплуатации в составе комплексов средств контроля теплового состояния буксовых узлов подвижного состава (КТСМ) в различных климатических зонах железных дорог России. Погрешность измерения температуры воздуха и температур контролируемых букс не превышает 2°С. При использовании известных устройств для измерения температуры воздуха типа ДТНВ [1-3] погрешность измерения температуры воздуха в дневное время суток может изменяться от 3°С в при отсутствии солнечной радиации и до 10°С в при солнечном освещении поста контроля, что неприемлемо для достоверной оценки теплового состояния буксовых узлов подвижного состава с разнотипными подшипниками при реализации различных алгоритмов диагностирования подшипников по шкале градусов Цельсия. Список использованных источников

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

2. Миронов А.А., Тагиров А.Ф. Применение комплексов КТСМ в современных условиях. - Автоматика, связь, информатика. 2002, 9, с.5-9.

3. Троицкий В.Н. Способ автоматического обнаружения перегретых букс подвижного состава. А.с. 863451, СССР, заявл. 18.09.79, 2819157/27-116 опубл. в Б.И., 1981, 34, МКИ В61К 9.06.

Устройство для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава, содержащее размещенные в пути датчики наличия поезда на контрольном участке пути, датчики фиксации прохода в зонах теплового контроля буксовых узлов и элементов колес, напольные камеры с приемниками инфракрасного излучения, ориентированными на различные части корпусов букс и колес, приборный блок с микропроцессорным контроллером для обработки диагностической информации, устройства обеспечения электронного оборудования питанием, технологический пульт для ручного управления режимами настройки устройств и датчик температуры наружного воздуха, отличающееся тем, что устройство снабжено аналого-цифровыми преобразователями, включенными между датчиком температуры воздуха и приемниками инфракрасного контролируемых узлов подвижного состава и микропроцессорным контроллером, при этом датчик температуры наружного воздуха выполнен в виде настенного контейнера аспирационного типа, снабженным снизу сетчатым фильтром, а сверху - дефлектором, при этом во внутренней полости контейнера соосно размещены вентилятор для принудительного обдува датчика температуры окружающим воздухом и датчик потока воздуха для контроля работоспособности вентилятора, корпус контейнера также снабжен термоизоляцией стенок для предотвращения нагрева датчика температуры солнечной радиацией и тепловыделения от стенок помещения поста контроля.