Разделы: Информационные технологии, Физика
Размещена 27.03.2026. Последняя правка: 27.03.2026.
Просмотров - 1359

Оценка влияния точности изготовления контрольного отверстия в балансире с помощью теплового контроля

Фалеева Елена Юрьевна

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Факультет «Системы обеспечения транспорта»

Зеньков Евгений Вячеславович, доцент кафедры управление качеством и инженерная графика, ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

УДК 629.4.027

Актальность: Практика ремонта и эксплуатации вагонов свидетельствует о том, что фактические геометрические параметры этих отверстий часто отличаются от номинальных значений, предусмотренных конструкторской документацией. Коррозионный износ, механические повреждения и нарушения технологии ремонтных работ приводят к изменению диаметра отверстия, который может варьироваться в широких пределах от 18,5 до 22,0 мм при номинале 20 мм. Возникает существенное техническое противоречие: высокая точность современной измерительной аппаратуры нивелируется нестабильностью канала передачи теплового сигнала, которым является контрольное отверстие. При заужении отверстия происходит экранирование излучения, приводящее к занижению показаний, а при расширении возникает подсос холодного воздуха, также искажающий результаты теплометрии. В условиях увеличения веса и длины поездов ошибочная диагностика, выражающаяся либо в ложной остановке состава, либо в пропуске перегретой буксы, создает прямую угрозу безопасности движения и приводит к значительным экономическим потерям. Это обуславливает высокую актуальность исследования количественного влияния геометрических отклонений контрольных отверстий на достоверность теплового контроля буксовых узлов.

Целью настоящей работы является повышение достоверности теплового контроля буксовых узлов грузовых вагонов путем установления количественных зависимостей влияния отклонений размеров контрольного отверстия в балансире на результаты измерения температуры и обоснования допустимых пределов износа отверстия, сохраняющих требуемую точность диагностики.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Провести статистический анализ фактического разброса размеров контрольных отверстий в балансирах грузовых вагонов, находящихся в эксплуатации и прошедших ремонтные воздействия, с определением характера и величины отклонений от номинальных значений.
2. Выполнить анализ тепловой статистики, включающий исследование распределения температурных полей буксовых узлов в зависимости от геометрических параметров контрольного отверстия при различных режимах нагрева и условиях окружающей среды.
3. Получить и проанализировать результаты теплового контроля буксовых узлов при различных размерах контрольного отверстия, оценив точность регистрируемых показаний относительно эталонных значений температуры.

Научная новизна исследования состоит в обосновании и экспериментальном подтверждении взаимосвязи между фактическим износом контрольного отверстия балансира и искажением теплового поля буксового узла. В отличие от традиционных подходов, рассматривающих контрольное отверстие как идеальный канал теплопередачи, в данной работе оно впервые идентифицировано как переменный фактор, вносящий систематическую погрешность в результаты теплометрии.

Современная стратегия эксплуатации грузового подвижного состава базируется на непрерывном мониторинге технического состояния узлов в движении, при котором ключевая роль отводится напольным системам теплового контроля. К таким системам относятся, например, приборы обнаружения нагретых букс (ПОНАБ), диагностические системы контроля (ДИСК) и комплексы технических средств многофункциональные (КТСМ). Указанные системы регистрируют температуру букс по инфракрасному излучению, поступающему через специальные контрольные отверстия в балансирах тележек грузовых вагонов.

Конструкция современного балансира трехосной тележки, как показано в патенте RU 2769031 C1 [1], представляет собой стальную отливку с асимметричными концевыми частями, замкнутыми в средней части арочным проемом для размещения буксового узла средней колесной пары. По центру нижней части этого проема выполнено вертикально ориентированное контрольное отверстие, образованное расположенными напротив друг друга вертикальными и наклонными стенками, расширяющими отверстие книзу (рисунок 1). Согласно патентным данным, ширина отверстия между вертикальными стенками составляет 90-100 мм, а наклонные стенки выполняются под углом 35-50 градусов к вертикальной оси, что обеспечивает беспрепятственный съем показаний нагрева подшипниковых узлов наземными датчиками [1].

 

Рисунок 1 – Балансир трехосной тележки

Составляющие балансира:

5 — Левое плечо балансира (или его основная часть). Это часть балансира, которая будет взаимодействовать с боковой рамой тележки.

7 — Центральная часть балансира (или корпус). Это основная, массивная часть, в которой расположено отверстие для буксового узла.

6 — Правое плечо балансира (или его основная часть). Аналогично левому плечу, взаимодействует с боковой рамой.

13 — Отверстие для буксового узла (или центральный проем). Это основное отверстие, через которое балансир надевается на корпус буксы или адаптер. (контролируемый параметр) 

10 — Нижняя часть правого плеча (или опорная поверхность). Это место, где находится прилив или специальная форма для взаимодействия с другими элементами тележки.

23 — Кронштейн/опора (или фланец). Это выступающая часть на конце правого плеча, которая может служить для крепления или опоры.

11 — Основа для крепления отверстия 12

12 — Отверстие (или пара отверстий) в кронштейне/опоре. Предназначено крепежных элементов.

Получены модели, описывающие изменение регистрируемой температуры в функции от диаметра отверстия, что позволяет либо вносить корректирующие поправки в показания аппаратуры, либо обоснованно ужесточать требования к ремонту балансиров. Установлено, что отклонение диаметра отверстия на каждый миллиметр от номинала приводит к изменению регистрируемой температуры в среднем на 3-5°C, что является критическим фактором для систем раннего обнаружения перегретых букс, поскольку может приводить как к пропуску аварийного нагрева, так и к необоснованной остановке поезда [2].

Для оценки фактического состояния контрольных отверстий в балансирах грузовых вагонов был проведен анализ выборки из 9 балансиров, находящихся в эксплуатации и прошедших различные виды ремонтных воздействий. Измерения диаметра отверстий производились с точностью 0,1 мм. Результаты измерений представлены в таблице 1 [3].

Как видно из представленных данных, только (44,4%) находятся в пределах допуска ±0,5 мм от номинального значения. 3 отверстия (33,3%) имеют износ, превышающий допуск, а 2 отверстия (22,2%) имеют критические отклонения: одно в сторону увеличения диаметра (22,0 мм) и одно в сторону уменьшения (18,5 мм). Наибольшее зафиксированное отклонение составило +2,0 мм, наименьшее -1,5 мм. График распределения размеров контрольных отверстий представлен на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Распределение размеров контрольных отверстий

Для оценки влияния диаметра контрольного отверстия на результаты теплового контроля был проведен эксперимент, в котором моделировался нагрев буксового узла до температуры 80°C (имитация неисправного состояния). Температура окружающей среды составляла +15°C. Замер температуры производился бесконтактным тепловизором через контрольные отверстия различного диаметра. Результаты эксперимента представлены в рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Зарегистрированная температура

Анализ полученных данных показывает, что максимальная точность измерения достигается при номинальном диаметре отверстия 20 мм. Отклонение диаметра как в меньшую, так и в большую сторону приводит к росту погрешности. При заужении отверстия до 18 мм регистрируемая температура занижается на 18°C, что объясняется экранированием теплового излучения краями отверстия. При расширении отверстия до 22 мм погрешность достигает -15°C, что связано с подсосом холодного воздуха в зону измерения. Для оценки достоверности теплового контроля использовались пороговые значения, принятые в системах типа ПОНАБ и КТСМ: порог тревоги 1 (нагрев) — 60°C, порог тревоги 2 (критический нагрев) — 70°C. При реальной температуре буксы 80°C система должна выдавать сигнал "Тревога 2"[4]. Результаты оценки представлены на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Достоверность обнаружения перегретой буксы при различных диаметрах отверстия

Экспериментальная оценка достоверности теплового контроля буксовых узлов проводилась при моделировании аварийного нагрева до 80°С, при этом измерение температуры выполнялось через отверстия различного диаметра в балансире. Анализ рисунка 5 показывает, что стабильное обнаружение критического перегрева с выдачей сигнала «Тревога-2» обеспечивается при диаметрах отверстия в диапазоне от 19,5 до 21,2 мм температуре более70°C. Сводные данные по зависимостям представлены в таблице 2.

Сводные данные таблицы 4 подтверждают, что максимальная погрешность измерения достигает 15–18°С именно при критических отклонениях диаметра: заужение вызывает экранирование теплового излучения, а расширение отверстия способствует подсосу холодного воздуха и конвективному охлаждению зоны контроля. При диаметрах менее 19,0 мм и более 21,5 мм погрешность становится недопустимо высокой, что ведет к систематическому пропуску аварийного нагрева и создает прямую угрозу безопасности движения.

Проведенные исследования позволяют сделать ряд важных выводов относительно влияния точности изготовления контрольного отверстия на достоверность теплового контроля. Подтверждено положение патента RU 2769031 C1 [1] о том, что оптимальная геометрия отверстия обеспечивает качественный съем показаний температуры, однако в патенте рассматривается только проектная геометрия балансира, тогда как в эксплуатации возникают значительные отклонения, которые, как показало настоящее исследование, могут приводить к критическому снижению достоверности диагностики. Экспериментально подтверждено, что при отклонении диаметра отверстия от номинального значения 20 мм на каждый миллиметр в сторону уменьшения погрешность измерения возрастает в среднем на 5-6°C, а в сторону увеличения — на 4-5°C. Данное различие обусловлено разными физическими механизмами искажения теплового сигнала: экранированием (затенением) поля зрения датчика при заужении отверстия и конвективным охлаждением зоны измерения при его расширении за счет подсоса холодного воздуха. Исходя из полученных данных, критическими зонами, требующими немедленного восстановления геометрии отверстия или выбраковки балансира, являются диаметры менее 19,0 мм и более 21,5 мм, поскольку при таких размерах вероятность пропуска неисправности буксы с температурой 80°C (моделирующей аварийный нагрев) превышает 50%, что создает недопустимые риски для безопасности движения.

1. Патент РФ № 2769031 от 28.03.2022
2. Петров С. А. Тепловой контроль как вид неразрушающего контроля / С. А. Петров, И. А. Петров // Инновационные подходы к развитию науки и производства регионов: взгляд молодых ученых : Материалы 48-ой научно-практической конференции студентов и молодых учёных, Тверь, 17–19 марта 2020 года. – Тверь: Тверская государственная сельскохозяйственная академия, 2020. – С. 185—186.
3. Образцов В. Л. Эволюция средств теплового контроля буксовых подшипников / В. Л. Образцов // Железнодорожный транспорт. – 2018. – № 10. – С. 46-53.
4. Тепловой контроль буксовых узлов средствами КТСМ-02 / А. А. Миронов, В. Л. Образцов, В. С. Митюшев, К. В. Григорьев // Автоматика, связь, информатика. – 2011. – № 12. – С. 9-11.

Рецензии:

31.03.2026, 14:02 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: В связи с тем, что в работе приведены и температурные контрольные измерения, работа "Оценка влияния точности изготовления контрольного отверстия в балансире с помощью теплового контроля" становится актуальной. Интересны были бы, конечно, и какие-то сведения о применении и разрушающего контроля для таких важных узлов как буксы двигающихся механизмов и машин. Но это на взгляд рецензента. В жизни встречаются аварии на этой почве. Результатам в таблицах верить можно, сравнив их все между собой. Работа рекомендуется к печати в данном журнале тем более, что здесь таких статей по конкретной инженерной тематике очень мало.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий