цех, цех ремонта автотормозного оборудования, руководство) и рабочее место руководителя группы предприятий:

Реализованная в рамках автоматизированной системы управления технологическим процессом ремонта грузовых вагонов функциональность по контролю исполнения технологического процесса ремонта, за счет адресного назначения и контроля выполнения работ позволила повысить качество деповского ремонта грузовых вагонов, существенно сократить количество отцепок и внеплановых видов ремонта.

Система является универсальной платформой, которая позволяет выстраивать контроль технологической дисциплины, менеджмент качества и, что очень важно, планирование и контроль финансовых и материальных ресурсов в реальном времени, осуществлять точный учет затрат на ремонт конкретного вагона в точном соответствии с технологией.

Тепловой расчет салона пассажирского вагона

А.К. Остапчук, А.М. Симонов, В.А. Фролов, В.В. Харин, А.Ю. Крюков, В.Е. Овсянников

Курганский институт железнодорожного транспорта, г. Курган

Обеспечение требуемого уровня комфортности среды в эргатической системе «салон-пассажир» на стадии проектирования системы отопления вагона предполагает использование математических методов расчета тепловых процессов. Своеобразие в описании математической модели салона заключается в том, что ее нельзя представить одним или несколькими универсальными уравнениями, так как салон включает в себя существенные отличные (с точки зрения динамики температуры при теплопередаче) составные части. К ним следует отнести воздух в салоне, внутреннее оборудование и ограждающие конструкции (стенки) салона.

Воздух в салоне. Во время работы системы отопления внутри салона происходят сложные процессы тепломассопереноса. Точный их расчет не представляется возможным. Допущения, принимаемые в большинстве существующих методов, приводят к одному дифференциальному уравнению вида:

370

где Ci , qi — удельная теплоемкость и удельный поток соответ-

ственно. При этом температура воздуха оказывается усредненной по объему салона.

Существенным недостатком такой модели является невозможность прогнозирования изменения температуры воздуха в отдельной точке объема салона, чтобы выявить уровень возможного локального дискомфорта для пассажиров, размещающихся в различных местах салона.

Из анализа тепловых процессов, происходящих при нагреве воздуха в салоне, модель нагревающегося (остывающего) воздуха представляется следующей. Весь воздух внутри салона разбивается на три объема: объем «горячего» воздуха, объем «холодного» воздуха и «точечный» объем. В модели принимается, что отопителями непосредственно нагревается только«горячий объем» воздуха; который взаимодействует через тепломассоперенос с «холодным объемом» и нагревает его. Положение «точечного объема» определяется степенью взаимодействия его с«горячим объемом», «холодным объемом» и стенками салона вагона.

Внутреннее оборудование

Анализ конструкций салонов вагонов показывает, что внутреннее оборудование салона включает в себя следующие элементы — это различного рода перегородки, подушки сидений и каркасы сидений. Используя свойство стабильности тепловых потоков, расчет тепловых процессов во внутреннем оборудовании можно свести к расчету тел классических форм, для которых имеются хорошо разработанные метода расчета.

Внутреннее оборудование вагона можно представить сочетанием тел классических форм: однослойной плоской пластиной; длинного круглого полого цилиндра и полого шара. При этом необходимо выполнение следующих условий— площади поверхности заменяемого и классического тела, а также их массы должны быть равны.

Металлические перегородки и экраны в салоне заменяются одномерной пластиной толщиной, найденной из условия равенства площадей и масс пластины и перегородок, трубчатые каркасы сидений круглым полым цилиндром, длина которого равна сумме длине всех каркасных трубок. Подушки сидений имити-

371

руются полым шаром, наружный радиус которого находится из условий равенства масс шара и сидений.

Ограждающие конструкции салона. Тепловое состояние са-

лона во многом определяется теплофизическими свойствами ограждающих конструкций или стенок. Температура внутренних поверхностей стенок салона определяет тепловой поток от воздуха в салоне в окружающую среду и непосредственно определяет тепловой комфорт пассажиров. Для определения температур рассматривается процесс передачи тепла через стенку салона вагона. В общем случае стенка салона является многослойной, причем одним из слоев может быть воздух. Принимаются следующие допущения: стенка считается плоской; каждый слой однороден; слои идеально

соприкасаются; процесс передачи тепла происходит только по толщине; коэффициенты теплоемкости и теплопроводности слоев при изменении температуры почти не меняются.

Система дифференциальных уравнений в частных производных совместно с начальными и граничными условиями полностью определяет процесс теплопередачи через многослойные стенки салона вагона. Начальные условия представляют собой распределение температур по толщине стенки.

Чтобы определить граничные условия для слоев, соприкасающихся с воздушной прослойкой, расположенной внутри многослойной стенки, рассматривается процесс передачи тепла через эту прослойку. В вагонах, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур, воздушную прослойку в многослойной стенке всегда делают невентилируемой. Теплоемкость воздуха в прослойке незначительна и ей можно пренебречь. Поэтому можно принять, что процесс передачи тепла через прослойку является безынерционным.

Как и в случае с внутренним оборудованием, точную модель теплопередачи через многослойную стенку рекомендуется - ис пользовать для выбора типа математической модели, базирующейся на обыкновенных дифференциальных уравнениях.

Численное моделирование показывает, что наименьшее расхождение с точным описанием имеет модель, построенная по следующему принципу. Уравнение баланса тепла записывается для каждого слоя многослойной стенки салона относительно

372

средней температуры слоя. При этом масса материала слоя сосредоточена в его середине.

Модель стенки в таком виде обеспечивает снижение трудоемкости в определении параметров и численном моделировании, при этом сохраняется достаточно высокая точность при моделировании тепловых процессов в системе «салон-пассажир».

Выбор диагностических параметров для оценки влияния состояния профиля коллектора на процесс коммутации коллекторных электрических машин

П.К. Шкодун, Р.В. Сергеев, Д.Л. Ахунов

Омский государственный университет путей сообщения, Омск

Факторы, оказывающие влияние на процесс коммутации в машинах постоянного тока, принято разделять на электромагнитные и механические. Одним из важнейших факторов механической природы, влияющих на процесс коммутации, является состояние профиля коллектора. Таким образом, для оценки процесса коммутации коллекторных электрических машин важнейшей задачей является определение параметров, характеризующих состояние рабочей поверхности коллектора.

На рис. 1 приведен ряд параметров, по величине которых принято оценивать степень влияния микрорельефа поверхности коллектора на состояние коммутации диагностируемых электрических машин.

Рис. 1. Параметры профиля коллектора

373

Количественное определение диагностической ценности выбранных параметров предлагается производить, основываясь на теории информации, согласно которой диагностическая ценность признака определяется информацией, вносимой признаком в систему состояний диагностируемого объекта. В нашем случае система возможных состояний диагностируемого объекта может быть представлена двумя возможными диагнозами— D1 , соответствующим уровню искрения Aj , не превышающим допусти-

мого значения Aдоп и D2 при уровне искрения Aj > Aдоп .

Диагностическая ценность обследования по двухразрядному признаку k j для диагноза Di может быть определена следующим

образом:

(2)

где P(kis ) — вероятность появления этого интервала у всех объектов.

Для нахождения характерных диагностических параметров профиля коллектора и определения их влияния на коммутацию в лабораторных условиях были обследованы 25 электродвигателей серии 2П. В ходе исследования отслеживались профилограммы коллекторов, а также регистрировалось искрение, дающее информацию о состоянии коммутации машины. Для нахождения диагностической ценности обследования проведена математическая обработка экспериментальных данных.

Таким образом, состояние коммутации диагностируемых электродвигателей серии 2П было описано двумя возможными состояниями при обследовании по семи двухразрядным признакам. Расчет диагностической ценности обследования по каждому признаку

374

осуществлялся по выражению (1). Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Из представленных в таблице данных можно сделать вывод, что для постановки диагнозаD2 , соответствующего интенсивности искрения выше допустимого значения, наибольшую диагностическую ценность имеют признакиk5 , k6 и k7 . В силу не информативности признаков k1 , k2 , k3 , k4 применение их в качестве диагностических параметров нецелесообразно.

Таким образом, наиболее информативными параметрами, характеризующими влияние профиля коллектора на процесс коммутации, являются значение второй производной функции профиля коллектора, а также действующее значение гармонических составляющих функции профиля коллектора без учета первой, второй и третей гармоник. В качестве критерия, характеризующего в целом качество контакта щетка-коллектор, предлагается использовать величину среднеквадратического отклонения второй производной функции профиля коллектора.

375

Повышение достоверности диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей в условиях неидентичности коммутационных циклов

П.К. Шкодун А.П. Афонин

Омский государственный университет путей сообщения, Омск

Экспериментальные исследования процесса коммутации коллекторных электрических МПТ серии 2П показали, что в результате воздействия факторов электромагнитной и механической природы возникает неидентичность коммутационных циклов секций обмотки якоря, как во времени, так и по коллектору. Предложено при оценке состояния коммутации МПТ использовать не только среднее значение интенсивности искрения, но и значения среднего квадратического отклонения интенсивности искрения, как во времени, так и по коллектору.

С целью выявления множества диагностических параметров, позволяющих оценить техническое состояние КЩУ тягового электродвигателя (ТЭД) и отвечающих требованиям доступности измерения, достоверности результатов измерения, информативности и различительной способности, применен графоаналитический метод с последующей декомпозицией исходной графмодели по характеру воздействия факторов на процесс коммутации МПТ.

В результате сформированы множества диагностических параметров для оценки работы КЩУ в целом по машинеВ1 = {круговой огонь (КО), средний уровень искрения щеток (Ищ ср), марка щетки (Мщ), температура окружающей среды (t°окр. ср.), влажность (Св), среднее значение напряжения питания (Uср), частота вращения (n), среднее значение тока якоря (Iа ср.)}; для оценки неидентичности ком циклов во времениВ2 — {среднее квадратическое отклонение интенсивности искрения во времени(σв), вибрация испытуемой машины ( а ) , ток якоря (Iа), изменение напряжения питания (∆U)}; для оценки неидентичности коммутационных циклов по коллектору В3 = {среднее квадратическое отклонение интенсивности искрения по коллектору (σк), профиль коллектора (η), частота вращения (n)}.

376

В сформированных множествах В1, В2 и ВЗ присутствуют диагностические параметры характеризующие процесс искрения испытуемой машины, такие как Ищ ср., σв, σк.

Для измерения и регистрации указанных параметров в условиях неидентичности коммутационных циклов может быть -ис пользован прибор контроля качества коммутации электрических машин ПКК-5. Для этого прибор дополнен цифровым регистратором, структурная схема которого представлена на рис. 1, а. Внешний вид прибора приведен на рис. 1, б.

Регистратор выполнен на основе микроконтроллераATmega 8535, управляющего работой всех элементов блока. Выходные сигналы, пропорциональные интенсивности искрения от недо- и перекоммутированных секций, а также сигнал от счетчика оборотов, поступают на входной согласующий блок, а затем — на входы коммутатора АЦП микроконтроллера.

Рис. 1. Структурная схема цифрового регистратора (а) и внешний вид доработанного прибора контроля качества коммутации ПКК-5М (б)

Схемное решение прибора ПКК-5М защищено авторскими свидетельствами и патентами №1185433, 1365258, 1372434, 1629935

Управляющая программа производит циклическое преобразование входных сигналов и выводит текущие значения измеренных диагностических параметров на жидкокристаллический индикатор. В процессе записи осуществляется сохранение измеренных значений в энергонезависимойflash памяти блока, реализованной на микросхеме Ramtron FM25256, и расчет средних квадратических отклонений импульсов искрения по коллектору за один оборот и по оборотам (во времени) на отдельной пластине, а также среднего значения интенсивности искрения.

377

Передача накопленной информации в персональную ЭВМ осуществляется по шине USB с помощью блока интерфейса, выполненного на микросхемеDLP-USB232M. Программное обеспечение ЭВМ осуществляет первичную обработку полученной информации и диагностирование технического состояния КЩУ ТЭД.

Разработанный прибор с микропроцессорным модулем обеспечивает измерение предложенных диагностических параметров и может быть использован не только для контроля интенсивности искрения, но и для оценки технического состояния КЩУ ТЭД в составе аппаратно-программного комплекса.

Алгоритм оценки износа коллектора тягового электродвигателя

В.В. Харламов, П.К. Шкодун, А.В. Долгова

Омский государственный университет путей сообщения, Омск

В процессе эксплуатации тяговых электродвигателей (ТЭД) в значительной мере изнашиваются элементы коллекторнощеточного узла. Измерение износа коллектора ТЭД, как правило, неразрывно связано с разборкой электродвигателя. Ввиду этого не все существующие методы определения износа могут быть приемлемыми и технически реализуемыми для коллекторов ТЭД. Актуальной задачей на сегодняшний день является создание методики комплексного определения износа коллектора ТЭД, используя известные методы.

Для оценки износа коллектора ТЭД условно выделим две составляющие: механическую и электроэрозионную. Рассматривая вопросы изнашивания коллектора ТЭД, следует учитывать условия работы скользящего контакта. Известно, что последняя секция в пазу коммутирует в наиболее сложных условиях, что повышает вероятность образования дугового искрения на заключительном этапе коммутации. Ламели коллектора, подключенные к этим секциям, в первую очередь подвергаются электроэрозионному износу. Механическому износу подвергаются все пластины коллектора. Учитывая, что ламели коллектора, соединенные с последними секциями обмотки в пазу подвергаются электроэрозионному износу

378

гораздо больше, чем механическому, то механическую составляющую целесообразно оценивать по пластинам, находящимся между ламелями последних секций в пазу. Следует также отметить, что преобладающую роль в процессе изнашивания коллекторных пластин играет электроэрозионная составляющая.

Как правило, анализ работы электродвигателя производят либо путем математического моделирования, либо с помощью проведения непосредственного испытания машины на испытательной станции или специализированном стенде. С помощью известной теории подобия и размерностей получены критерии подобия для ТЭД TJI-2K1 и электродвигателя постоянного тока П31М, позволяющие определить параметры модельной машины, а также распространить результаты исследований на ТЭД.

Для сравнительной оценки известных методик определения износа коллектора механической и электроэрозионной природы в лабораторных условиях поставлен эксперимент. В процессе проведения исследований регистрировались профилограммы с помощью прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М, разработанного на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа, осуществляющего бесконтактный контроль состояния рабочей поверхности коллектора двигателя путем измерения расстояния между датчиком и контролируемой поверхностью.

Оценим механическую составляющую износа коллектора, исключив из расчета первую и вторую гармонические составляющие, учитывающие биение и эксцентриситет коллектора.

Определим значения относительных высот ламелей коллектора базового следа в исходном состоянии как множествоАх,0, значения выбранного для оценки износа следаВх,0; значения относительных высот ламелей коллектора базового следа после проведения испытаний как множество Ах,т, значения выбранного для оценки износа следаВх,т. Для множеств Ах,0 и Вх,0, а также Ах,т и Вх,т найдем соответствующую разность, обозначив результат как множества Сх,0 и Сх,т. Для полученных множеств Сх,0 и Сх, т также определим абсолютное значение разности. Установим численные значения элементов подмножеств Ех, к и Мх,(х-п). Ввиду того, что электроэрозионному износу в наибольшей степени подвергаются пластины коллектора, соединенные с последними секциями в пазу, то целесообразно выделить эти пластины из

379

общего множества. Для модельной машины П31М электроэрозионному износу подвергается каждая четвертая ламель, следовательно, электроэрозионную составляющую можно определить следующим образом:

где n = 2,3,…, — число ламелей, соответствующих последним секциям в пазу; Dd — шаг ламелей, подключенных к последним секциям в пазу; х — число ламелей коллектора; Ех, к — значение электроэрозионной составляющей износа k -ой ламели.

В свою очередь, механическую составляющую износа определим:

ческой составляющей износа i -ой ламели.

Применяя приведенный алгоритм для математической обработки экспериментальных данных, получим значения составляющих износа коллектора. Следует отметить, что электроэрозионный износ также возможно оценивать методом оптических микрометрических измерений по относительной площади выгорания ламели по следу щетки.

Таким образом, методом микрометрических измерений с применением прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М, а также при помощи разработанного алгоритма определены механическая и электроэрозионная составляющие износа коллектора ТЭД. Из приведенных результатов следует, что механический износ значительно возрастает с увеличением электроэрозионной составляющей, но при этом преобладающую роль в износе ламелей ТЭД, подключенных к последним секциям обмотки якоря в пазу, играет электроэрозионная составляющая износа.

380

Усиление композиционными материалами железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов

А.А. Неровных

Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск

В настоящее время на сети железных дорог России эксплуатируется более 36 000 железобетонных пролетных строений, около 49% из которых, согласно информации представленной в базе данных АСУ ИССО, были изготовлены более 50 лет назад. Столь продолжительные сроки эксплуатации неизбежно приводят к образованию и накоплению разного рода дефектов и повреждений, которые могут оказывать влияние на грузоподъемность пролетных строений. К наиболее распространенным и опасным повреждениям следует отнести разрушение нижнего пояса путепроводов ударом негабаритного транспорта или грузка. Наличие повреждений главных балок пролетных строений, наряду с увеличением массы и скорости движения подвижного состава, во многих случаях вызывает необходимость их усиления. В настоящее время все большее распространение получает способ увеличения несущей способно-

сти железобетонных пролетных строений с помощью систем внешнего армирования на основе полимерных композиционных материалов — углепластиков.

С 2009 г. и по сегодняшний день в НИЛ «Мосты» НИДЦ СГУПС ведутся экспериментально-теоретические исследования изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, а также испытания материалов— компонентов систем внешнего армирования.

На основании полученных данных также были определены значения коэффициентов надежности по материалу для различных компонентов систем внешнего армирования, их нормативные и расчетные прочностные характеристики, а также была разработана инженерная методика расчета усиленных конструкций, основанная на методе предельных состояний, — методика СГУПСа. Кроме того определена эффективность работы различных схем усиления изгибаемых железобетонных элементов.

381

Методика СГУПСа позволяет определить класс грузоподъемности пролетного строения по прочности нормального и наклонного сечений, а также по выносливости конструкции, с учетом того, что усиление осуществляют без разгрузки от собственного веса. Следует отметить, что при определении несущей способности усиленного пролетного строения учитывается возможный характер его разрушения — разрыв материала усиления, его отслоение по адгезиву или по бетону защитного слоя рабочей арматуры с его разрушением, разрушение по наклонному сечению или по бетону сжатой зоны.

В настоящее время в НИЛ«Мосты» проводятся дополнительные испытания на выносливость усиленных изгибаемых железобетонных элементов с целью возможного уточнения разработанной методики расчета.

382