Научные и технические основы бесконтактного теплового контроля букс железнодорожного подвижного состава

На правах рукописи

МИРОНОВ Александр Анатольевич

НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ БУКС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Екатеринбург

2009

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 оппоненты:	доктор технических наук, профессор 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 «____» __________2009г. в ______ 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 «_____»________________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 61,2 % от общего количества браков по вагонному хозяйству и до 27 % отцепок вагонов в период гарантийного срока после деповского или капитального ремонта. По данным ОАО «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, повреждениям колец подшипника, роликов и сепаратора. Значительная часть неисправностей буксового узла связана с повышением 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 ставят 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 и оценку технических проблем, стоящих 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 обработкой и передачей информации.

8. Предложить технические решения по созданию новых систем теплового бесконтактного контроля букс и совершенствования технологии контроля базовыми системами.

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

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 для оценки эффективности применяемых средств теплового контроля и на стадии проектирования 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. 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 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 КТСМ-02, совершенствовании контроля букс различного подвижного состава базовыми установками КТСМ-01, для назначения и утверждения на сети ОАО «РЖД» пороговых значений настройки СТК. 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 15 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 ХХ1 века (Идеи. Требования. Проекты)» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2003, 2005 гг.); на LXVI 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 366 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 буксового узла, оценке внешних и внутренних факторов в эксплуатации, повышению надежности, анализу конструкции посвящены работы российских исследователей П.С. Анисимова, В.Н. Белоусова, А.П. Бомбардирова, С.Н. Быкова, И.А. Буше, В.И. Донских, О.М. Савчука, С.Г. Иванова, Ю.М. Казанцева, Л.А. Колосова, Н.Н. Кудрявцева, В.В. Лукина, В.В. Новикова, В.Л. Образцова, М.В. Орлова,

А.И. Полякова, С.В. Петрова, В.В. Рябцева, В.Н. Цюренко, В.Я. Френкеля, А.Ф. Тагирова, П.С. Юракова.

Разработке принципов комплексного контроля технического состояния подвижного состава и диагностики букс по ИК излучению посвящены работы В.М. Алексенко, А.Г. Алексеева, В.А. Берзина, Э.Г. Миронова, С.Н. Лозинского, В.Л. Образцова, М.В. Орлова, В.И. Самодурова, Г.К. Сендерова, М.М. Соколова, Е.Е. Трестмана, А.В. Третьякова, П.С. Шайдурова.

Исследованиям методов обработки информации при выявлении нагретых букс посвящены работы Г.В. Варварина, М.И. Глазковой, Н.И. Горлач, В.Л. Образцова, Х.Б. Шмермана, Е.Е. Трестмана и других ученых.

Отмеченным проблемам посвящены также работы зарубежных ученых, среди которых: Дж. Амстронг, К. Галахер, Р. Бернес, М. Лаплеш, М.А. Роланд, Г. Сиблей и многих других.

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