Специальные измерения / литература / Бойник - Диагн устр жд автомат и

Таблица 4 – Основные технические данные системы АПК–ДК

Наименование Параметры

Информационная емкость

Технические средства

Станционный уровень Промышленные компьютеры

81

82

Увеличение скоростей движения поездов, повышение нагрузки на ось, удлинение сроков между плановыми осмотрами, рационализация и оптимизация управления перевозочным процессом - все это обусловливает необходимость контроля состояния буксовых узлов (рис. 17, 18) подвижного состава техническими средствами для обнаружения их неисправностей [72].

Рисунок 17 – Двухосная тележка грузового вагона

Особенно важное значение приобретает сбор информации о греющихся буксовых подшипниках и заклиненных колесных парах, которые способствуют возникновению аварийных ситуаций для перевозочного процесса [25]. Известно, что перегрев буксового подшипника может привести к излому шейки оси колесной пары и, как следствие, сходу подвижного состава с рельсов. В свою очередь заклинивание колесных пар способствует их недопустимому нагреву, разрушению тормозных устройств, возникновению ползунов, излому колесных дисков и бандажей В такой ситуации подвижной состав, обладая огромным запасом кинетической энергии, становится источником поражающих факторов (сила инерции, механическая сила конструкций подвижного состава).

83

Источником поражающих факторов при сходе подвижного состава с рельсов могут стать перевозимые в поезде грузы (горючие, химические, отравляющие, радиоактивные, взрывчатые, опасные биологические вещества).

Рисунок 18 - Буксовый узел

Внедрение устройств обнаружения аварийных букс и заклиненных колес подвижного состава преследует следующие цели:

•повышение уровня безопасности движения поездов;

•улучшение качества пассажирских и грузовых перевозок;

•выполнение графика перевозочного процесса;

•предупреждения аварий, снижение ущерба окружающей среде при перевозке опасных грузов;

•минимизация риска возникновения аварий в тоннелях, на искусственных сооружениях.

Характеризуя процесс совершенствования устройств и систем железнодорожного транспорта Украины, следует

84

отметить тенденцию применения микропроцессорной техники. Эта техника используется в станционных и перегонных системах ИРДП, ДЦ, диагностирования и диспетчерского контроля устройств СЖА и агрегатов подвижных единиц, автоматической идентификации подвижного состава, в системах оповещения и пассажирской автоматике.

Целесообразно также использование вышеуказанной техники при решении задач обработки и анализа значительного объема информации, ее хранения и передачи в реальном масштабе времени без нарушения технологического процесса движения поездов в устройствах обнаружения аварийных букс подвижного состава.

8.1Физический принцип действия устройств считывания и преобразования инфракрасного излучения

Решению задачи технологических измерений фактической температуры элементов технических систем посвящены многие зарубежные и отечественные исследования, а также разработки. Их анализ показывает, что наиболее эффективными при бесконтактном методе выявления температурных режимов эксплуатации элементов и механического оборудования являются устройства инфракрасной диагностики [65].

Достоинствами и преимуществами таких устройств являются:

•безопасность персонала и малые трудозатраты при проведении измерений;

•диагностика контактных, бесконтактных и механических устройств в процессе их работе без нарушения или остановки технологического процесса;

•возможность выявления даже незначительного нагрева элементов для дальнейшего анализа возможных последствий;

•достоверность и точность получаемых результатов;

•большой объём выполняемых работ за единицу времени.

85

Физические основы инфракрасной диагностики заключаются в том, что в природе существует широкий спектр электромагнитных волн, которые отличаются по своей длине. В состав электромагнитного спектра входят несколько диапазонов (по степени уменьшения длины волны) - радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение.

Инфракрасная часть спектра находится между радиоволнами и видимой частью спектра (рис. 19). Обычно длина волны инфракрасного излучения (ИКИ) выражается в микронах (мкм), к нему относят часть спектра с длиной волны от 0,7 до 1000 мкм.

Рисунок 19 - Шкала электромагнитного спектра

Человеческий глаз способен воспринимать только электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,8 мкм, что определяет область видимого спектра [65]. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому излучению, а область более длинных волн называется ИКИ, которое в свою очередь подразделяется на несколько поддиапазонов:

•от 0,76 до 1,5 мкм - ближнее ИКИ;

•от 1,5 до 5,5 мкм - коротковолновое ИКИ;

•от 5,6 до 25 мкм - длинноволновое ИКИ;

•от 25 до 1000 мкм - дальнее ИКИ.

Распределение потока излучения по длине волн описывается спектральным потоком излучения:

Φ eλ = ddΦλe [Вт/мкм].

86

Если спектр излучения лежит в интервале длин волн от λ1 до λ2, то интегральный (суммарный) поток излучения может быть описан:

распространяющегося от источника света внутри элементарного телесного угла dϕ , к этому углу

В теплоизображении и теплоизмерении объектов важную роль играет зависимость от температуры T спектральной энергетической светимости абсолютно черного тела (функция Mλ , которая определяется формулой Планка) [65]:

где c2 = 14388 мкм;

λ - длина волны, мкм.

Поскольку в области максимального излучения exp(c2/λT) → 1, то

∂∂Mλ ≈ Mλ λc2 2 . T T

Это значительно упрощает расчеты зависимости ИКИ объекта диагностирования от температуры.

ИКИ испускает любое тело, нагретое выше температуры абсолютного нуля, но оно может быть низкоэнергетическим, что делает его невидимым для человеческого глаза.

87

В мировой практике для изучения ИКИ были разработаны специальные приборы – инфракрасные камеры, и на их основе – тепловизоры (термографы). Эти приборы позволяют не только регистрировать ИКИ, но и измерять его параметры, а также превращать низкоэнергетическое излучение в видимое для глаза человека изображение [22].

Таким образом, тепловидение - это получение видимого теплового изображения объекта на основании его собственного ИКИ для оценки распределения и измерения тепловых полей. В свою очередь, теплоизмерение -это определение температуры любой точки на поверхности объекта.

ИКИ концентрируется системой специальных линз на фотоприемнике, который избирательно настроен по чувствительности к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на фотоприемник ИКИ приводит к изменению его электрических свойств, в результате чего изменяются параметры выходного сигнала фотоприемника. Этот сигнал после усиления и цифрового преобразования передается в блок отображения информации, который имеет нормативную цветовую палитру. Каждому значению входного сигнала присваивается определенный цвет и тогда на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению ИКИ. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обзор всех точек объекта и окружающей его среды в пределах поля видимости фотоприемника, в результате чего на экране тепловизора отображается видимая картина ИКИ (черно-белая или цветная) в зависимости от температуры элементов объекта диагностирования и заданной цветовой палитре [73, 74].

Одним из основных элементов тепловизоров является фотоприемник. Современные фотоприемники имеют фокальноплоскостные ИК-матрицы, которые могут быть выполнены на основе различных материалов – халькогенидов свинца (PbS, PbSe), соединения кадмий-ртуть-теллур – HgCdTe, антимонида индия (InSb), силицида платины (PtSi), примесей кремния (Si:x) и германия (Ge:x), многослойных структур с квантовыми ямами на базе GaAs/AlGaAs (так называемых QWIP детекторов –

Quantum Well Infrared Photodetector), микроболометров и

88

пироэлектриков [22]. Основные параметры некоторых из них приведены в табл. 5.

Таблица 5 - Основные параметры некоторых фокальноплоскостных ИК-матриц фотоприемников для тепловизионных приборов

89

Примечание: КРТ – кадмий-ртуть–теллур; ППИ – пироэлектрический приемник излучения, МБ – микроболометр

Современные тепловизионные камеры имеют высокую разрешающую способность и возможность выявления температуры с точностью до 0,06оС. Бесконтактный принцип работы тепловизора позволяет применять его для обследования теплового состояния любых устройств железнодорожной автоматики, как в стационарном, так и мобильном режимах

[20, 21].

8.2Выбор элементов контроля и способа измерения температуры буксовых узлов

Известно, что максимум спектральной плотности излучения по мере возрастания температуры любого тела располагается в области коротких волн (коротковолновое ИКИ с λ от 1,5 до 5,5 мкм). Для корпусов большинства перегретых букс, температура которых может изменяться от 0 до 80°С, максимум спектральной плотности излучения также приходится на область коротковолнового ИКИ. Эти значения длин волн

90