Приведенные исследования говорят о том, что ориентация на крышку недостаточно информативна ввиду сложности юстировки оптики, удаленности приемника ИК и меньшего нагрева крышки, чем у корпуса буксы. Для проверки последнего предположения и изучения теплового режима работы буксового узла была разработана математическая модель тепловых процессов в буксовом узле. В расчете в качестве внешнего воздействия была задана температура каждого ролика 100 градусов, начальная температура остальных элементов 20 градусов, температура воздуха 20 градусов. В результате определено, как распределяется температура по элементам буксового узла во времени с учетом воздушного охлаждения буксы от движения вагона со скоростью 60 км/час. На рис. 4.7 и 4.8 показано распределение температур в буксовом узле через 20 минут после приложения источника нагрева и график изменения температур в верхней, нижней части корпуса и в крышке буксы.
Полученное распределение температур подтверждено стендовыми испытаниями буксового узла с измерениями в разных сечениях температур деталей подшипников и наружных поверхностей буксового узла во времени.
Испытания проводились посредством задания частоты вращения оси колесной пары, соответствующей скорости поезда 60 км/ч, при различных значениях вертикальной (от 0 до 7,5 тс на подшипник) и осевой нагрузок (от 0 до 1,5 тс) с помощью штатных средств испытательного стенда.
Рисунок 4.7 Температурные поля нагрева деталей буксового узла через 20 минут после задания источника тепла на ролики подшипника 100 градусов с учетом обдува узла от движения поезда со скоростью 60 км/час
Рисунок 4.8 Графики нагрева во времени деталей буксового узла с выходом на стационарный режим с внешним обдувом после задания источника тепла
Для имитации охлаждения корпуса буксы встречным воздухом создавался принудительный обдув с одной стороны буксового узла. При испытаниях регистрировались следующие параметры:
а) время работы стенда
б) температура посадочной поверхности наружного кольца переднего и заднего подшипника в восьми сечениях (восемь точек на каждое кольцо)
в) температура корпуса буксы в восьми точках, в районе просверленных отверстий бесконтактным термометром RAYMX4P;
г) температура крепительной и смотровой крышки буксового узла.
График нагрева и остывания, построенный по результатам испытаний показан на рис. 4.9. Зависимости на графике наглядно показывает, что верхняя зона буксы и менее нагретая нижняя часть корпуса нагреваются выше, чем крепительная крышка, причем в диапазоне, предшествующем заклиниванию подшипника и связанного с этим аварийного интенсивного нарастания температуры градиент температуры по корпусу значительно выше, чем у крышки буксы.
Рисунок 4.9 График нагрева деталей буксового узла в зависимости от времени работы буксового узла на стенде
Полученные выводы говорят о том, что в качестве зоны тепловой диагностики подшипников целесообразно использовать корпус буксы, так как приемник инфракрасного сигнала получал бы более мощный сигнал, который пропорционален температуре нагрева наружных колец подшипников. Поскольку верхняя часть корпуса буксы может быть не доступна для прямого сканирования (эта зона частично закрыта рамой тележки или открытыми бортами платформ), то целесообразно использовать наиболее нагретую - нижнюю доступную часть корпуса буксы.
Результаты исследований и анализ зарубежных решений по ИК диагностике буксовых узлов позволили НПЦ «Инфотэкс» предложить для аппаратуры 5-го поколения более совершенный вариант ориентации болометра с установкой напольной камеры прямо на подошву рельса, реализованный в новой модели КТСМ-02Б.
Схема установки болометра и его ориентация показана на рисунке 4.10. Конструкция напольной камеры КТСМ-02 обеспечивает осмотр нижней и частично задней (по ходу движения) стенок корпуса буксового узла. При такой ориентации обеспечивается стабильность геометрии положения напольной камеры и приемника ИК относительно контролируемых объектов, наименьшее расстояние до объекта контроля. При этом исключаются ложные показания аппаратуры на рабочий нагрев шкивов и редукторов привода подвагонных генераторов, на нагрев обода колес, возникающий при торможении поезда, и на отраженное от корпусов букс солнечное излучение.