СПОСОБ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БУКСОВЫХ ПОДШИПНИКОВ В ПРОЦЕССЕ ДВИЖЕНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Российский патент 2014 года по МПК B61K9/06 

Предлагаемое изобретение относиться к области железнодорожного транспорта, в частности к способам бесконтактного теплового контроля состояния буксовых (подшипниковых) узлов при движении рельсового подвижного состава с использованием термисторных приемников инфракрасного (теплового) излучения - болометров.

Известны способы бесконтактного теплового контроля буксовых узлов, реализованные в микропроцессорных комплексах типа КТСМ-02, которые основаны на восприятии и преобразовании мощности инфракрасного (ИК) излучения корпусов букс или наружных колец подшипников кассетного типа с полубуксой-адаптером в аналоговые электрические сигналы с последующим преобразованием амплитуд сигналов в цифровой код и выдачей результатов в условных уровнях аналого-цифрового преобразователя (АЦП) - в квантах [1-4].

Согласно закону теплообмена излучением Стефана-Больцмана амплитуда напряжения электрического (теплового) сигнала Uб от буксы движущегося поезда на выходе измерительного канала с термисторным приемником ИК-излучения (болометром) при прочих равных условиях пропорциональна разности четвертых степеней абсолютных температур по термодинамической шкале Кельвина корпуса буксы $$T_{}^4б$$ (Tб=273+tб) и наружного воздуха $$T_{}^4в$$ (Tв=273+tв):

$$Uб=\epsilon k\left(T^4б-T^4в\right),\left(\text{1}\right)$$

где: ε - степень черноты излучающей поверхности (безразмерная величина);

k - коэффициент преобразования мощности ИК-излучения в напряжение электрического сигнала, зависящий от типа приемника излучения, его спектральной и вольтовой чувствительности, а также от параметров приемо-усилительного тракта (ПУТ), B/K⁴.

Из формулы (1) следует, что мощность излучения корпусов букс и выходной сигнал приемника излучения имеют существенно нелинейный характер зависимости от температуры воздуха Tв, проявляющийся по мере удаления от Tв=273K (tв=0°C). В микропроцессорных комплексах типа КТСМ [1] электрический сигнал на выходе приемника ИК-излучения после усиления и нормирования подвергается преобразованию в цифровой код (квантованию) с выдачей результата в условных единицах Li - квантах (в уровнях аналого-цифрового преобразователя - АЦП). При этом пороговые значения тревожной сигнализации средств теплового контроля (СТК) также задаются в виде условных уровней - числового кода в квантах - от 30 до 60 квантов в зависимости от расположения СТК на участках безостановочного движения поездов и расстояния между пунктами теплового контроля.

При регламентном обслуживании СТК в процессе калибровки приемо-усилительных трактов (ПУТ) используются табличные значения температуры излучателя - имитатора перегретой буксы для разных температур наружного воздуха, при этом на выходе ПУТ изменением коэффициента преобразования k устанавливается один и тот же уровень L_КЛБ в квантах АЦП (например в 38 квантов), что позволяет частично линеаризовать зависимость (1). Недостатком известного способа теплового контроля буксовых подшипников движущегося подвижного состава является необходимость периодической и внеплановой калибровки измерительных каналов с использованием съемных устройств - калибраторов особенно при резких изменениях температуры наружного воздуха. При выдаче результатов теплового контроля букс в квантах АЦП отсутствует прямая связь численных значений уровней с истинными и относительными температурами нагрева контролируемых букс, предельно допускаемые значения которых в нормативно-технической документации на подшипники установлены в градусах по шкале Цельсия. По этой причине в эксплуатации при срабатывании тревожной сигнализации СТК возникают расхождения данных осмотрщиков вагонов, использующих контактные или бесконтактные измерители температур букс, и данных, регистрируемых СТК в квантах.

Целью предлагаемого способа является повышение достоверности оценки состояния буксовых узлов железнодорожного подвижного состава подшипников по результатам бесконтактного теплового контроля по их инфракрасному излучению с использованием микропроцессорных комплексов, например, типа КТСМ-02 с использованием напольных камер, оснащенных средствами автоконтроля ПУТ с источниками опорного излучения на заслонках входных окон и датчиками температуры наружного воздуха аспирационного типа [1, 3, 4]. Теоретической основой заявляемого способа с выдачей результатов теплового контроля буксовых узлов непосредственно в градусах по шкале температур Цельсия, естественно, являются фундаментальные законы излучения Стефана-Больцмана и Планка [5]. Плотность излучения абсолютно черного тела во всем диапазоне длин волн определяется по закону Стефана-Больцмана:

$$R=\sigma T^4,\left(\text{2}\right)$$

где R - плотность излучения, Вт/м²;

T - температура абсолютно черного тела, K;

σ=5,67·10^-8 Вт/(м²·K⁴), постоянная Стефана-Больцмана.

Для расчета плотности излучения в ограниченном спектральном диапазоне с учетом характеристик приемника излучения используется закон Планка:

$$r=\frac{c_1}{{\lambda }^5\left(e^{c_2/\lambda T}-1\right)},\left(\text{3}\right)$$

где r (Вт/м²) - плотность излучения на длине волны λ (м) для тела, нагретого до температуры T (K);

T - температура тела по шкале Кельвина;

C₁, C₂ - первая и вторая постоянные в формуле Планка, C₁=3,7415·10^-16 Вт/м², C²=1,4388·10^-2 м·K;

λ - длина волны воспринимаемого приемником излучения.

Для расчета плотности излучения буксы, воспринимаемого приемником в заданном спектральном диапазоне длин волн, необходимо использовать интегральную формулу Планка [5]:

$$R_{{\lambda }_1-{\lambda }_2}={\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{c_1}{{\lambda }^5\left(e^{c_2/\lambda T}-1\right)}}d\lambda \left(\text{4}\right)$$

где λ₁ и λ₂ соответственно нижняя и верхняя границы спектрального диапазона селективного приемника ИК-излучения, например болометра с германиевой линзой иммерсионного типа (λ₁=2 мкм; λ₂=20 мкм).

На фиг.1 приведена иллюстрация нелинейности плотности излучения буксы при одной и той же избыточной температуре ее нагрева (20°C) в различных диапазонах температур наружного воздуха. Летом при tв=40°C плотность излучения буксы равна 131 Вт/м², а зимой при tв=-20°C всего 63 Вт/м², то есть в 2 раза меньше. Следовательно, сигнал на выходе приемника излучения от буксы с нагревом на 20°C выше температуры воздуха будет также в 2 раза меньше чем летом. Это обстоятельство значительно усложняет процесс диагностирования состояния подшипников при бесконтактном тепловом контроле буксовых узлов на ходу поезда.

Сущность изобретения заключается в том, что при использовании в средствах теплового контроля термисторных приемников ИК-излучения - болометров по результатам периодического тестирования приемо-усилительных трактов последовательно помещают в поле зрения болометров напольных камер два излучателя с заданной разницей температур, корректируют коэффициенты преобразования предварительных усилителей для получения расчетной величины амплитуд сигналов в квантах аналого-цифровых преобразователей (АЦП) на выходах трактов, после чего для каждого тракта по формулам Планка вычисляют цену одного кванта АЦП в единицах плотности излучения с учетом известных температур излучателей и спектральной характеристики приемников ИК-излучения, а искомые температуры контролируемых подшипников (букс) определяют умножением рассчитанных по результатам тестирования трактов цены кванта в плотностях излучения на количество уровней квантования теплового сигнала от контролируемых подшипников (букс) и суммированием полученных значений с плотностью излучения объектов, имеющих температуру наружного воздуха, например рам тележек вагонов. Затем осуществляется пересчет суммарной плотности излучения объектов контроля непосредственно в температуры по шкале Цельсия для сравнения результатов контроля на предмет превышения заданных браковочных значений но совокупности признаков, например: по предельно допускаемой температуре нагрева объектов; по избыточной температуре букс относительно температуры наружного воздуха; по разности температур букс на одной оси колесной пары и по разности температур контролируемых букс со средним значением температур остальных букс по каждой стороне контролируемого вагона.

Для обеспечения оперативности вычислений температур буксовых подшипников (букс) в процессе движения поезда используют численные методы кусочно-линейной аппроксимации полиномами зависимости плотности излучения объектов от температуры по шкале Цельсия с учетом спектральной чувствительности термисторных приемников ИК-излучения, результаты которых предварительно заносят в память микропроцессорных контроллеров перегонных (напольных) средств контроля или в память компьютеров автоматизированных рабочих мест, отображающих итоговые результаты теплового контроля буксовых узлов и подшипников движущегося подвижного состава.

Цену кванта в единицах плотности излучения определяют по результатам периодической калибровки измерительных каналов как съемными, так и встроенными в напольные камеры средств теплового контроля источниками опорного излучения с заданными температурами, соответствующими тепловому состоянию исправных и неисправных подшипников (букс) при известных температурах наружного воздуха.

Согласно изобретению в режиме автоконтроля СТК на активном и пассивном излучателях заслонок напольных камер независимо от температуры наружного воздуха tв задают постоянную разность температур dT=ta-tn, например, в 30 град. С и запоминают уровень сигнала Lu на выходе ПУТ в квантах АЦП. Затем по измеренным на заслонках температурам излучателей ta и tn и приведенным выше формулам (2-3) вычисляют разность соответствующих им плотностей излучения dR и цену кванта в единицах плотностей излучения Cr=dR/Lu в Вт/м²/квант. Зная температуру наружного воздуха Тв, цену кванта Cr в плотностях излучения и уровень теплового сигнала Lб от контролируемой буксы в квантах АЦП вычисляют температуру буксы Тб в градусах Цельсия Тб=f(Rв+Lб*Cr)=f(Rб).

Для оперативности вычислений плотностей излучения Ri при известных температурах излучателей Ti в режиме автоконтроля и температур контролируемых букс Tб при известных плотностях излучения Ri предлагается использовать полиномы кусочно-линейной аппроксимации формулы Планка вида

$$Ri=Ar*T{i}^3+Br*T{i}^2+Cr*Ti+Dr;\left(\text{5}\right)$$

$$Ti=-At*R{б}^6+Bt*R{б}^5-Ct*R{б}^4+Dt*R{б}^3-Et*R{б}^2+Ft*Rб-Gt,\left(\text{6}\right)$$

где Ar, Br, Cr, Dr и At, Bt, Ct…Gt коэффициенты полиномов или таблицы с заранее рассчитанными с определенным шагом плотностями излучения Rб в зависимости от температуры излучателей Ti, занесенными в память микропроцессорного контроллера СТК или в компьютер автоматизированного рабочего места (АРМ).

В качестве примера на фиг.2 приведена графическая иллюстрация пересчета уровня нагрева буксы, равного 50 квантам АЦП, в температуру Тб, при температуре воздуха Tв=10°C и цене кванта Cr, равной 4,5 Вт/м², вычисленной по результатам тестирования ПУТ в режиме автоконтроля. В общем виде расчет температуры буксы по результатам теплового контроля осуществляется в следующей последовательности:

1. Определение по графикам кусочно-линейной аппроксимации (фиг.1, 2) или по формулам (4, 5, 6) и текущему значению температуры воздуха Tв=10°C соответствующего значения плотности излучения Rв=257 Вт/м²;

2. Вычисление изменения плотности излучения dR, которое вызывает на выходе АЦП приемо-усилительного канала с термисторным болометров сигнал уровня Lб=50 квантов: dR=Lб*Cr=50*4,5=225 Вт/м²;

3. Вычисление суммарной плотности излучения Rб, соответствующей температуре буксового узла: Rб=Rв+dR=257+225=482 Вт/м²;

4. Определение по формуле (4) или по графикам кусочно-линейной аппроксимации формулы Планка (фиг.1, 2) и полученному значению суммарной плотности излучения Rб температуры буксового узла по шкале Цельсия: Тб=51°C; dTб=Tб-T_в=51-10=41°C.

Алгоритм вычисления текущих значений цены кванта Cr в плотностях излучения с учетом изменения параметров измерительных каналов СТК не является предметом изобретения (относится к ноу-хау).

Реализация предлагаемого способа позволяет существенно линеаризовать зависимость от температуры наружного воздуха цены кванта АЦП при тепловом контроле буксовых узлов и повысить достоверность оценки температурных режимов разнотипных подшипников непосредственно в градусах по шкале Цельсия.

В режиме автоконтроля приемо-усилительных каналов СТК буксовых узлов подвижного состава с использованием двух излучателей с разной температурой (так называемых активных и пассивных) на заслонках напольных камер в расчетах цены кванта в плотностях излучения используется процедура приведения полученных значений уровней в квантах АЦП к нормированному значению, например, в 38 квантов как и в режиме ручной калибровки СТК с известной температурой наружного воздуха.

Вычисленные по результатам автоконтроля измерительных каналов фактические значения цены кванта Cr в плотностях излучения для каждой напольной камеры СТК передаются в АРМ ЛПК станции для использования в расчетах истинных и избыточных температур контролируемых букс поезда по шкале градусов Цельсия. Процедура тестирования ПУТ в режиме автоконтроля СТК с оценкой текущего значения цены кванта АЦП производится в перерывах между поездами через заданные интервалы времени (5-15 мин) и по окончании контроля букс каждого поезда. В отличие от ручной калибровки измерительных каналов СТК с использованием съемных калибраторов, например, типа КТП-1 [2] предлагаемый способ позволяет более достоверно оценивать температурные режимы подшипников и буксовых узлов в целом при изменении температуры наружного воздуха, чувствительности термисторных приемников инфракрасного излучения - болометров и параметров их приемо-усилителных каналов, в том числе при загрязнении инфракрасной оптики напольных камер СТК в процессе контроля буксовых узлов движущихся поездов.

Список использованных источников

1. Миронов А.А., Тагиров А.Ф. Применение комплексов КТСМ в современных условиях. Журнал «Автоматика, связь, информатика», 2002 г. №9. Стр.5-9.

2. Лядов В.В., Миронов А.А., Образцов В.Л. и др. Устройство для настройки средств теплового контроля ходовых частей подвижного состава. Патент RU на изобретение №2350502, заявл. 24.09.2007, опубл. 27.03.2009.

3. Балабанов Е.В., Лядов В.В., Миронов А.А. и др. Напольная камера устройства для теплового контроля ходовых частей рельсового подвижного состава. Патент RU на изобретение №2374112, заявл. 24.03.2008 г., опубл. 27.11.2009 г.

4. Балабанов Е.В., Миронов А.А., Образцов В.Л. и др. Устройство для теплового контроля буксовых узлов подвижного состава. Патент RU на полезную модель №92640, заявл. 05.10.2009, опубл. 27.03.2010.

5. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Советское радио, 1978. - 400 с.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к способам тепловой диагностики ходовых частей рельсового подвижного состава при движении с использованием напольных средств контроля. Способ заключается в преобразовании энергии ИК излучения объектов теплового контроля - подшипников и корпусов букс - в электрические сигналы с представлением промежуточных результатов в виде цифрового кода, характеризующего уровень нагрева объектов относительно температуры наружного воздуха в условных единицах - квантах АЦП. Для повышения достоверности оценки состояния подшипников и буксовых узлов в целом предлагается по результатам калибровки и тестирования приемо-усилительных каналов в режиме автоконтроля рассчитывать по интегральной формуле Планка цену кванта АЦП в единицах плотности излучения. При этом температура подшипника (буксы) определяется умножением уровня ее нагрева в квантах на цену кванта в плотностях излучения с учетом плотности излучения ходовых частей, имеющих температуру наружного воздуха, по полиному кусочно-линейной аппроксимации формулы Планка или по заранее рассчитанным таблицам взаимосвязи плотностей излучения объектов контроля от их температуры, занесенным в память микропроцессорного контроллера или компьютера автоматизированного рабочего места (АРМ) средств теплового контроля. В результате повышается достоверность оценки теплового состояния подшипников и буксовых узлов движущегося рельсового подвижного состава. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ теплового контроля состояния буксовых подшипников в процессе движения рельсового подвижного состава с использованием напольных средств контроля, оснащенных приемниками инфракрасного (ИК) излучения, предварительными усилителями, аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и средствами автоконтроля приемо-усилительных каналов, микропроцессорными контроллерами и автоматизированными рабочими местами (АРМ) на базе персональных или промышленных компьютеров, заключающийся в преобразовании мощности инфракрасного (ИК) излучения внешних поверхностей наружных колец подшипников кассетного типа с адаптером или корпусов букс с разнотипными подшипниками в электрические сигналы и последующем их квантовании для выдачи результатов контроля в цифровом виде, отличающийся тем, что при использовании в средствах теплового контроля термисторных приемников ИК излучения - болометров по результатам периодического тестирования приемо-усилительных трактов последовательно помещают в поле зрения болометров напольных камер два излучателя с заданной разницей температур, корректируют коэффициенты преобразования предварительных усилителей для получения расчетной величины амплитуд сигналов в квантах аналого-цифровых преобразователей (АЦП) на выходах трактов, после чего для каждого тракта по формулам Планка вычисляют цену одного кванта АЦП в единицах плотности излучения с учетом известных температур излучателей и спектральной характеристики приемников ИК излучения, а искомые температуры контролируемых подшипников (букс) определяют умножением рассчитанных по результатам тестирования трактов цены кванта в плотностях излучения на количество уровней квантования теплового сигнала от контролируемых подшипников (букс) и суммированием полученных значений с плотностью излучения объектов, имеющих температуру наружного воздуха, например рам тележек вагонов, с последующим пересчетом суммарной плотности излучения объектов контроля непосредственно в температуры по шкале Цельсия для сравнения результатов контроля на предмет превышения заданных браковочных значений по совокупности признаков, например: по предельно допускаемой температуре нагрева объектов; по избыточной температуре букс относительно температуры наружного воздуха; по разности температур букс на одной оси колесной пары и по разности температур контролируемых букс со средним значением температур остальных букс по каждой стороне контролируемого вагона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения оперативности вычислений температур буксовых подшипников (букс) в процессе движения поезда используют численные методы кусочно-линейной аппроксимации полиномами зависимости плотности излучения объектов от температуры по шкале Цельсия с учетом спектральной чувствительности термисторных приемников ИК-излучения, результаты которых предварительно заносят в память микропроцессорных контроллеров перегонных (напольных) средств контроля или в память компьютеров автоматизированных рабочих мест, отображающих итоговые результаты теплового контроля буксовых узлов и подшипников движущегося подвижного состава.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что цену кванта в единицах плотности излучения определяют по результатам периодической калибровки измерительных каналов как съемными, так и встроенными в напольные камеры средств теплового контроля источниками опорного излучения с заданными температурами, соответствующими тепловому состоянию исправных и неисправных подшипников (букс) при известных температурах наружного воздуха.