В. В. БУРЧЕНКОВ Автоматизация контроля технического состояния подвижного состава

Белорусской железной дороге в настоящее время эксплуатируется свыше 300 комплектов аппаратуры ДИСК и КТСМ.

1.3 Измерение инфракрасной энергии излучения

Основой построения аппаратуры контроля буксовых узлов является измерение энергии излучения корпуса буксового узла. Каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию. Тела, полностью поглощающие падающий на них лучистый поток и обладающие максимальной излучаемостью, называются абсолютно черными телами. Излучение черного тела полностью определяется его температурой.

Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела Е является функцией длины волны, λ и температуры Т. В соответствии с законом Планка спектральная плотность излучения черного тела для длин волн от λ до d λ определяется по формуле

E( ,T ) C 5	(eC	2	/ T 1) 1	,	(1.1)
1

где С1 и С2 – константы, равные соответственно 3,74 ∙ 104 Вт∙см -2 ∙мкм4 и 1,438 ∙ 104 мкм∙град.

Максимум плотности излучения по мере возрастания температуры тела перемещается в область коротких волн. По закону Вина длина волны (в мкм), соответствующая максимуму излучения, определяется по формуле

max 2898 / T .

Для корпусов большинства перегретых букс, температура которых может изменяться от 0 до 80 °С, максимум спектральной плотности излучения приходится на длины волн от 11 до 8 мкм. Поскольку при длинах волн меньше λmах плотность излучения быстро падает и часть ее приходится на длины волн более λmах, то наибольшее количество энергии излучения букс находится в диапазоне от 5 до 15 мкм. Эти значения длин волн должны учитываться при выборе приемника излучения (датчика) для аппаратуры контроля букс. Однако плотность излучения Солнца имеет максимум при длине волны около 0,5 мкм и очень малая ее часть приходится на длины волн более 5 мкм. Поэтому для защиты аппаратуры контроля от влияний отраженной солнечной энергии приемник излучения должен иметь заградительные фильтры для длин волн короче 5 мкм.

Излучение, воспринимаемое приемником аппаратуры контроля от корпуса буксы, с определенным коэффициентом передачи пропорционально полной плотности излучения буксы WБ. Полная плотность излучения абсолютно черного тела WЧТ (интегральная) определяется законом Стефана-

11

Больцмана. При интегрировании E( ,T)dλ, во всём диапазоне	волн от
0 , до , получаем
W÷ò E(λÒ)d T 4 ,	(1.2)
0

где (σ = 5,67 ∙ 10-12 Вт/см2∙град4 – постоянная Стефана-Больцмана. Поскольку в природе не существует абсолютно черных тел, то все ре-

альные тела называются нечерными, и делятся на тела с селективным и серым излучением. Излучательные способности серых тел, к которым относятся и буксы, характеризуются степенью черноты, показывающей, во сколько раз полная плотность излучения данного тела меньше полной плотности излучения абсолютно черного тела. С учетом ε выражение (1.2) принимает вид

Wò Ò4 .

Для корпусов букс значение ε равно примерно 0,85–0,95. Изменение степени черноты букс вносит дополнительные погрешности в измерение, а следовательно, приводит к ошибкам в распознавании перегретых букс по выбранному параметру контроля. Если с помощью приемника излучения измерять значение Wт , то при изменении температуры наружного воздуха сигнал на выходе приемника будет изменяться пропорционально изменению Wт. А это значит, что при контроле букс с одинаковым критерием аварийности в диапазоне температур наружного воздуха от минус 40 до плюс 40 °С сигнал на выходе приемника будет изменяться почти в 2 раза. Произвести оценку состояния буксы по такому сигналу сложно.

Поэтому в аппаратуре контроля букс Wт измеряют с учетом температуры наружного воздуха. Суть этого метода в том, что с помощью приемника излучения измеряется превышение полной плотности излучения корпуса буксы над полной плотностью излучения тела с температурой наружного воздуха (рама вагона, температура которой примерно равна температуре наружного воздуха). В этом случае полная плотность излучения, передаваемая с определенным коэффициентом к приемнику, может быть рассчитана по формуле

Wîòí εσ(Òêá4 Òíâ4 )

где Ткб – температура корпуса буксы, °С; Тнв – температура наружного воздуха, °С.

В результате воспринимаемое приемником излучение изменяется незначительно во всем диапазоне температур наружного воздуха.

12

1.4 Выбор элементов контроля технического состояния вагонов

Задача обнаружения перегретых букс методом улавливания инфракрасной энергии излучения от элементов колесной пары или корпуса буксового узла осложняется тем, что основная зона тепловыделения буксового узла (подшипник – шейка оси) недоступна для прямого контроля, а измеряемый параметр лишь косвенно может характеризовать степень нагрева шейки оси. В связи с этим вероятность правильной оценки состояния контролируемой буксы зависит от связи между измеряемым параметром и истинным ее состоянием. Вероятность правильного обнаружения перегретой буксы будет тем выше, чем больше коэффициент связи между температурой шейки оси и температурой измеряемого элемента колесной пары или корпуса буксового узла. В то же время должна приниматься во внимание возможность технической реализации аппаратуры для контроля различных элементов корпуса буксового узла или колесной пары. Условно предположим (рисунок 1.3) колесную пару 2 с буксой на роликовом подшипнике 1. Контролируемые элементы корпуса буксового узла и колесной пары показаны стрелками а, b, с, d, e.

Контроль температуры поверхности крышки буксового узла (вид по стрелке а) не может дать хороших результатов, так как температура крышки слабо отражает температуру шейки оси. Достаточно хорошо характеризует температуру шейки оси нагрев верхней части корпуса буксы (вид по стрелке b), но конструктивные особенности подвижного состава и необходимость соблюдения габарита приближения строений при размещении считывающих устройств аппаратуры контроля делают невозможным организовать контроль этого элемента корпуса буксы.

К тому же при следовании платформ с открытыми бортами верхняя часть корпуса буксы скрыта от «взгляда» считывающих устройств.

Подступичная часть оси с наружной стороны колеса (вид по стрелке с) наилучшим образом характеризует температуру шейки. Однако из-за небольших размеров этой зоны очень трудно организовать надежный контроль при поперечных смещениях колесной пары во время движения поезда. В то же время, при креплении малогабаритного приемника ИК-излучения к рельсу, можно получить объективную характеристику состояния буксы.

Хорошие результаты могут быть получены при контроле подступичной части оси с внутренней стороны колеса (вид по стрелке е), так как эта часть колесной пары более доступна для «взгляда» считывающих устройств. Однако по результатам предварительных исследований установлено, что связь между температурой этого элемента оси и шейкой оси более слабая, чем между шейкой оси и верхней частью корпуса буксы. В результате наибольшее распространение на зарубежных и отечественных желез-

13

ных дорогах нашла аппаратура, контролирующая стенку корпуса буксы 3 с внешней стороны рамы тележки.

1		2
		3
	b

а

d

c	e

Рисунок 1.3 – Колесная пара с буксами для определения места контроля

Верхняя часть задней по ходу движения поезда стенки корпуса буксы меньше других элементов подвержена охлаждению встречным потоком воздуха, наиболее доступна для контроля и по ее температуре с большей точностью можно судить о температуре шейки оси.

Несколько сложнее реализовать контроль задней стенки корпуса буксы с внутренней стороны рамы тележки (вид по стрелке d), так как эта часть корпуса буксы сильно загрязнена и находится вблизи нагретых подступичной части оси и тормозных колодок.

В процессе работы буксового узла тепло от подшипника передается на корпус буксы. Значение температуры корпуса буксы определяется температурой шейки оси, температурой наружного воздуха и скоростью движения поезда (рисунок 1.4).

Например, при увеличении скорости движения поезда и недостаточном подводе смазки значение превышения температуры корпуса буксы над температурой наружного воздуха Ткб несколько снизится, а значение превышения температуры шейки оси над температурой наружного воздуха Тшо начинает возрастать.

При увеличении скорости движения поезда на 65-й минуте Тшо резко увеличивается, а значение Ткб начинает уменьшаться и, наоборот, после снижения скорости движения поезда на 35-й минуте значение Ткб начинает возрастать при одновременном уменьшении Тшо.

14

200
С					Тнв=20 С
150
100					Тшо
Ткб,
Тшо
50
					Ткб
0	20	40	60	80	100	120	140 мин 150
			t
100
км/ч
v 50
0	20	40	60	80	100	120	140 мин 150
			t
Рисунок 1.4 – Графики изменения температуры шейки
	оси и корпуса неисправной буксы

Таким образом, снижение значения Ткб при увеличении скорости движения поезда и возрастании Тшо происходит вследствие охлаждения корпуса буксового узла встречным потоком воздуха. Когда скорость поезда снижается, уменьшается теплоотдача буксового узла и значение Ткб возрастает. При увеличении скорости встречный поток воздуха дополнительно охлаждает его заднюю стенку. Большое влияние на значение Ткб оказывают нагрев корпуса буксового узла за счет солнечной радиации, термическое сопротивление его при передаче тепла от подшипника к корпусу, наличие влаги на поверхности буксы и др. С учетом влияния отдельных мешающих факторов распределение плотностей вероятностей реальных значений превышения температуры Ткб нормальных (кривая 1) и перегретых (кривая 2) букс с подшипниками качения показано на рисунке 1.5.

Множества значений Ткб для нормально работающих и перегретых букс имеют зону пересечения. Это говорит о невозможности безошибочного распознавания перегретых букс по значению Ткб. Действительно, если выбрать в качестве критерия распознавания определенное значение Ткб, например 20 °С, то определенное количество перегретых букс, Ткб которых ниже этого значения, будет не обнаружено и, наоборот, определенное количество нормально работающих букс, Ткб которых выше 20 °С, будет принято за перегретые.

На рисунке 1.6 приведена зависимость температуры корпусов перегретых букс от температуры наружного воздуха.

Среднее значение Ткб нормально работающих букс незначительно меняется при изменении температуры наружного воздуха и при установив-

15

шемся режиме теплообмена равно 10–15 °С. Среднее значение Ткб для перегретых букс в зависимости от температуры наружного воздуха изменяется значительно. Так, значение Ткб для корпусов перегретых букс с подшипниками качения может изменяться для одной и той же температуры шейки оси, например +100 °С, в диапазоне температур наружного воздуха от –40 до +40 °С от 5 до 62 °С (рисунок 1.6, кривая 2).

	0,20
	0,16
				1
	0,12
	0,08
P(	Ткб )				2
	0,04
	0	6	12	18	24	30	36	С	48
				Ткб
	Рисунок 1.5 – Распределение значений Ткб для букс с
				подшипниками качения
					Ткб, С
					60
							1
					40
							2
					20
	-40	-30	-20	-10	0		+10	+20	Тнв, С

Рисунок 1.6 – Зависимости температуры корпусов перегретых букс от температуры наружного воздуха

Из изложенного следует, что автоматизация процесса обнаружения перегретых букс будет успешной лишь при использовании статистических методов обработки результатов измерений.

16

1.5Исследование задач аппаратуры связи

всистемах контроля букс поездов

Работа современных систем контроля букс (технического состояния поездов) в пути следования связана с необходимостью передачи, приема и обработки значительных объемов информации. Аппаратура связи систем автоматического контроля букс призвана обеспечить заблаговременное извещение работников линейных пунктов о состоянии буксовых узлов прибывающего поезда с тем, чтобы своевременно выполнить операции по приему поезда на станцию, организовать осмотр и ремонт неисправных букс с минимальной затратой времени.

Задачи аппаратуры связи в системах контроля поездов, принципы ее построения определяются структурой этих систем. Варианты принципов построения систем контроля букс отличаются расположением устройств обработки телеметрической информации по отношению к каналу связи.

В первом варианте (рисунок 1.7, а) телеметрическая информация в виде сообщения с датчиков контроля Д после предварительной обработки поступает на вход передатчиков П многоканальной аппаратуры передачи сообщения (АПС) и далее через линию связи и приемник Пp АПС – на устройство обработки информации УОИ, откуда данные контроля выдаются на регистратор. Во втором варианте (рисунок 1.7, б) вся телеметрическая информация обрабатывается в непосредственной близости от места ее зарождения. С выхода устройства обработки информации данные контроля через передатчик и приемник аппаратуры передачи данных выдаются на регистратор. В случае, когда система контроля строится по принципу системы ТИ, с помощью аппаратуры связи ведется передача и прием телеметрических сигналов, т. е. непрерывного ряда значений измеряемой физической величины (температуры буксы, неровности колеса и др.), а также сигналов управления (наличие поезда на участке контроля, отметка оси, вагона и др.).

Источниками сообщений в таких системах являются различные датчики, которые преобразуют контролируемые физические величины в электрические сигналы. При построении системы по принципу системы ТС с помощью аппаратуры связи в кодовом виде передаются данные о состоянии и месте расположения в поезде неисправного контролируемого объекта. В таких системах источником сообщений является устройство обработки информации, которое хранит набор возможных кодовых комбинаций или программ управлений. Таким образом, сообщения, передаваемые в системах контроля поездов, должны иметь дискретный и непрерывный характер.

Аппаратура связи в системах контроля технического состояния поездов должна быть универсальной и обеспечивать передачу информации не только о состоянии букс, но также и других объектов контроля (колес, габарита, волочащихся деталей и пр.).

17

a)

Станционное

Постовое оборудование

оборудование

УС

Линия

Д

П

Пр

УОИ

Р

связи

б) Постовое оборудование

Д УОИ П

		Станционное
		оборудование	УС
	Линия	Пр	Р
	связи

Рисунок 1.7 – Принципы построения аппаратуры автоматического контроля букс

Сообщения, подлежащие передаче при построении сиcтемы контроля по принципу системы ТИ, и их характеристики приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Характеристики основных сообщений, подлежащих передаче в

системах ТИ

	Измеряемая физическая ве-		Предел измере-	Допустимая	Ширина
Объект контроля			ния физических	погрешность
	личина		параметров	передачи, %	спектра
	Температура элемен-				80
	тов корпуса буксы
Буксовый узел			0–80 °С	5
	Температура элемен-				100
	тов колесной пары
	Динамическая сила
	действия колеса на		5–50 т	5	200
Колесная пара	рельс
	Ускорение в рельсе
	от взаимодействия с		15–200 g	5	500
	колесом
Вагон	Наличие волочащей-		Да–нет	–	3
	ся детали
	Наличие колесной
Колесная пара	пары в заданной точ-		Да–нет	–	700
	ке пути
Физическая	Наличие подвижной
подвижная	единицы в зоне кон-		Да–нет	–	3
единица	троля
Поезд	Наличие поезда на		Да–нет	–	3
	участке контроля
	18

Как следует из анализа данных, приведенных в таблице 1.1, сообщения, подлежащие передаче в системах ТИ, значительно отличаются по динамическому диапазону и спектральным характеристикам. Это создает определенные трудности при проектировании аппаратуры связи, предназначенной для передачи данных контроля. С целью упрощения аппаратуры связи, унификации ее оборудования, практически во всех системах контроля технического состояния поездов сообщения, подлежащие передаче, подвергаются предварительной обработке, в ходе которой они нормируются (например, приводятся к одинаковой длительности).

В системах, построенных по принципу систем ТС, информация передается в кодовом виде. Для определения основных требований к аппаратуре передачи данных этих систем будем исходить из макета данных, подлежащих передаче, который приведен в таблице 1.2. Число двоичных разрядов, необходимых для передачи всех видов информации, рассчитано для случая неравномерного кодирования (числитель) и равномерного кодирования с передачей каждого знака с пятиэлементным кодом стартстопным методом (знаменатель).

Таблица 1.2 – Состав макета данных, подлежащих передаче в системах ТС

	Вид информации	Число деся-	Максимальное	Число двоич-	Примечание
		тичных знаков	число	ных разрядов
	Номер поезда	4	9999	16/28
	Время контроля	4	23–59	13/28	Передаются на ка-
	Номер вагона	3	199	9/21
					ждую обнаружен-
	Сторона поезда	1	1	1/7	ную неисправность
	Контрольная
	программа	1	1	1/7

Средний объем данных, в бит, который необходимо передавать при контроле поездов [6]:

Nñð Nïï Nä Pïåð Ná , (1.3)

где Nпп – объем постоянной части передаваемого макета данных, бит; Nд – объем информации о вероятных дефектах;

Pпер – вероятность появления в макете данных сигнала о буксе, информацию о которой необходимо передать, т. е. вероятность появления сигнала, превышающего заданный порог настройки аппаратуры;

Nб – число букс в поезде;

Вероятность появления сигнала, превышающего заданный порог,

P	P(H )P	P(Ï )P ,	(1.4)
ïåð	í	ï
	19

где Pн, Рп – соответственно вероятности попадания в макет данных сигналов нормально греющихся и перегретых букс.

При заданном пороге обнаружения перегретых букс Тко вероятности попадания в макет данных сигналов от нормально греющихся и перегретых букс:

P		W ( Ò )d ( Ò ),		(1.5)
í		11 ê	ê
	Òêî
Pí	W 1 2( Òê )d ( Òê ),			(1.6)

Òêî

где W11( Тк), W12( Тк) – функции распределений плотностей вероятностей приращений температуры корпуса нормально греющихся и перегретых букс.

В соответствии с данными таблицы 1.2, Nпп = 30, а Nд = 10. На рисунке 1.8 показаны рассчитанные по формулам (1.4)–(1.6) вероятности появления неисправностей при контроле букс, информацию о которых необходимо передавать.

Пользуясь этими данными, по формуле (1.3) вычислим зависимости Ncp = f( Тк) для поездов, содержащих соответственно 400, 800 и 1600 букс (приблизительно 50, 100 и 200 вагонов). Результаты расчетов, выполненные для случая неравномерного кодирования, приведены на рисунке 1.9. Полученные кривые (сплошные линии) характеризуют средние объемы данных, подлежащих передаче. В то же время для определения требуемой скорости передачи данных необходимо располагать сведениями о максимальных объемах данных, подлежащих передаче.

Максимальный объем данных

Nmax Nïï

Nä Ê ámax ,

(1.7)

где Кбmax – максимальное число букс в составе, информацию о которых необходимо передавать.

Максимальным числом букс Кбmax будем считать такое число, которое может появиться в составе с вероятностью Рк(Nб) ≤ . Вероятность того, что

в поезде, содержащем Nб букс, имеется Кб букс с сигналами, превышающими заданный порог:

P (N	á	) C K P K	(1 P	) N K .	(1.8)
k		N ïåð	ïåð

Задаваясь Рк(Nб) ≤ 5 · 10-5, получим максимальное число букс Кбmax в поезде, информацию о которых потребуется передавать. Результаты расчетов, выполненных по формуле (1.7), приведены на рисунке 1.9 (штриховые

20