Н В Хворост - Исследование технологий бесконтактного теплового контроля буксвагонов метрополитена - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 621.81

Хворост Н.В., Зубенко Д.Ю.

г. Харьков, Украина

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ БУКС

ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА

Проведены исследования технологий и выработаны оптимальные решения в проблеме бесконтактного теплового контроля букс в движущихся поездах метрополитена. Показано функционирование контрольного модуля в математическом описании.

Ключевые слова: буксы, вагоны метрополитена, математическое описание.

Введение. На городском электротранспорте Украины в тележках вагонов метрополитена на буксовый узел приходится до 61,2 % от общего количества браков по вагонному хозяйству и до 27 % выходов вагонов из строя в период гарантийного срока после деповского или капитального ремонта. По данным исследований 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 отказы 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 украинских железных дорогах и большинстве зарубежных дорог [1].

Последние достижения. 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 вызывают 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. [1,2]

Цель статьи. Исследование технологий и выработки оптимального решения в проблеме бесконтактного теплового контроля букс в движущихся поездах.

Материал 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, обобщения современных тенденций развития СТК [3].

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 КП «Харьковский метрополитен».

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 эксплуатац а сети дорог КП «Харьковский метрополитен»[4].

Предлагается 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.

Тепловые потоки от сил трения качения

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

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

qP       = ((Q  + Q )fi 2iR-P—)/2;R-P- l   = (Q  + Q )f i . (1)

Ннр_цл ^ц"кн 360       360 '        360   р        ^ц"кн 3601р

Суммарная плотность теплового потока в радиально нагруженной зоне наружного кольца от первого и второго ряда роликов конического подшипника вычисляется

q л    = (Q   + Q )f i —— + (Q   + Q )f i ——. (2)

пнр _ кн   у^рх    ^ц"кн 3601        р2    ^ц"кн 3601

р 1

'1

р

Плотность теплового потока по «ненагруженной зоне» наружного кольца каждого цилиндрического подшипника определяется

^нр_цл 3601р

Суммарная плотность теплового потока по «ненагруженной зоне» наружного кольца конического подшипника определяется

360-^,2 г ,  360-Р1      fi 360"p2

360-p

q = Q f і" ^ + Q f i -^

^нр_кн   ^цкн 3601р    ^Гкн 3601^

(4)

Q  = m d СО2- центробежная сила, действующая на каждый ролик в подшипнике, m   - масса ролика, "      р 0 c р

В формулах (1) - (4) f - коэффициент трения качения для подшипника (используется зависимость изменения коэффициента трения от температуры на подшипнике, зависимость определяется

путем идентификации по экспериментальным данным в разделе 3); 1 р - длина ролика; ін - число контактов, приходящихся в секунду на наружном кольце подшипника; Qj, - средняя радиальная нагрузка на ролик;

= m d С 2

= m d С

d0 - диаметр окружности центров роликов, юс - угловая скорость вращения сепаратора [5].

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. рис. 2, 3). Тогда радиальная плотность теплового потока на внутреннем кольце находится

q  = [Q - Q ]f i ip / s , (5)

вр       р      ц   квв в

где       lP = 2nR    Р    - длина дуги нагруженной зоны внутреннего кольца по средней линии; в в 360

S   = 2nR l   - площадь поверхности внутреннего кольца. в в р

Для внутренних колец конического подшипника в выражении (5) соответственно для первого кольца - ф1 , второго кольца - ф2.

Тепловые потоки от сил трения скольжения

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

Плотность теплового потока на наружном кольце

f_ ZR

q    =      а ск с

на

где      Qjj - средняя осевая (аксиальная) нагрузка на ролик; Z - количество роликов; д. - частота вращения

сепаратора; R   -радиус средней линии торцевой поверхности наружного кольца; s   - площадь торцевой

сн на

поверхности наружного кольца; fq-- коэффициент трения скольжения для цилиндрического подшипника. Плотность теплового потока на внутреннем кольце цилиндрического подшипника

(7)

а ск с    сн (6)

2nQ f n ZR

q = W    СК С Св

S вагде

R

св

радиус средней линии торцевой поверхности внутреннего кольца;

Sва - площадь торцевой поверхности внутреннего кольца.

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

жі Q  f  Zn sin а

q

ва

0 p ск с S ва

(8)

(9)

где       SКва - площадь торцевой поверхности внутреннего кольца, взаимодействующей с роликами;

f   - коэффициент трения скольжения для конического подшипника; а - угол контакта [6]. ск

Аксиальная плотность теплового потока от осевой нагрузки на внутреннем кольце ряда роликов, воспринимающих первыми осевую нагрузку

7td(Q f Zn 0 а ск с

S 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 векторно-матричном виде, выразится следующим образом:

^(f+rrMTj+iiffebW (10)

где р - плотность; С - теплоемкость; Т - температура; t - время; {V} - вектор скорости передачи тепла; {L} - векторный оператор дифференцирования - вектор теплового потока;        - генерация тепла в

единице объема.

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

[k ]{г }+[с Т = Q],

где [K] - матрица теплопроводности; [С] - матрица удельных теплоемкостей; {Т} - узловые температуры; {T}- скорость изменения температуры; {Q}- вектор узлового теплового потока.

Для аппроксимации геометрии буксового узла (рис. 1) применительно к тепловому анализу был выбран объемный 10-узловой конечный элемент в виде тетраэдра.

При разработке конечно-элементной расчетной схемы был применен оригинальный позволил смоделировать теплоперенос из зоны», ограниченной углом ф, в «ненагруженную» за счет вращающихся деталей. основной нагрев роликов, сепаратора, смазки и подшипника происходит в «нагруженной зоне», углом ф, в «ненагруженной зоне» происходит перераспределение тепла между движущимися и деталями буксового узла. Поэтому основным примененного подхода, учитывающим

явления, будет использование в модели допущения: объем, занимаемый роликами, смазкой, в подшипнике был заменен в системе координат модели единым телом ролик-сепаратор-смазка), которое также 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

модели и подход, который «нагруженной

Рис. 1. Аппроксимация конечными элементами буксового узла с коническим подшипником и адаптером

Очевидно, что внутренних колец ограниченной

неподвижными элементом описанные выше следующего сепаратором и цилиндрической вращения (РСС -разбивалось на

V Z рол рол с с    см см

РСС

V

n

РССгде n - частота вращения соответственно: для оси у - частота вращения сепаратора подшипника; n = 1-для оси z, для оси x - частота вращения ролика вокруг своей оси; V - объем; индексы: рол - ролик; с -сепаратор; см - смазка [7,8].

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

Учитывая, что буксовый узел работает в условиях обтекания воздушным потоком от движения и соответственно с этим его влияния на тепловой режим узла, была 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 тела, температурах и скорости набегающего потока.

Буксовый узел представляет тело сложной геометрической формы, которую можно представить как сочетание цилиндрических и плоских поверхностей. Поэтому решение задачи теплоотдачи на поверхности буксового узла производилось для ламинарного режима с помощью критериальных уравнений для цилиндра и пластины [9].

В третьем блоке

проследование буксового узла через приемника ИК излучения. При этом геометрическая пространственная динамического пересечения буксового узла с зоной контроля выраженной в пространстве конусом находящейся в точке, из которой оптическая ось приемника (рис. 2). воспринимает тепловое излучение наружных поверхностей элементов, сканирования буксы передаются (координаты) лишь внешних узлов элементной сетки. Оставшиеся после конечные элементы приобретают структуру, представляющую собой поверхности, ограниченной Задача решается путем перевода с векторно-матричных преобразований КЭ из подвижной системы координат, буксой, в базовую неподвижную позволяет при расчете положения перемещения и углы поворота буксы при движении вагона. В результате на массива конечных элементов (КЭ) с контролируемого буксового узла подвижного состава МТ[КЭД КЭ]/] (k - номер конечного элемента; которых три узла находятся на буксового узла) в процессе «отсева» «попадания» в зону контроля излучения формируется новый конечных элементов, находящихся в данный момент времени в зоне контроля и тепловое излучение которых воспринимается приемником [9,10].

Таким образом, в четвертый блок передается геометрическая и физическая информация (значения температур) 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 конечных элементов, попавших в зону контроля приемника в каждый момент времени. При этом моделируются факторы, влияющие на прием излучения, это - свойства внешней среды, геометрические параметры системы. [11]

Лучистый поток, воспринимаемый приемником, со спектральной чувствительностью, заключенной в диапазоне волн ^ ... ^

вычисляется согласно законам теплообмена излучением по формуле

Рис. 2. Пересечение поверхности КЭ модели буксы с зоной контроля ИК приемника

моделируется зону контроля решается задача поверхности приемника, с вершиной, исходит Поскольку СТК только то    в модель данные конечно-селекции трехузловую участок треугольником. помощью координат узлов связанной с («земля»). Это узлов КЭ учесть в пространстве базе исходного поверхности единицы КЭ/,... КЭЛ... s - индекс КЭ, у поверхности КЭ по признаку приемника ИК массив n

F

S

об

ж

ка (Л) к 0(Х) r (л, т yaj

( S )

cos(or) cos(co)

l2

(12)

где

- рабочая площадь объектива приемника ИК излучения; Sx(X) - спектральная чувствительность приемника ИК излучения;

Ka(X) - коэффициент пропускания атмосферы;

K0(X) - коэффициент пропускания оптической системы;

r(X,T) - спектральная интенсивность плотности излучения абсолютно черного тела; l - расстояние от центра объектива до площадки излучения; є - степень черноты или коэффициент излучения;

со, а - углы между направлением оптической оси и нормалью поверхности.

Конечные элементы в зоне сканирования 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) в виде

n     u О        £.    n u

f=TLFq = ^ ZZ

i=1 q=1 Ж       i=1 q=1

(13)

где       i - номер КЭ;

q - номер интервала спектра излучения; Sxq, Kaq, K0q - спектральная чувствительность и коэффициенты пропускания приемника, определенные в первом приближении как константы для q-го интервала спектра излучения;

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Н В Хворост - Исследование технологий бесконтактного теплового контроля буксвагонов метрополитена

Н В Хворост - Концепция новой структуры системы электрической тяги для метрополитена